時域熱反射測量系統（TDTR）的典型光路介紹

 

時域熱反射技術（TDTR）是一種高精度、高時間分辨率的熱物性測量技術，主要用于研究各種材料的熱物性，包括單層膜、多層膜、液體材料的熱導率、熱容，以及固-固材料界面、固-液材料界面，微結構界面熱導；及各種微結構熱物性等，從而幫助科研人員更好地理解材料的熱傳輸特性。本文主要對飛秒激光時域熱反射測量系統（TDTR）的典型光路即組成進行了介紹。

 

1，泵浦探測技術

 

泵浦-探測技術(Pump-Probe Technique)是一種時間分辨光譜技術，廣泛用于研究材料的電子、振動和光學性質。這項技術通過精確控制時間，可以捕捉材料在不同時間點的動態變化，因此在納米材料的熱傳輸和能量轉移研究中尤為重要。

 

基于泵浦-探測技術，發展出了一系列實驗技術，如瞬態熱反射(Transient Thermo-reflectance, TTR)、時域熱反射(Time-Domain Thermo-reflectance, TDTR)、頻域熱反射(Frequency-Domain Thermo-reflectance, FDTR)和熱透射顯微鏡(Photothermal Microscopy)。這些技術各有特點，適用于不同的研究場景。

 

2，時域熱反射技術（TDTR）

 

時域熱反射技術（TDTR）是一種高精度、高時間分辨率的光熱技術，用于測量材料的熱物性參數，如熱導率、熱擴散率和界面熱阻。

 

時域熱反射技術（TDTR）基本原理如下：

 

①泵浦脈沖加熱：首先，一個強激光脈沖（泵浦脈沖）照射到材料表面，瞬間加熱樣品。這種加熱過程非常短暫，通常在皮秒（ps，10^-12秒）量級。通常情況下，樣品表面會鍍上一層薄金屬膜作為傳感器，當溫度升高時，金屬膜的反射率會發生線性變化。

 

②探測脈沖測量：然后，一個弱激光脈沖（探測脈沖）在不同時間延遲下照射同一位置，測量探測脈沖的反射光強度，以獲取材料反射率的變化。

 

③數據分析：通過分析反射率變化曲線，結合熱傳導模型進行數據擬合，從而提取樣品的熱導率、熱擴散率、熱容、界面熱阻（界面熱導）等參數。

 

3，時域熱反射技術（TDTR）的典型光路圖

 

如下以昊遠精測的Pioneer-ONE：飛秒激光時域熱反射測量系統為例介紹TDTR系統的典型光路：

 

 

圖（1）雙波長熱反射泵浦探測系統結構示意圖

 

Pioneer-ONE TDTR時域熱反射系統的結構如圖（1）所示，其核心部分是一臺飛秒光纖激光器，該激光器提供系統的輸入光源，波長為1064nm，脈沖寬度為100 fs，重復頻率為80 MHz，發出的是線偏振光。為了防止背反射導致系統不穩定或激光器損壞，激光首先通過一個光隔離器(optical isolator)。

 

接下來，激光通過一個由1/2波片(1/2 Waveplate)和偏振分束器(Polarizing beam splitter)組成的分光結構，分為兩束：泵浦激光和探測激光。1/2 波片可以用來調節泵浦探測兩路的分光比例。

 

泵浦激光路徑：

 

①泵浦激光經過一臺美國Conoptics公司的電光調制器(Electro-Optic Modulator, EOM)，其強度被加載ωr頻率的調制，ωr同時也作為鎖相放大器的參考信號使用。

 

②泵浦激光隨后經過BBO晶體進行倍頻，經過晶體之后，激光變成了包含1064nm（基頻成分）+532nm（倍頻成分）的雙色光。

 

③經過倍頻晶體的激光經過冷光鏡(Cold Mirror)濾波，基頻光被基本濾除。Red filter進一步濾除泵浦激光中的基頻光，減少其對探測信號的影響。

 

探測激光路徑：

 

①探測激光首先經過延遲平臺(delay Stage)，控制光程，以調節泵浦脈沖和探測脈沖到達樣品表面的時間間隔。延遲平臺的步進精度決定了測量的時間分辨率（在其不小于脈寬的情況下），行程決定了可測量的總延遲量（在其不大于脈沖間隔的情況下）。

 

②為減少光束發散的影響，在探測激光經過延遲平臺前，使用擴束裝置(beam expander)放大光束，減少發散角。

 

合束及檢測：

 

①處理后的泵浦激光和探測激光通過冷光鏡(Cold Mirror)合束，并通過一個光學物鏡共同聚焦在樣品表面。

 

②探測激光在樣品表面反射后，通過偏振分束器和四分之一波片(1/4 Waveplate)進行分離。探測激光在延遲平臺后為水平偏振方向，完全通過偏振分束器，到達樣品前后經過四分之一波片，偏振方向由水平變為豎直，在返回至偏振分束器時被完全反射。

 

③由于探測激光信號非常微弱，少量泵浦激光到達光電探測器會嚴重影響測量結果。因此，在光電探測器前放置藍光濾光片(Blue Filter)，對波長為532nm的泵浦光進行再次濾波，有效去除其對探測光的干擾。

 

④反射出來的探測激光經過焦距為300 mm的平凸透鏡聚焦在另一個光電探測器的光敏面上，該探測器與鎖相放大器相連，用于采集實驗信號。

 

⑤另外，通過鋁膜反射鏡將光線反射至ccd相機，可以觀察樣品表面的質量以及泵浦激光和探測激光光斑的重合程度。

 

如上就是Pioneer-ONE TDTR采用的雙色激光泵浦探測方案，此方案能更好去除泵浦光對探測光信號的干擾，以實現更高的信噪比和抗干擾性。采集到的方案經過昊遠精測專業熱傳導分析軟件平臺Thermo-Mind進行建模分析，就能夠得到樣品的相關熱物性參數了。

 

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