CN203037569U - 测量固体热物性参数的光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种测量固体热物性参数的光学系统。该光学系统包括：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。本实用新型采用信号调制的光热反射法，属于频域方法，和超短脉冲激光抽运探测法等时域方法相比，没有机械运动部件，测量系统相对简单、光路调节更方便。

Description

测量固体热物性参数的光学系统

技术领域

本实用新型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。 

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。 

实用新型内容

(一)要解决的技术问题 

为解决上述的一个或多个问题，本实用新型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。 

(二)技术方案 

根据本实用新型的一个方面，提供了一种测量固体热物性参数的光学系统。该光学系统包括：产生频率调制连续偏振加热激光的加热激光产生组件；产生连续偏振探测激光的探测激光产生组件；将加热激光和探测激光合束为位于A平面合束激光的合束元件；将偏振方向在A平面的合束激光成分透射至样品测试组件，偏振方向垂直于该A平面的合束激光成分反射至加热激光接收组件；并将由样品测试组件投射的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反射至探测激光接收组件的分光元件；将偏振方向在A平面的合束光成分透射至被测试样品表面，将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透射至分光元件的样品测试组件；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的探测激光接收组件；以及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的加热激光接收组件。 

优选地，本实用新型中，合束元件为对于与其所在平面成45°角入射的加热激光全透射；对于与其所在平面成45°角入射探测激光全反射，从 而实现加热激光和探测激光合束为位于A平面合束激光的冷光镜。 

优选地，本实用新型中，加热激光产生组件包括：信号调制器；在信号调制器的调制下，输出连续偏振激光的第一激光器；第一波片，为二分之一波片；以及将入射的加入激光偏转90°后，以45°角入射合束元件的第一激光反射镜，其反射面与透过第一波片的加热激光成45°角。 

优选地，本实用新型中，信号调制器的调制频率介于50kHz到20MHz之间。 

优选地，本实用新型中，探测激光产生组件包括：输出连续偏振的探测激光的第二激光器；第二波片，为二分之一波片；以及将入射的探测激光偏转90°后，以45°角入射合束元件的第二激光反射镜，其反射面与透过第二波片的探测激光成45°角的第二激光反射镜。 

优选地，本实用新型中，分光元件为分光棱镜。 

优选地，本实用新型中，样品测试组件包括：对经过其的合束激光的偏振方向改变45°的四分之一波片；以及将经过四分之一波片的偏振方向在A平面的合束光成分聚焦至被测样品，并将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透射至四分之一波片的物镜。 

优选地，本实用新型中，加热激光接收组件包括：滤除入射合束激光中的探测激光成分的第一滤光片；以及检测合束激光中加热激光的信号的第一光电探测器。 

优选地，本实用新型中，探测激光接收组件包括：滤除入射合束激光中的加热激光成分的第二滤光片；以及检测合束激光中探测激光的信号的第二光电探测器。 

优选地，本实用新型中，探测激光接收组件还包括：对入射的合束激光进行聚焦的，位于第二滤光片的光路之前的聚焦镜。 

(三)有益效果 

从上述技术方案可以看出，本实用新型测量固体热物性参数的光学系统及方法具有以下有益效果：采用信号调制的光热反射法，属于频域方法，和超短脉冲激光抽运探测法等时域方法相比，没有机械运动部件，测量系统相对简单、光路调节更方便。 

附图说明

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； 

图2为根据本实用新型实施例的测量固体热物性参数光学系统的光路示意图； 

图3为根据本实用新型实施例的测量固体热物性参数方法的流程图。 

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。 

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本实用新型。 

对于图1来说，其是现有技术测量固体热物性光学系统的附图，其图中所标记的图号仅供参考，不纳入本发明使用。为方便本领域技术人员对本发明理解，首先将本发明所涉及主要元件进行编号说明，具体如下所示： 

10-加热激光组件；               20-探测激光组件； 

30-合束元件；                   40-分光元件； 

50-加热激光接收组件；           60-样品测试组件； 

70-样品固定元件；               80-探测激光接收组件； 

11-信号调制器；                 12-第一激光器； 

13-第一波片；                   14-第一反射镜； 

21-第二激光器；                 22-第二波片； 

23-第二反射镜；                 51-第一滤光片； 

52-第一光电探测器；             61-第三波片； 

62-物镜；                       81-聚焦透镜； 

82-第二滤光片；                 83-第二光电探测器 

在本实用新型的一个示例性实施例中，提供了一种测量固体热物性参数的光学系统。如图2所示，该系统包括：加热激光产生组件10、探测激光产生组件20、合束元件30、分光元件40、加热激光接收组件50、样品测试组件60、样品固定元件70、探测激光接收组件80和数据处理组件(未示出)。由加热激光产生组件10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20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30后合束为位于水平面的合束激光；该合束激光入射分光元件40，偏振方向在该水平面的成分透射至样品测试组件60，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50；偏振方向在该水平面的合束光成分经由样品测试组件60后，照射至样品固定元件70上的被测试样品表面，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；由样品固定元件70上的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60后由分光元件40反射至探测激光接收组件80；探测激光接收组件80将入射的加热激光和探测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50将入射的加热激光和探测激光中的探测激光成分滤除后，得到加热激光的信号；数据处理组件由加热激光的调制频率、探测激光接收组件50产生探测激光信号和由加热激光接收组件80产生加热激光的信号，根据理论模型反推得到被测试样品的热物性参数。 

以下分别对各个组件/元件进行详细说明。 

加热激光产生组件10 

加热激光产生组件10用于产生经过信号调制的连续偏振的加热激光。如图1所示，该加热激光产生组件包括：信号调制器11，可以是数字信号发生器，用于调制第一激光器，其调制频率由外部计算机控制，调制频率范围由信号调制器11和数据处理组件共同决定，可以是50kHz到20MHz；第一激光器12，为半导体激光器，用于在信号调制器11的调制下，输出波长为830nm的连续偏振激光，其功率为170mW；第一波片13，为二分之一波片，用于调节第一激光器12输出的连续偏振激光的水平偏振成分和垂直偏振成分的比例；第一激光反射镜14，其反射率大于99％，其反射面与透过第一波片13的加热激光成45°角，用于将入射的加入激光偏转 90°后，以45°角入射合束元件30。 

探测激光产生组件20 

探测激光产生组件20用于产生连续偏振的探测激光，该探测激光的波长不同于加热激光的波长，功率远小于加热激光功率。如图1所示，该加热激光产生组件20包括：第二激光器21，为半导体激光器，用于输出波长为635nm的探测激光，其功率6mW；第二波片22，为二分之一波片，用于调节第二激光器21输出的连续偏振激光的水平偏振成分和垂直偏振成分的比例；第二激光反射镜23，其反射率大于99％，其反射面与透过第二波片22的探测激光成45°角，用于将入射的探测激光偏转90°后，以45°角入射合束元件30。 

合束元件30 

合束元件30为冷光镜，对于与其所在平面成45°角入射的830nm波长的加热激光全透射；对于与其所在平面成45°角入射的635nm波长的探测激光全反射，从而使加热激光和探测激光合束，实现共线加热探测。 

分光元件40 

分光元件40为分光棱镜。通过该分光棱镜，合束后的加热激光和探测激光中，偏振方向在该水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；由样品表面反射的加热激光和探测激光反射至探测激光接收组件。 

加热激光接收组件50 

加热激光接收组件50，用于将入射的加热激光和探测激光中的探测激光成分滤除后，得到加热激光的信号。该加热激光接收组件50包括：第一滤光片51和第一光电探测器52。其中： 

第一滤光片51，用于滤除入射合束激光中的探测激光成分，其对于635nm波长的探测激光的透过率为10^-7至10^-9。 

第一光电探测器52，用于检测合束激光中加热激光的信号，其可以是高速PIN二极管、雪崩二极管、光电倍增管，或是电荷耦合器件，响应时间小于10ns。其中，该信号中可以包括：功率(幅值)、相位等信息。 

样品测试组件60 

经分光元件40透射的加热激光和探测激光的合束激光经过样品测试 组件60后与样品固定元件上的被测试样品表面作用，由样品表面反射的加热激光和探测激光经由样品测试组件60重新入射至分光元件40。 

该样品测试组件60包括：四分之一波片61和物镜62。其中物镜62采用消色差物镜，放大倍数100倍，焦距为2mm。入射的合束激光两次经过四分之一波片61后，其偏振方向改变90°。 

样品固定元件70 

样品固定元件70为固定调整架，用于调整并固定被测试样品的方位，确保合束激光垂直入射被测试样品表面，反射的合束激光原路返回，入射至样品测试组件60。 

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；由样品固定元件70上的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60后由分光元件40反射至探测激光接收组件80。 

探测激光接收组件80 

探测激光接收组件80，用于将入射的加热激光和探测激光中的加热激光成分滤除后，得到探测激光的信号。该探测激光接收组件80包括：聚焦透镜81、第二滤光片82和第二光电探测器83。其中： 

聚焦透镜81，用于将入射的合束激光进行聚焦。根据要求的不同，该聚焦透镜81的焦距可以为10mm到300mm。 

第二滤光片82，用于滤除聚焦后的合束激光中的加热激光成分，其对于830nm波长的加热激光的透过率为10^-7至10^-9。 

第二光电探测器83，用于检测合束激光中探测激光的信号，其可以是高速PIN二极管、雪崩二极管、光电倍增管，或是电荷耦合器件，响应时间小于10ns。其中，该信号中可以包括：功率(幅值)、相位等信息。 

利用上述加热激光接收组件和探测激光接收组件获取的信号，即可计算获取固体热物性参数。和超短脉冲激光抽运探测法等时域方法相比，本实用新型测量固体热物性参数的光学系统没有机械运动部件，测量系统相对简单、光路调节更方便。 

基于上述光学系统，本实用新型还提供了一种测量固体热物性参数的方法，该方法根据在不同的信号调制器角频率下，由探测激光接收组件产 生探测激光信号和由加热激光接收组件产生加热激光的信号的相位差，拟合得到被测试样品的热物性参数，包括热导率、材料间的界面热导等。 

在本实用新型的一个示例性实施例中，如图3所示，该方法包括： 

步骤A，利用上述的光学系统，获取在不同的加热激光调制频率下由探测激光接收组件产生探测激光信号和由加热激光接收组件产生加热激光的信号，该探测激光信号和加热激光信号中均包含功率信息和相位信息； 

步骤B，在不同的加热激光调制频率下，对探测激光信号和加热激光信号进行相位差处理，得到相位差实验值； 

步骤C，给待拟合的热导率、界面热导赋初始值； 

步骤D，在不同的加热激光调制频率下，根据理论模型公式，计算与相位差实验值对应频率下的相位差理论值； 

$Z\left(\mathrm{\ω}\right)=-\frac{{\mathrm{\γQ}}_0{Q}_1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\∞}l\left(\frac{D}{C}\right)\exp \left[\frac{-l^2(R_0^2+R_1^2)}{8}\right]\mathrm{dl}$

$\mathrm{\φ}=\arctan \left\{\frac{\mathrm{Im}\left[Z\left(\mathrm{\ω}\right)\right]}{\mathrm{Re}\left[Z\left(\mathrm{\ω}\right)\right]}\right\}$

其中，Q₀、Q₁分别为加热激光和探测激光的功率，γ为被测试样品表面的光反射系数，l为积分变量，R₀、R₁分别为加热激光和探测激光产生时的束腰半径，ω为调制信号的角频率；φ为探测激光接收组件接收到的探测激光与加热激光接收组件接收到的加热激光之间的相位差理论值。C、D为2×2的材料热物性参数矩阵 $\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]$ 的相应参量： 

$\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]=M_n{M}_{n-1}\·\·\·M_1$

若为某层， $M_j={\left[\begin{array}{cc}\cosh \left(\mathrm{qd}\right)& -k^{-1}{q}^{-1}\sinh \left(\mathrm{qd}\right)\\ -\mathrm{kq}\sinh \left(\mathrm{qd}\right)& \cosh \left(\mathrm{qd}\right)\end{array}\right]}_j$

若为界面， $M_j{=\left[\begin{array}{cc}1& {-G}^{-1}\\ 0& 1\end{array}\right]}_j$

其中，

ρ、c、k、d分别为某层的密度、质量热容、热导率、厚度，G为界面热导，i为虚数单位，j为从激光入射端算起的层数。 

此外，关于上述材料热物性参数的具体含义，详见参考文献1【J.Zhu et al.J.Appl.Phys.108，094315(2010))】。 

步骤E，对全部加热激光调制频率下的相位差实验值和对应的相位差理论值进行最小二乘计算，其最小二乘计算数值作为当次迭代结果； 

步骤F，记录当前迭代结果对应的热导率值、界面热导值，即为当次最优数据； 

步骤G，判断本次迭代的结果是否小于前次迭代的结果，如果是，执行步骤H，否则，执行步骤I； 

步骤H，将本次迭代结果对应的热导率值、界面热导值作为变化检测输出数据，执行步骤J； 

步骤I，将前次迭代结果对应的热导率值、界面热导值作为变化检测输出数据，执行步骤J； 

步骤J，判断是否连续3次的迭代结果小于控制精度(如10^-6)，如果是，执行步骤K，否则，执行步骤L； 

步骤K，停止迭代，将由步骤H或步骤I获得的热导率值、界面热导值输出，流程结束； 

步骤L，将由步骤H或步骤I获得的热导率值、界面热导值按照预设的步长增加或减小，由预设的优化函数确定其数值改变路径，执行步骤D。 

本步骤中，预设的步长可以为当前热导率值、界面热导值的0.5-5％；优化函数可以为lsqcurvefit函数、fminsearch函数或本领域内公知的其他函数。 

需要说明的是，以上采用双参数拟合的方法同时获得了热导率值和界面热导值，当然，也可以在确定上述其中之一为定值的前提下，由单参数拟合的方式获得另一个的具体数值。根据上文的描述，本领域技术人员很容易想到相关的计算方法，此处不再重述。 

需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如： 

(1)加热激光或探测激光还可以其他角度入射激光反射镜； 

(2)系统的光路可以不在水平面，实施例中选择水平面只是为了便 于调节； 

(3)聚焦透镜只是起到集中光束并入射至光电探测器感光区域的作用，在加热激光接收组件中，增加或去除聚焦透镜不影响测量结果； 

(4)第一和第二光电探测器可以是高速PIN二极管、雪崩二极管、光电倍增管，或是电荷耦合器件。 

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种测量固体热物性参数的光学系统，其特征在于，包括： 

产生频率调制连续偏振加热激光的加热激光产生组件； 

产生连续偏振探测激光的探测激光产生组件； 

将加热激光和探测激光合束为位于A平面合束激光的合束元件； 

将偏振方向在A平面的合束激光成分透射至样品测试组件及偏振方向垂直于该A平面的合束激光成分反射至加热激光接收组件，并将由样品测试组件投射的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反射至探测激光接收组件的分光元件； 

将偏振方向在A平面的合束光成分透射至被测试样品表面，将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透射至分光元件的样品测试组件； 

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的探测激光接收组件；以及 

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的加热激光接收组件。 

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述合束元件为对于与其所在平面成45°角入射的加热激光全透射；对于与其所在平面成45°角入射探测激光全反射，从而实现加热激光和探测激光合束为位于A平面合束激光的冷光镜。 

3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述加热激光产生组件包括： 

信号调制器； 

在信号调制器的调制下，输出连续偏振激光的第一激光器； 

第一波片，为二分之一波片；以及 

将入射的加入激光偏转90°后，以45°角入射合束元件的第一激光反射镜，其反射面与透过第一波片的加热激光成45°角。 

4.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述信号调制器的调制频率介于50kHz到20MHz之间。 

5.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述探测激光产生组件包括： 

输出连续偏振的探测激光的第二激光器； 

第二波片，为二分之一波片；以及 

将入射的探测激光偏转90°后，以45°角入射合束元件的第二激光反射镜，其反射面与透过第二波片的探测激光成45°角的第二激光反射镜。 

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述分光元件为分光棱镜。 

7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述样品测试组件包括： 

对经过其的合束激光的偏振方向改变45°的四分之一波片；以及 

将经过四分之一波片的偏振方向在A平面的合束光成分聚焦至被测样品，并将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透射至所述四分之一波片的物镜。 

8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述加热激光接收组件包括： 

滤除入射合束激光中的探测激光成分的第一滤光片；以及 

检测合束激光中加热激光的信号的第一光电探测器。 

9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述探测激光接收组件包括： 

滤除入射合束激光中的加热激光成分的第二滤光片；以及 

检测合束激光中探测激光的信号的第二光电探测器。 

10.根据权利要求9所述的光学系统，其特征在于，所述探测激光接收组件还包括： 

对入射的合束激光进行聚焦的，位于所述第二滤光片的光路之前的聚焦镜。 

Images