本實用新型屬于熱導(dǎo)率測試技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及超短激光脈沖抽運探測技術(shù)，尤其涉及一種基于抽運探測熱反射技術(shù)的熱導(dǎo)率掃描系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

微納結(jié)構(gòu)材料已廣泛地運用于微電子、光電子等領(lǐng)域，而這些微器件在工作時將產(chǎn)生極高的熱流密度，熱堆積將直接影響到此類器件的工作效率以及可靠性。解決上述微器件散熱問題極為迫切，這需要對組成上述微器件的微納結(jié)構(gòu)材料的熱輸運性質(zhì)進行準(zhǔn)確表征，以便揭示其熱輸運機理。在研究超快熱力學(xué)過程，常常需要借助超短脈沖激光抽運探測技術(shù)。在傳統(tǒng)的超短激光脈沖抽運探測系統(tǒng)中，只能測量樣品表面獨立位置的熱導(dǎo)率，而不能得到樣品表面指定范圍內(nèi)熱導(dǎo)率分布，這導(dǎo)致傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)無法滿足微電子、光電子等領(lǐng)域?qū)Υ罅烤哂形⒂^結(jié)構(gòu)樣品表面指定范圍內(nèi)熱導(dǎo)率分布的需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

鑒于上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種基于抽運探測熱反射技術(shù)的熱導(dǎo)率掃描系統(tǒng)。

(二)技術(shù)方案

根據(jù)本實用新型的一個方面，提供了一種基于抽運探測熱反射技術(shù)的熱導(dǎo)率掃描系統(tǒng)：脈沖激光器發(fā)出的激光經(jīng)過第一1/2波片后由第一偏振分光棱鏡分為兩束，分別為激光束一和激光束二；激光束一平行通過第一偏振分光棱鏡繼續(xù)傳輸，依次經(jīng)過激光倍頻模塊、短波通濾光片、激光調(diào)制器、短波反射鏡后到達冷光鏡，其中激光調(diào)制器與信號發(fā)生器連接；激光束二依次經(jīng)過長波反射鏡、直角反射鏡、第二1/2波片、第二偏振分光棱鏡、1/4波片后到達冷光鏡；激光束一與激光束二匯合后經(jīng)過物鏡到達樣品固定架，其中樣品固定架固定于三維電動移動臺上，三維電動移動臺與伺服電機控制器連接，伺服電機控制器與計算機連接；激光束二經(jīng)過樣品反射后依次通過物鏡、冷光鏡、1/4波片、第二偏振分光棱鏡后由凸透鏡聚焦至光電探測器，光電探測器與鎖相放大器連接，鎖相放大器與計算機連接。

優(yōu)選地，所述三維電動移動臺的行程范圍大于樣品所需掃描的范圍，三維電動移動臺的移動精度不大于樣品所需掃描的分辨率。

優(yōu)選地，所述直角反射鏡固定于線性移動臺上，所述線性移動臺與計算機連接。

優(yōu)選地，所述激光調(diào)制器為電光調(diào)制器、聲光調(diào)制器或斬波器光強調(diào)制設(shè)備。

優(yōu)選地，所述熱導(dǎo)率掃描系統(tǒng)的空間分辨率優(yōu)于1微米。

(三)有益效果

從上述技術(shù)方案可以看出，本實用新型至少具有以下有益效果其中之一：

(1)將樣品固定在三維電動移動臺上，通過控制三維電動移動臺在垂直于激光束入射方向的兩個維度內(nèi)上下左右移動，實現(xiàn)樣品表面指定范圍內(nèi)任意點熱導(dǎo)率測量；

(2)在每次抽運探測測量前，通過控制三維電動移動臺在激光束入射平行方向前后移動，實現(xiàn)全自動精確控制樣品位于物鏡的焦平面位置；

(3)通過在每次抽運探測測量前控制樣品位于物鏡的焦平面位置，實現(xiàn)了樣品表面指定范圍內(nèi)熱導(dǎo)率分布的精密測量。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

【主要元件】

1、脈沖激光器；2、第一1/2波片；3、第一偏振分光棱鏡；4、激光倍頻模塊；5、短波通濾光片；6、激光調(diào)制器；7、信號發(fā)生器；8、短波反射鏡；9、冷光鏡；10、物鏡；11、線性移動臺；12、直角反射鏡；13、長波反射鏡；14、第二1/2波片；15、第二偏振分光棱鏡；16、凸透鏡； 17、光電探測器；18、1/4波片；19、鎖相放大器；20、計算機；21、伺服電機控制器；22、樣品固定架；23、三維電動移動臺。

具體實施方式

本實用新型提供的基于抽運探測熱反射技術(shù)的熱導(dǎo)率掃描系統(tǒng)的技術(shù)思路是：計算機控制三維電動移動臺在垂直于激光束入射方向的兩個維度內(nèi)上下左右移動，每改變一次位置，記錄當(dāng)前位置信息并進行一次抽運探測測量，鎖相放大器實時采集光電探測器輸出的抽運探測信號，計算機實時獲取鎖相放大器輸出信號，計算機提取鎖相放大器輸出信號的幅值信號分量，同時控制三維電動移動臺在激光束入射平行方向前后移動，在幅值信號分量最大時停止，該過程在每次抽運探測測量前進行。

為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本實用新型進一步詳細(xì)說明。

在本實用新型的示例性實施例中，提供了一種基于抽運探測熱反射技術(shù)的熱導(dǎo)率掃描系統(tǒng)。圖1為本實用新型實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本實用新型的基于抽運探測熱反射技術(shù)的熱導(dǎo)率掃描系統(tǒng)包括：脈沖激光器1、第一1/2波片2、第一偏振分光棱鏡3、激光倍頻模塊4、短波通濾光片5、激光調(diào)制器6、信號發(fā)生器7、短波反射鏡8、冷光鏡9、物鏡10、線性移動臺11、直角反射鏡12、長波反射鏡13、第二1/2波片14、第二偏振分光棱鏡15、凸透鏡16、光電探測器17、1/4波片18、鎖相放大器19、計算機20、伺服電機控制器21、樣品固定架22、三維電動移動臺23。

脈沖激光器1輸出的800nm線偏振激光經(jīng)過第一1/2波片2后偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，然后由第一偏振分光棱鏡3分為兩束，分別為激光束一和激光束二，偏振方向分別為水平和豎直，激光束一作為抽運光，激光束二作為探測光，調(diào)節(jié)第一1/2波片2使激光束一和激光束二的功率之比約為50:1，激光束一平行通過第一偏振分光棱鏡3繼續(xù)傳輸，經(jīng)過激光倍頻模塊4后部分激光倍頻至400nm波長，然后經(jīng)過短波通濾光片5將未倍頻的800nm 波長激光濾除，然后經(jīng)過激光調(diào)制器6，其功率強度被加載頻率為MHz 級別的信號，該信號來自于信號發(fā)生器7，然后被短波反射鏡8反射后到達冷光鏡9，激光束二依次被第一偏振分光棱鏡3、長波反射鏡13以及直角反射鏡12反射，其中直角反射鏡12固定于線性移動臺11上，線性移動臺11由計算機20控制，然后激光束二經(jīng)過第二1/2波片14，調(diào)整第二1/2波片14使激光束二的偏振方向由豎直變?yōu)樗?，然后激光束二依次?jīng)過第二偏振分光棱鏡15、1/4波片18后到達冷光鏡9，冷光鏡9使激光束一與激光束二混合共線傳播，共線光束經(jīng)過物鏡10到達樣品固定架22，其中樣品固定架22固定于三維電動移動臺23上，三維電動移動臺23與伺服電機控制器21連接，激光束二經(jīng)過樣品反射后依次通過物鏡10、冷光鏡9和1/4波片18后到達第二偏振分光棱鏡15，激光束二兩次通過1/4 波片18后偏振方向由水平變?yōu)樨Q直并被第二偏振分光棱鏡15反射，然后通過凸透鏡16聚焦在光電探測器17的感應(yīng)區(qū)域，其功率強度被轉(zhuǎn)換為輸出電壓值，鎖相放大器19將電壓信號中與信號發(fā)生器7輸出信號同頻率的信號分量分離并采集，鎖相放大器19與計算機20連接，鎖相放大器19 實時采集光電探測器17輸出的抽運探測信號，計算機20實時獲取鎖相放大器19輸出信號并提取幅值信號分量，伺服電機控制器21與計算機20 連接，計算機20控制三維電動移動臺23在垂直于激光束入射方向的兩個維度內(nèi)上下左右移動，三維電動移動臺23每改變一次位置，記錄當(dāng)前位置信息并進行一次抽運探測測量，在抽運探測測量前，控制三維電動移動臺23在激光束入射平行方向前后移動，在幅值信號分量最大時停止，此時，樣品位于物鏡10的焦平面位置，抽運探測測量過程中僅線性移動臺 11攜帶直角反射鏡12移動，鎖相放大器19實時采集光電探測器17輸出的抽運探測信號，線性移動臺11每改變一次位置計算機20記錄線性移動臺11當(dāng)前位置信息及鎖相放大器19輸出信號，直到線性移動臺11移動至最大行程位置，然后再次改變?nèi)S電動移動臺23的位置并重復(fù)上述過程直到掃描完成設(shè)定的樣品掃描區(qū)域。

鎖相放大器19輸出信號的幅值信號分量最大時樣品位于物鏡10的焦平面位置，因此可以通過控制三維電動移動臺23在激光束入射平行方向前后移動使幅值信號分量最大化的方式全自動實現(xiàn)精確控制樣品位于物鏡10的焦平面位置。

計算機20控制三維電動移動臺23以類似于原子力顯微鏡的掃描方式 S型移動，在測量完成一個測量點后橫向移動三維電動移動臺23至左側(cè)或右側(cè)測量點進行測量，在測量完成一行測量點后縱向移動三維電動移動臺 23至上側(cè)或下側(cè)測量點進行測量，最終通過掃描被測量區(qū)域全部測量點形成樣品表面熱導(dǎo)率分布圖。

熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)根據(jù)鎖相放大器19采集的數(shù)據(jù)計算得出。熱導(dǎo)率掃描系統(tǒng)的空間掃描分辨率與三維電動移動臺23的移動精度相同，對于所選三維電動移動臺，空間掃描分辨率可優(yōu)于1微米。

脈沖激光器1用于輸出線偏振脈沖激光，采用Mai Tai BB鈦藍寶石飛秒振蕩激光器，脈沖寬度小于1ps，優(yōu)選小于80fs，波長范圍710–990nm，平均功率大于1.5W。

第一1/2波片2用于調(diào)整脈沖激光器輸出線偏振脈沖激光的偏振方向，采用Thorlabs WPH05M-808零級1/2波片。

第一偏振分光棱鏡3用于將脈沖激光分成偏振方向互相垂直的兩束激光，分別為激光束一和激光束二，激光束一為水平偏振，激光束二為豎直偏振，采用Thorlabs PBS052偏振分束立方體。

激光倍頻模塊4用于將激光束一的激光頻率加倍波長減半，采用BIBO 倍頻晶體，激光倍頻模塊中最佳輸入波長應(yīng)與脈沖激光器的輸出波長一致。

短波通濾光片5用于濾除激光束一中未倍頻的激光，采用Thorlabs FESH0500硬質(zhì)涂層短波通濾光片。

激光調(diào)制器6用于將特定頻率特定波形的信號加載至激光束一，可為電光調(diào)制器、聲光調(diào)制器或采用斬波器光強調(diào)制設(shè)備，優(yōu)選采用電光調(diào)制器，并具體為Conoptics M350-160電光調(diào)制器。

信號發(fā)生器7用于產(chǎn)生激光調(diào)制器所需的特定頻率特定波形的信號，采用Keysight 33509B波形發(fā)生器。

短波反射鏡8用于通過反射改變激光束一的傳播方向，采用Thorlabs BB05-E02平面反射鏡。

長波反射鏡13用于通過反射改變激光束二的傳播方向，采用Thorlabs BB05-E03平面反射鏡。

直角反射鏡12用于通過反射使激光束二的傳播方向與原方向平行且相反，采用Newport UBBR2.5-5S直角反射鏡，其反射平行度優(yōu)于5弧秒。

線性移動臺11用于攜帶直角反射鏡運動，調(diào)整激光束二的光程，采用Newport M-IMS600PP線性移動臺。

第二1/2波片14用于調(diào)整激光束二的偏振方向，采用Thorlabs WPH05M-808零級1/2波片。

冷光鏡9用于反射激光束一，透射激光束二，使激光束一與激光束二混合，實現(xiàn)共線抽運探測，采用Thorlabs FM04冷鏡。

物鏡10用于聚焦激光束一與激光束二，采用Edmund 10X EO M Plan Apo物鏡。

1/4波片18用于調(diào)整激光束二的偏振方向，采用Thorlabs WPQ05M-808零級1/4波片。

第二偏振分光棱鏡15用于通過反射改變激光束二的傳播方向，采用 Thorlabs PBS052偏振分束立方體。

凸透鏡16用于聚焦激光束二，以及與物鏡構(gòu)成顯微成像系統(tǒng)，采用 Thorlabs LA1461平凸透鏡。

光電探測器17用于將激光束二的能量強度轉(zhuǎn)換為輸出電壓強度，其輸入的波長應(yīng)根據(jù)脈沖激光器的輸出波長選擇以保證最大輸出信號，優(yōu)選采用Thorlabs PDA36A硅基跨阻放大光電探測器。

鎖相放大器19用于采集光電探測器輸出電壓信號中與信號發(fā)生器輸出信號同頻率的信號分量，其輸入頻率范圍覆蓋激光調(diào)制器的信號范圍，優(yōu)選采用Stanford Research SR844鎖相放大器。

樣品固定架22用于固定被測量的樣品；三維電動移動臺23用于攜帶樣品固定架移動，調(diào)整樣品與物鏡的相對位置，采用Thorlabs PT3/M-Z8 三軸電動位移臺，其行程范圍大于樣品所需掃描的范圍，優(yōu)選行程25mm，并且移動精度不大于樣品所需掃描的分辨率。

伺服電機控制器21用于驅(qū)動三維電動移動臺移動，采用Thorlabs KDC101K型立方體有刷DC伺服電機控制器。

計算機20用于控制伺服電機控制器和線性移動臺，記錄鎖相放大器采集的信號及線性移動臺和三維電動移動臺的位置。

本實用新型將樣品固定在三維電動移動臺上，通過伺服電機控制器與計算機連接，計算機同時獲取鎖相放大器采集到的數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的處理分析結(jié)果控制三維電動移動臺的移動，可以實現(xiàn)以下兩個目的：實現(xiàn)全自動控制樣品表面位于物鏡焦平面位置，實現(xiàn)樣品表面指定范圍內(nèi)任意點熱導(dǎo)率測量，兩者結(jié)合實現(xiàn)樣品表面指定范圍內(nèi)熱導(dǎo)率分布的精密測量。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進行詳細(xì)說明。此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對其進行簡單地更改或替換，例如：

(1)直角反射鏡還可以采用普通反射鏡正交放置形式；

(2)鎖相放大器可以用高速數(shù)據(jù)采集卡配合鎖相軟件來代替；

還需要說明的是，本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但這些參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于相應(yīng)值。實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本實用新型的保護范圍。此外，除非特別描述或必須依序發(fā)生的步驟，上述步驟的順序并無限制于以上所列，且可根據(jù)所需設(shè)計而變化或重新安排。并且上述實施例可基于設(shè)計及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實施例混合搭配使用，即不同實施例中的技術(shù)特征可以自由組合形成更多的實施例。

此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解，盡管在此所述的一些實施例包括其它實施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同實施例的特征的組合意味著處于本實用新型的范圍之內(nèi)并且形成不同的實施例。例如，在下面的權(quán)利要求書中，所要求保護的實施例的任意之一都可以以任意的組合方式來使用。

應(yīng)該注意的是上述實施例對本實用新型進行說明而不是對本實用新型進行限制，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離所附權(quán)利要求的范圍的情況下可設(shè)計出替換實施例。在權(quán)利要求中，不應(yīng)將位于括號之間的任何參考符號構(gòu)造成對權(quán)利要求的限制。單詞“包含”不排除存在未列在權(quán)利要求中的元件或步驟。位于元件之前的單詞“一”或“一個”不排除存在多個這樣的元件。本實用新型可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于適當(dāng)編程的計算機來實現(xiàn)。在列舉了若干裝置的單元權(quán)利要求中，這些裝置中的若干個可以是通過同一個硬件項來具體體現(xiàn)。單詞第一、第二、以及第三等的使用不表示任何順序?？蓪⑦@些單詞解釋為名稱。

再者，說明書與權(quán)利要求中所使用的序數(shù)例如“第一”、“第二”、“第三”等的用詞，以修飾相應(yīng)的元件，其本身并不意含及代表該元件有任何的序數(shù)，也不代表某一元件與另一元件的順序、或是制造方法上的順序，該些序數(shù)的使用僅用來使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚區(qū)分。

以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。