[发明专利]基于表面热透镜技术测量薄膜元件及体材料热扩散率的装置和方法

权利要求书

1.一种利用基于表面热透镜技术测量薄膜元件及体材料热扩散率的装置进行测量的方法，所述装置，包括泵浦光激光器(1)、泵浦光路功率调节部件(2)、斩波器(3)、泵浦光路反射镜(4)、泵浦光路透镜(5)、探测光激光器(7)、探测光路功率调节部件(8)、探测光路反射镜(9)、探测光路透镜(10)、光阑(11)、探测器(12)、供该探测器(12)放置的二维位移平台(13)和锁相放大器(14)；所述的泵浦光激光器(1)输出泵浦光，依次经所述的泵浦光路功率调节部件(2)、斩波器(3)、泵浦光路反射镜(4)和泵浦光路透镜(5)后，泵浦光垂直照射待测样(6)；

所述的探测光激光器(7)输出探测光，依次经所述的探测光路功率调节部件(8)、探测光路反射镜(9)和探测光路透镜(10)后，探测光以倾斜角度照射待测样(6)，经该待测样(6)反射后，经所述的光阑(11)入射到探测器(12)；所述的探测器(12)输出端连接锁相放大器(14)测试信号输入端，所述的斩波器(3)输出端连接锁相放大器(14)的参考信号输入端；其特征在于，该方法包括如下步骤：

①打开泵浦光激光器(1)电源，并依据待测样品特性选择合适的光束功率，依次打开探测光激光器(10)电源、斩波器(3)、并设置其调制频率f、探测器(12)和锁相放大器(14)的开关，预热半小时以上，令它们达到稳定工作状态；

②调节光路指向，使泵浦光束中心与探测光束中心在待测样(6)的表面重合；

③使所述的探测器(12)中心对准经待测样(6)反射的探测光光斑中心，探测器感光面前装配有小口径光阑，用于测量探测光束的局部光强；

④调节二维位移平台(13)，使其沿x或y单一方向移动，同时，观察锁相放大器(14)幅值窗口示数，根据示数大小调节量程，当窗口示数小于10μV时，停止移动；

⑤将二维位移平台(13)旋钮往反方向转动一小段距离，即锁相放大器(14)的幅值窗口示数保持在10μV以下，等锁相放大器(14)示数稳定时，记录下此时的相位以及探测器位置x₁或y₁；

⑥将二维位移平台(13)的旋钮沿步骤⑤中转动方向的同方向继续转动一段距离，待锁相放大器(14)示数稳定时，记录下此时的相位以及探测器位置x₂或y₂；

⑦反复步骤⑤，每隔一段距离记录下探测器(12)所处位置x_i或y_i及其对应的相位到锁相放大器(14)的幅值窗口示数再次在10μv以下时，当i＞20停止测量，获得完整的反射探测光斑径向数据组；

⑧待测样(6)测量完毕后，卸下待测样(6)更换为标准样品，使泵浦光、探测光照射在标准样品的完好区域；

⑨挡住泵浦光，用CCD摄像头记录探测光斑；

⑩挡住探测光，让泵浦光照射标准样品，适当调高泵浦光功率使其能够对标准样品造成损伤，利用泵浦光在标准样品上打出损伤点；

挡住泵浦光，让探测光照射样品，用CCD摄像头记录探测光斑，比较标准样品损伤前后的探测光斑，记被损伤点影响的探测区域直径D₁；

测量标准样品上损伤点直径D₂；

测量完毕后，首先将锁相放大器(14)的量程调到最大后关闭其电源，然后关闭探测器(12)、斩波器(3)、泵浦光激光器(1)和探测光激光器(7)的电源；

数据处理

首先计算放大倍数m_A，公式如下：

m_A＝D₁/D₂

再作出待测样(6)光热信号相位随待测样(6)表面热包探测位置x_i/m_A变化曲线，得到斜率m；

最后，计算到待测样(6)热扩散率α，公式如下：

α＝πf/m²。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，还包括，在不同的调制频率下进行多次测量，得到不同的调制频率f_i下对应的斜率m_i，作出斜率m_i与调制频率f_i平方根的关系曲线，得到曲线斜率m’；

计算得到薄膜材料热扩散率α′，公式如下：