本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種測(cè)量固體熱物性參數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)及方法。該光學(xué)系統(tǒng)包括：加熱激光產(chǎn)生組件、探測(cè)激光產(chǎn)生組件、合束元件、分光元件、加熱激光接收組件、樣品測(cè)試組件和探測(cè)激光接收組件。本發(fā)明專利技術(shù)采用信號(hào)調(diào)制的光熱反射法，屬于頻域方法，和超短脈沖激光抽運(yùn)探測(cè)法等時(shí)域方法相比，沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、光路調(diào)節(jié)更方便。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及利用周期調(diào)制加熱和連續(xù)激光探測(cè)的光熱反射測(cè)量技術(shù)，尤其涉及一種。
技術(shù)介紹
薄膜材料已廣泛地運(yùn)用于微電子、光電子、微制造等領(lǐng)域，而這些微/納器件在工作時(shí)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/納器件散熱問題極為迫切，這需要對(duì)組成上述微/納器件的薄膜材料熱物理性質(zhì)，尤其是熱導(dǎo)率、界面熱阻等進(jìn)行準(zhǔn)確表征，以便揭示其熱輸運(yùn)機(jī)理。3ω法為常用的薄膜材料熱物性測(cè)量方法，但是其需要在待測(cè)樣品上焊接金屬薄片/絲，屬于有損檢測(cè)技術(shù)。超短脈沖激光抽運(yùn)探測(cè)法為一種新型的固體熱物性參數(shù)測(cè)量方法。圖I為現(xiàn)有技 術(shù)測(cè)量固體熱物性參數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)的光路示意圖。如圖I所示，該光學(xué)系統(tǒng)包括激光器I輸出脈沖激光；第一波片2( 二分之一波片)使激光偏振方向旋轉(zhuǎn)；第一分光器件3將激光束分成偏振方向互相垂直的兩束；電光調(diào)制器4對(duì)激光束調(diào)制；電光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器5為電光調(diào)制器4發(fā)送調(diào)制信號(hào)；第一反射鏡6接收并反射激光束；激光束通過第一聚焦透鏡7、倍頻晶體8和第二聚焦透鏡9，產(chǎn)生二次諧波；第一濾光片10濾除非相干光；擴(kuò)束器11將激光束直徑擴(kuò)大；第二反射鏡12接收并反射激光束；電控位移平臺(tái)14前后移動(dòng)；激光束被平行光反射鏡13反射后通過第二波片15 ( 二分之一波片)，激光偏振方向旋轉(zhuǎn)；第二分光器件16將激光束分成偏振方向互相垂直的兩束；激光束透過第三波片17 (四分之一波片)垂直入射樣品表面，并原路返回再次通過第三波片17，實(shí)現(xiàn)偏振方向90度改變；冷光鏡18將不同波長(zhǎng)的激光束合束；聚焦透鏡19將激光輻照在固定調(diào)整架20上的樣品表面；電光探測(cè)器23接收透過第二濾光片21和第三聚焦透鏡22的激光束；電光探測(cè)器23的信號(hào)輸至濾波放大器24。抽運(yùn)光和探測(cè)光使用不同波長(zhǎng)的飛秒脈沖激光，通過冷光鏡合為一束激光，在抽運(yùn)光與探測(cè)光到達(dá)探測(cè)器之前使用具有高選擇透過性的濾光片濾除倍頻后的抽運(yùn)光，從而避免抽運(yùn)光對(duì)信號(hào)的干擾，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高效的測(cè)量；利用濾波放大器可有效濾除高頻諧波的影響，有效提高信號(hào)的準(zhǔn)確度。電控位移平臺(tái)不同的移動(dòng)距離對(duì)應(yīng)探測(cè)光和和抽運(yùn)光之間的不同的延遲時(shí)間，濾波放大器輸出信號(hào)和電光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器給出的調(diào)制信號(hào)比較，得到相位差信號(hào)，不同延遲時(shí)間下的相位差信號(hào)為實(shí)驗(yàn)所得的測(cè)量數(shù)據(jù)。然而，對(duì)于圖I所示的測(cè)量固體熱物性參數(shù)的光路系統(tǒng)來講，其電控位移平臺(tái)屬于機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，精準(zhǔn)控制較困難；并且由第一聚焦透鏡、倍頻晶體和第二聚焦透鏡組成的倍頻模塊，共線對(duì)焦困難、倍頻的效率不高。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
(一 )要解決的技術(shù)問題為解決上述的一個(gè)或多個(gè)問題，本專利技術(shù)提供了一種精準(zhǔn)控制、調(diào)節(jié)方便的。( 二 )技術(shù)方案根據(jù)本專利技術(shù)的一個(gè)方面，提供了一種測(cè)量固體熱物性參數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括加熱激光產(chǎn)生組件、探測(cè)激光產(chǎn)生組件、合束元件、分光元件、加熱激光接收組件、樣品測(cè)試組件和探測(cè)激光接收組件；其中，由加熱激光產(chǎn)生組件產(chǎn)生頻率調(diào)制的連續(xù)偏振的加熱激光，由探測(cè)激光產(chǎn)生組件產(chǎn)生連續(xù)偏振的探測(cè)激光；該加熱激光和探測(cè)激光經(jīng)過合束元件后合束為位于A平面的合束激光；該合束激光入射分光元件，偏振方向在A平面的成分透射至樣品測(cè)試組件，偏振方向垂直于該水平面的成分反射至加熱激光接收組件；偏振方向在A平面的合束光成分經(jīng)由樣品測(cè)試組件后，照射至被測(cè)試樣品表面；偏振方向在A平面的合束光成分中的加熱激光將被測(cè)樣品加熱，加熱后的被測(cè)樣品對(duì)探測(cè)激光產(chǎn)生調(diào)制作用；由被測(cè)試樣品表面反射的加熱激光及調(diào)制后的探測(cè)激光的合束激光重新經(jīng)由樣品測(cè)試組件后由分光元件反射至探測(cè)激光接收組件；探測(cè)激光接收組件將入射合束激光中的加熱激光成分濾除后，得到探測(cè)激光的信號(hào)；加熱激光接收組件將入射合束激光中的探測(cè)激光成分濾除后，得到加熱激光的信號(hào)。 根據(jù)本專利技術(shù)的另一方面，還提供了一種利用上述的光學(xué)系統(tǒng)測(cè)量固體熱物性參數(shù)的方法，包括步驟A，利用光學(xué)系統(tǒng)獲取不同的加熱激光調(diào)制頻率下，由探測(cè)激光接收組件產(chǎn)生探測(cè)激光信號(hào)和由加熱激光接收組件產(chǎn)生加熱激光的信號(hào)，該探測(cè)激光信號(hào)和加熱激光信號(hào)中均包含功率信息和相位信息；步驟B，對(duì)不同的加熱激光調(diào)制頻率下，探測(cè)激光信號(hào)和加熱激光信號(hào)進(jìn)行相位差處理，得到相位差實(shí)驗(yàn)值；步驟C，給待擬合的固體熱物性參數(shù)賦初始值；步驟D，在不同的加熱激光調(diào)制頻率下，根據(jù)理論模型公式，計(jì)算與相位差實(shí)驗(yàn)值對(duì)應(yīng)頻率下的相位差理論值；步驟E，對(duì)全部加熱激光調(diào)制頻率下的相位差實(shí)驗(yàn)值和對(duì)應(yīng)的相位差理論值進(jìn)行最小二乘計(jì)算，其最小二乘計(jì)算數(shù)值作為當(dāng)次迭代結(jié)果；步驟F，記錄當(dāng)前迭代結(jié)果對(duì)應(yīng)的熱導(dǎo)率值、界面熱導(dǎo)值；步驟G，判斷本次迭代的結(jié)果是否小于前次迭代的結(jié)果，如果是，執(zhí)行步驟H，否則，執(zhí)行步驟I ;步驟H，將本次迭代結(jié)果對(duì)應(yīng)的固體熱物性參數(shù)值作為變化檢測(cè)輸出數(shù)據(jù)，執(zhí)行步驟J ;步驟I，將前次迭代結(jié)果對(duì)應(yīng)的固體熱物性參數(shù)值作為變化檢測(cè)輸出數(shù)據(jù)，執(zhí)行步驟J ;步驟J，判斷是否連續(xù)3次的迭代結(jié)果小于控制精度，如果是，執(zhí)行步驟K，否則，執(zhí)行步驟L ;步驟K，停止迭代，將由步驟H或步驟I獲得的固體熱物性參數(shù)值輸出，流程結(jié)束；步驟L，將由步驟H或步驟I獲得的固體熱物性參數(shù)值按照預(yù)設(shè)的步長(zhǎng)增加或減小，由預(yù)設(shè)的優(yōu)化函數(shù)確定其數(shù)值改變路徑，執(zhí)行步驟D。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本專利技術(shù)具有以下有益效果采用信號(hào)調(diào)制的光熱反射法，屬于頻域方法，和超短脈沖激光抽運(yùn)探測(cè)法等時(shí)域方法相比，沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、光路調(diào)節(jié)更方便。附圖說明圖I為現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量固體熱物性參數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)的光路示意圖；圖2為根據(jù)本專利技術(shù)實(shí)施例的測(cè)量固體熱物性參數(shù)光學(xué)系統(tǒng)的光路示意圖；圖3為根據(jù)本專利技術(shù)實(shí)施例的測(cè)量固體熱物性參數(shù)方法的流程圖。具體實(shí)施例方式為使本專利技術(shù)的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本專利技術(shù)進(jìn)一步詳細(xì)說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號(hào)。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬
中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，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(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。此外，以下實(shí)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。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本專利技術(shù)。對(duì)于圖I來說，其是現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量固體熱物性光學(xué)系統(tǒng)的附圖，其圖中所標(biāo)記的圖號(hào)僅供參考，不納入本專利技術(shù)使用。為方便本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本專利技術(shù)理解，首先將本專利技術(shù)所涉及主要元件進(jìn)行編號(hào)說明，具體如下所示10-加熱激光組件；20_探測(cè)激光組件；30-合束元件；40_分光元件；50-加熱激光接收組件；60-樣品測(cè)試組件；70-樣品固定元件；80_探測(cè)激光接收組件；11-信號(hào)調(diào)制器；12-第一激光器；13-第一波片；14-第一反射鏡；21-第二激光器；22-第二波片；23-第二反射鏡；51-第一濾光片；52-第一光電探測(cè)器；61-第三波片；62-物鏡；81-聚焦透鏡；82-第二濾光片；83-第二光電探測(cè)器。在本專利技術(shù)的一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種測(cè)量固體熱物性參數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)。如圖2所示，該系統(tǒng)包括加熱激光產(chǎn)生組件10、探測(cè)激光產(chǎn)生組件20、合束元件30、分光元件40、加熱激光接收組本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種測(cè)量固體熱物性參數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，包括：加熱激光產(chǎn)生組件、探測(cè)激光產(chǎn)生組件、合束元件、分光元件、加熱激光接收組件、樣品測(cè)試組件和探測(cè)激光接收組件；其中，由加熱激光產(chǎn)生組件產(chǎn)生頻率調(diào)制的連續(xù)偏振的加熱激光，由探測(cè)激光產(chǎn)生組件產(chǎn)生連續(xù)偏振的探測(cè)激光；該加熱激光和探測(cè)激光經(jīng)過合束元件后合束為位于A平面的合束激光；該合束激光入射分光元件，偏振方向在A平面的成分透射至樣品測(cè)試組件，偏振方向垂直于該水平面的成分反射至加熱激光接收組件；偏振方向在A平面的合束光成分經(jīng)由樣品測(cè)試組件后，照射至被測(cè)試樣品表面；偏振方向在A平面的合束光成分中的加熱激光將被測(cè)樣品加熱，加熱后的被測(cè)樣品對(duì)探測(cè)激光產(chǎn)生調(diào)制作用；由被測(cè)試樣品表面反射的加熱激光及調(diào)制后的探測(cè)激光的合束激光重新經(jīng)由樣品測(cè)試組件后由分光元件反射至探測(cè)激光接收組件；探測(cè)激光接收組件將入射合束激光中的加熱激光成分濾除后，得到探測(cè)激光的信號(hào)；加熱激光接收組件將入射合束激光中的探測(cè)激光成分濾除后，得到加熱激光的信號(hào)。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：邱琳，徐先鋒，唐大偉，祝捷，布文峰，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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