[发明专利]薄膜光热性能的测量装置和测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜测量，特别是一种薄膜光热性能的测量装置和测量方法。

背景技术

表面热透镜技术原理图如图2所示。强度调制的基模泵浦激光汇聚入射到薄膜样品的表面，薄膜吸收热量形成热波并扩散到基底上引起薄膜系统的温升，进而导致热膨胀形成表面热包，热包的纵向高度随着泵浦激光的强度变化，径向高度可视为呈高斯分布。这种现象也被称为“光热形变”。一束探测激光照射到热包表面上，热包位于探测光斑的中心且小于探测光斑。受热包的影响，反射探测激光光强将充分分布，这种现象被称为“表面热透镜效应”。表面热透镜信号定义为泵浦激光照射前后反射探测激光中心光强的差值。理论和实验证明，当样品表面光热形变很小时，对于满足热薄(薄膜厚度远小于其扩散长度)条件且基底吸收可忽略的薄膜样品，表面热透镜信号与薄膜的吸收率成正比。因此，表面热透镜技术通常被作为测量薄膜样品微弱吸收的一种方法，其探测灵敏度可以达到ppm量级，远远高于常规测量方法。常规的表面热透镜测量平台与图1类似，只是缺少了缩束系统，聚焦透镜，以及是机械斩波器而非声光调制器。

然而随着对激光损伤机理和镀膜工艺等方面研究的不断深入，仅仅测量出薄膜整体的吸收率已经越来越不能满足实际的需求。目前国外很多的研究都把研究兴趣放在了测量薄膜的其他光热性质，如薄膜的热导率等。例如如果能够测量出薄膜的热导率，那么将极大地推进激光损伤的微观机制研究。在测量薄膜热导率方向，国外已经有了很多的测量数据，虽然结果不尽相同，但都有各自的参考意义，能够在一定程度上辅助和推进理论和镀膜工艺的进步。

但是应用传统的表面热透镜测量技术，现阶段还只能测量薄膜的整体吸收率，无法测量其他薄膜光热信息，如热导率、吸收杂质深度分布等。究其原因，常规的表面热透镜测量平台调制频率往往是取一个较低的固定值，因为调制频率越低，热扩散长度就越大，越能满足前面提及的热薄条件。这对测量薄膜整体的吸收率是有利的，但是却因为热扩散长度太大，而失去了对薄膜内部光热性质进行分辨的可能。如果能够运用新的调制方法，将泵浦激光的调制频率提高到一个较高范围，那么在理论上能够实现对薄膜内部光热信息的更加精细的测量。对于能够测量薄膜内部光热信息的变频测量方法，现有的理论和技术对于还没有详细和系统的论述。

发明内容：

本发明通过改进传统的表面热透镜测量平台，实现了对薄膜内部光热性能的测量，

本发明的技术解决方案如下：

一种薄膜光热性能的测量装置，其特点在于该装置的构成包括：

泵浦光路：包括泵浦光激光器，沿该泵浦光激光器发出的泵浦光依次经第一衰减器、第一缩束器、能量监测器、声光调制器和第一聚焦透镜后照射在二维移动平台上的待测薄膜上；

探测光路：包括探测光激光器，沿该探测光激光器发出的探测光依次经第二衰减器和第二聚焦透镜照射在所述的二维移动平台上的待测薄膜上；

由待测薄膜反射的光经滤光片和第三聚焦透镜进入光电探测器，该光电探测器的输出端接万用表和锁相放大器的输入端，所述的万用表和锁相放大器的输出端接计算机，该计算机的输出端接所述的二维移动平台的控制端，所述的锁相放大器的TTL输出端接所述的声光调制器的输入端。

利用上述的薄膜光热性能的测量装置测量薄膜光热性能的方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

①将光电探测器的输出端口同时接到万用表和锁相放大器，分别读取由光电探测器输出信号的直流部分和交流部分；所述的声光调制器的输入调制频率由锁相放大器的TTL输出端口供给；计算机控制二维移动平台的移动；

②在二维移动平台上放置强吸收样品，用来辅助校准探测光束和泵浦光束的重合度：

调节泵浦光路，使泵浦激光器发射的泵浦光束经过第一衰减器、缩束器、能量监测器、声光调制器和第一聚焦透镜，垂直地照射在所述的样品的表面上；

调节探测激光光路：探测激光器发射的探测光束经第二衰减器、第二聚焦透镜后，入射到样品表面上，使样品表面上的探测光束光斑与所述的泵浦光束的光斑重合，反射光经过滤光片和第三聚焦透镜后，最终到达光电探测器处被接收：若探测光与泵浦光的聚焦点完全重合，那么在光电探测器位置处可以看到清晰的衍射环；如果没有观察到清洗的衍射环，则进一步精调探测光束与泵浦光束的重合度，直到最后观察到清晰的衍射环；

③将待测薄膜样品放到由计算机控制的二维移动平台上，开始正式测量；

④逐步提高锁相放大器输出的调制频率，记录在不同调制频率下所述的万用表和锁相放大器测得的幅值和相位信息，送入所述的计算机；