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时域热反射测量系统(TDTR)的典型光路介绍

上海昊量光电设备有限公司 2024-08-30 12:27 次阅读

时域热反射威廉希尔官方网站 (TDTR)是一种高精度、高时间分辨率的热物性测量威廉希尔官方网站 ,主要用于研究各种材料的热物性,包括单层膜、多层膜、液体材料的热导率、热容,以及固-固材料界面、固-液材料界面,微结构界面热导;及各种微结构热物性等,从而帮助科研人员更好地理解材料的热传输特性。本文主要对飞秒激光时域热反射测量系统(TDTR)的典型光路即组成进行了介绍。

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基于泵浦-探测威廉希尔官方网站 ,发展出了一系列实验威廉希尔官方网站 ,如瞬态热反射(Transient Thermo-reflectance, TTR)、时域热反射(Time-Domain Thermo-reflectance, TDTR)、频域热反射(Frequency-Domain Thermo-reflectance, FDTR)和热透射显微镜(Photothermal Microscopy)。这些威廉希尔官方网站 各有特点,适用于不同的研究场景。

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时域热反射威廉希尔官方网站 (TDTR)

时域热反射威廉希尔官方网站 (TDTR)是一种高精度、高时间分辨率的光热威廉希尔官方网站 ,用于测量材料的热物性参数,如热导率、热扩散率和界面热阻。

时域热反射威廉希尔官方网站 (TDTR)基本原理如下:



①泵浦脉冲加热:首先,一个强激光脉冲(泵浦脉冲)照射到材料表面,瞬间加热样品。这种加热过程非常短暂,通常在皮秒(ps,10^-12秒)量级。通常情况下,样品表面会镀上一层薄金属膜作为传感器,当温度升高时,金属膜的反射率会发生线性变化。

②探测脉冲测量:然后,一个弱激光脉冲(探测脉冲)在不同时间延迟下照射同一位置,测量探测脉冲的反射光强度,以获取材料反射率的变化。

③数据分析:通过分析反射率变化曲线,结合热传导模型进行数据拟合,从而提取样品的热导率、热扩散率、热容、界面热阻(界面热导)等参数。

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时域热反射威廉希尔官方网站 (TDTR)的典型光路图

如下以昊远精测的Pioneer-ONE:飞秒激光时域热反射测量系统为例介绍TDTR系统的典型光路:

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图(1)双波长热反射泵浦探测系统结构示意图

Pioneer-ONE TDTR时域热反射系统的结构如图(1)所示,其核心部分是一台飞秒光纤激光器,该激光器提供系统的输入光源,波长为1064nm,脉冲宽度为100 fs,重复频率为80 MHz,发出的是线偏振光。为了防止背反射导致系统不稳定或激光器损坏,激光首先通过一个光隔离器(optical isolator)。

接下来,激光通过一个由1/2波片(1/2 Waveplate)和偏振分束器(Polarizing beam splitter)组成的分光结构,分为两束:泵浦激光和探测激光。1/2 波片可以用来调节泵浦探测两路的分光比例。

泵浦激光路径:

①泵浦激光经过一台美国Conoptics公司的电光调制器(Electro-Optic Modulator, EOM),其强度被加载ωr频率的调制,ωr同时也作为锁相放大器的参考信号使用。

②泵浦激光随后经过BBO晶体进行倍频,经过晶体之后,激光变成了包含1064nm(基频成分)+532nm(倍频成分)的双色光。

③经过倍频晶体的激光经过冷光镜(Cold Mirror)滤波,基频光被基本滤除。Red filter进一步滤除泵浦激光中的基频光,减少其对探测信号的影响。

探测激光路径:

①探测激光首先经过延迟平台(delay Stage),控制光程,以调节泵浦脉冲和探测脉冲到达样品表面的时间间隔。延迟平台的步进精度决定了测量的时间分辨率(在其不小于脉宽的情况下),行程决定了可测量的总延迟量(在其不大于脉冲间隔的情况下)。

②为减少光束发散的影响,在探测激光经过延迟平台前,使用扩束装置(beam expander)放大光束,减少发散角。

合束及检测

①处理后的泵浦激光和探测激光通过冷光镜(Cold Mirror)合束,并通过一个光学物镜共同聚焦在样品表面。

②探测激光在样品表面反射后,通过偏振分束器和四分之一波片(1/4 Waveplate)进行分离。探测激光在延迟平台后为水平偏振方向,完全通过偏振分束器,到达样品前后经过四分之一波片,偏振方向由水平变为竖直,在返回至偏振分束器时被完全反射。

③由于探测激光信号非常微弱,少量泵浦激光到达光电探测器会严重影响测量结果。因此,在光电探测器前放置蓝光滤光片(Blue Filter),对波长为532nm的泵浦光进行再次滤波,有效去除其对探测光的干扰。

④反射出来的探测激光经过焦距为300 mm的平凸透镜聚焦在另一个光电探测器的光敏面上,该探测器与锁相放大器相连,用于采集实验信号。

⑤另外,通过铝膜反射镜将光线反射至ccd相机,可以观察样品表面的质量以及泵浦激光和探测激光光斑的重合程度。

如上就是Pioneer-ONE TDTR采用的双色激光泵浦探测方案,此方案能更好去除泵浦光对探测光信号的干扰,以实现更高的信噪比和抗干扰性。采集到的方案经过昊远精测专业热传导分析软件平台Thermo-Mind进行建模分析,就能够得到样品的相关热物性参数了。

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