時(shí)域熱反射測(cè)量系統(tǒng)（TDTR）的典型光路介紹

 

時(shí)域熱反射技術(shù)（TDTR）是一種高精度、高時(shí)間分辨率的熱物性測(cè)量技術(shù)，主要用于研究各種材料的熱物性，包括單層膜、多層膜、液體材料的熱導(dǎo)率、熱容，以及固-固材料界面、固-液材料界面，微結(jié)構(gòu)界面熱導(dǎo)；及各種微結(jié)構(gòu)熱物性等，從而幫助科研人員更好地理解材料的熱傳輸特性。本文主要對(duì)飛秒激光時(shí)域熱反射測(cè)量系統(tǒng)（TDTR）的典型光路即組成進(jìn)行了介紹。

 

1，泵浦探測(cè)技術(shù)

 

泵浦-探測(cè)技術(shù)(Pump-Probe Technique)是一種時(shí)間分辨光譜技術(shù)，廣泛用于研究材料的電子、振動(dòng)和光學(xué)性質(zhì)。這項(xiàng)技術(shù)通過精確控制時(shí)間，可以捕捉材料在不同時(shí)間點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化，因此在納米材料的熱傳輸和能量轉(zhuǎn)移研究中尤為重要。

 

基于泵浦-探測(cè)技術(shù)，發(fā)展出了一系列實(shí)驗(yàn)技術(shù)，如瞬態(tài)熱反射(Transient Thermo-reflectance, TTR)、時(shí)域熱反射(Time-Domain Thermo-reflectance, TDTR)、頻域熱反射(Frequency-Domain Thermo-reflectance, FDTR)和熱透射顯微鏡(Photothermal Microscopy)。這些技術(shù)各有特點(diǎn)，適用于不同的研究場(chǎng)景。

 

2，時(shí)域熱反射技術(shù)（TDTR）

 

時(shí)域熱反射技術(shù)（TDTR）是一種高精度、高時(shí)間分辨率的光熱技術(shù)，用于測(cè)量材料的熱物性參數(shù)，如熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率和界面熱阻。

 

時(shí)域熱反射技術(shù)（TDTR）基本原理如下：

 

①泵浦脈沖加熱：首先，一個(gè)強(qiáng)激光脈沖（泵浦脈沖）照射到材料表面，瞬間加熱樣品。這種加熱過程非常短暫，通常在皮秒（ps，10^-12秒）量級(jí)。通常情況下，樣品表面會(huì)鍍上一層薄金屬膜作為傳感器，當(dāng)溫度升高時(shí)，金屬膜的反射率會(huì)發(fā)生線性變化。

 

②探測(cè)脈沖測(cè)量：然后，一個(gè)弱激光脈沖（探測(cè)脈沖）在不同時(shí)間延遲下照射同一位置，測(cè)量探測(cè)脈沖的反射光強(qiáng)度，以獲取材料反射率的變化。

 

③數(shù)據(jù)分析：通過分析反射率變化曲線，結(jié)合熱傳導(dǎo)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，從而提取樣品的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、熱容、界面熱阻（界面熱導(dǎo)）等參數(shù)。

 

3，時(shí)域熱反射技術(shù)（TDTR）的典型光路圖

 

如下以昊遠(yuǎn)精測(cè)的Pioneer-ONE：飛秒激光時(shí)域熱反射測(cè)量系統(tǒng)為例介紹TDTR系統(tǒng)的典型光路：

 

 

圖（1）雙波長(zhǎng)熱反射泵浦探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

 

Pioneer-ONE TDTR時(shí)域熱反射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖（1）所示，其核心部分是一臺(tái)飛秒光纖激光器，該激光器提供系統(tǒng)的輸入光源，波長(zhǎng)為1064nm，脈沖寬度為100 fs，重復(fù)頻率為80 MHz，發(fā)出的是線偏振光。為了防止背反射導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定或激光器損壞，激光首先通過一個(gè)光隔離器(optical isolator)。

 

接下來，激光通過一個(gè)由1/2波片(1/2 Waveplate)和偏振分束器(Polarizing beam splitter)組成的分光結(jié)構(gòu)，分為兩束：泵浦激光和探測(cè)激光。1/2 波片可以用來調(diào)節(jié)泵浦探測(cè)兩路的分光比例。

 

泵浦激光路徑：

 

①泵浦激光經(jīng)過一臺(tái)美國(guó)Conoptics公司的電光調(diào)制器(Electro-Optic Modulator, EOM)，其強(qiáng)度被加載ωr頻率的調(diào)制，ωr同時(shí)也作為鎖相放大器的參考信號(hào)使用。

 

②泵浦激光隨后經(jīng)過BBO晶體進(jìn)行倍頻，經(jīng)過晶體之后，激光變成了包含1064nm（基頻成分）+532nm（倍頻成分）的雙色光。

 

③經(jīng)過倍頻晶體的激光經(jīng)過冷光鏡(Cold Mirror)濾波，基頻光被基本濾除。Red filter進(jìn)一步濾除泵浦激光中的基頻光，減少其對(duì)探測(cè)信號(hào)的影響。

 

探測(cè)激光路徑：

 

①探測(cè)激光首先經(jīng)過延遲平臺(tái)(delay Stage)，控制光程，以調(diào)節(jié)泵浦脈沖和探測(cè)脈沖到達(dá)樣品表面的時(shí)間間隔。延遲平臺(tái)的步進(jìn)精度決定了測(cè)量的時(shí)間分辨率（在其不小于脈寬的情況下），行程決定了可測(cè)量的總延遲量（在其不大于脈沖間隔的情況下）。

 

②為減少光束發(fā)散的影響，在探測(cè)激光經(jīng)過延遲平臺(tái)前，使用擴(kuò)束裝置(beam expander)放大光束，減少發(fā)散角。

 

合束及檢測(cè)：

 

①處理后的泵浦激光和探測(cè)激光通過冷光鏡(Cold Mirror)合束，并通過一個(gè)光學(xué)物鏡共同聚焦在樣品表面。

 

②探測(cè)激光在樣品表面反射后，通過偏振分束器和四分之一波片(1/4 Waveplate)進(jìn)行分離。探測(cè)激光在延遲平臺(tái)后為水平偏振方向，完全通過偏振分束器，到達(dá)樣品前后經(jīng)過四分之一波片，偏振方向由水平變?yōu)樨Q直，在返回至偏振分束器時(shí)被完全反射。

 

③由于探測(cè)激光信號(hào)非常微弱，少量泵浦激光到達(dá)光電探測(cè)器會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果。因此，在光電探測(cè)器前放置藍(lán)光濾光片(Blue Filter)，對(duì)波長(zhǎng)為532nm的泵浦光進(jìn)行再次濾波，有效去除其對(duì)探測(cè)光的干擾。

 

④反射出來的探測(cè)激光經(jīng)過焦距為300 mm的平凸透鏡聚焦在另一個(gè)光電探測(cè)器的光敏面上，該探測(cè)器與鎖相放大器相連，用于采集實(shí)驗(yàn)信號(hào)。

 

⑤另外，通過鋁膜反射鏡將光線反射至ccd相機(jī)，可以觀察樣品表面的質(zhì)量以及泵浦激光和探測(cè)激光光斑的重合程度。

 

如上就是Pioneer-ONE TDTR采用的雙色激光泵浦探測(cè)方案，此方案能更好去除泵浦光對(duì)探測(cè)光信號(hào)的干擾，以實(shí)現(xiàn)更高的信噪比和抗干擾性。采集到的方案經(jīng)過昊遠(yuǎn)精測(cè)專業(yè)熱傳導(dǎo)分析軟件平臺(tái)Thermo-Mind進(jìn)行建模分析，就能夠得到樣品的相關(guān)熱物性參數(shù)了。

 

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