[发明专利]测量固体热物性参数的光学系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用周期调制加热和连续激光探测的光热反射测量技术，尤其涉及一种测量固体热物性参数的光学系统及方法。

背景技术

薄膜材料已广泛地运用于微电子、光电子、微制造等领域，而这些微/纳器件在工作时将产生极高的热流密度，热堆积将直接影响到此类器件的工作效率以及可靠性。解决上述微/纳器件散热问题极为迫切，这需要对组成上述微/纳器件的薄膜材料热物理性质，尤其是热导率、界面热阻等进行准确表征，以便揭示其热输运机理。3ω法为常用的薄膜材料热物性测量方法，但是其需要在待测样品上焊接金属薄片/丝，属于有损检测技术。

超短脉冲激光抽运探测法为一种新型的固体热物性参数测量方法。图1为现有技术测量固体热物性参数的光学系统的光路示意图。如图1所示，该光学系统包括：激光器1输出脉冲激光；第一波片2(二分之一波片)使激光偏振方向旋转；第一分光器件3将激光束分成偏振方向互相垂直的两束；电光调制器4对激光束调制；电光调制器驱动器5为电光调制器4发送调制信号；第一反射镜6接收并反射激光束；激光束通过第一聚焦透镜7、倍频晶体8和第二聚焦透镜9，产生二次谐波；第一滤光片10滤除非相干光；扩束器11将激光束直径扩大；第二反射镜12接收并反射激光束；电控位移平台14前后移动；激光束被平行光反射镜13反射后通过第二波片15(二分之一波片)，激光偏振方向旋转；第二分光器件16将激光束分成偏振方向互相垂直的两束；激光束透过第三波片17(四分之一波片)垂直入射样品表面，并原路返回再次通过第三波片17，实现偏振方向90度改变；冷光镜18将不同波长的激光束合束；聚焦透镜19将激光辐照在固定调整架20上的样品表面；电光探测器23接收透过第二滤光片21和第三聚焦透镜22的激光束；电光探测器23的信号输至滤波放大器24。抽运光和探测光使用不同波长的飞秒脉冲激光，通过冷光镜合为一束激光，在抽运光与探测光到达探测器之前使用具有高选择透过性的滤光片滤除倍频后的抽运光，从而避免抽运光对信号的干扰，实现准确高效的测量；利用滤波放大器可有效滤除高频谐波的影响，有效提高信号的准确度。

电控位移平台不同的移动距离对应探测光和和抽运光之间的不同的延迟时间，滤波放大器输出信号和电光调制器驱动器给出的调制信号比较，得到相位差信号，不同延迟时间下的相位差信号为实验所得的测量数据。

然而，对于图1所示的测量固体热物性参数的光路系统来讲，其电控位移平台属于机械运动部件，精准控制较困难；并且由第一聚焦透镜、倍频晶体和第二聚焦透镜组成的倍频模块，共线对焦困难、倍频的效率不高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种精准控制、调节方便的测量固体热物性参数的光学系统及方法。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种测量固体热物性参数的光学系统。该系统包括：加热激光产生组件、探测激光产生组件、合束元件、分光元件、加热激光接收组件、样品测试组件和探测激光接收组件；其中，由加热激光产生组件产生频率调制的连续偏振的加热激光，由探测激光产生组件产生连续偏振的探测激光；该加热激光和探测激光经过合束元件后合束为位于A平面的合束激光；该合束激光入射分光元件，偏振方向在A平面的成分透射至样品测试组件，偏振方向垂直于该水平面的成分反射至加热激光接收组件；偏振方向在A平面的合束光成分经由样品测试组件后，照射至被测试样品表面；偏振方向在A平面的合束光成分中的加热激光将被测样品加热，加热后的被测样品对探测激光产生调制作用；由被测试样品表面反射的加热激光及调制后的探测激光的合束激光重新经由样品测试组件后由分光元件反射至探测激光接收组件；探测激光接收组件将入射合束激光中的加热激光成分滤除后，得到探测激光的信号；加热激光接收组件将入射合束激光中的探测激光成分滤除后，得到加热激光的信号。