一种超快激光光子时间拉伸下的薄膜热响应单脉冲探测方法技术

一种超快激光光子时间拉伸下的薄膜热响应单脉冲探测方法。包括：利用拉伸元件对超短飞秒激光进行时间尺度上的拉伸；通过光学元件将泵浦光和探测光集成为平行且间距可控的模块；将集成的泵浦光和探测光经聚焦透镜聚焦射入薄膜后反射光由耦合系统将探测光耦合进入单模光纤；对带有薄膜热反射率信息的脉冲光经光电探测器和高速示波器输出的高通量数据进行分析。本发明专利技术在探测光进入空间光路之前通过色散拉伸元件进行拉伸，大大提高了热反射率的探测精度；同时，用时间拉伸的方法对探测光进行拉伸可以避免原有逐点测量的繁琐，减小了实验的探测时间。本发明专利技术是一种针对连续探测薄膜热反射率的高通量、精确的实验方法。

A single pulse detection method of thermal response of thin film under the time stretching of ultrafast laser photons

【技术实现步骤摘要】
一种超快激光光子时间拉伸下的薄膜热响应单脉冲探测方法
本专利技术涉及飞秒激光光子时间拉伸下的薄膜反射率单脉冲探测方法，在研究高通量信息探测和薄膜热输运过程方面由广泛应用。
技术介绍
微尺寸薄膜器件的微观载流子的热传递过程和不同材料之间的热传导等热物理量的测量并不能被直接表征，而是反映为样品材料的热反射率的瞬态变化。当器件的尺寸降低到与器件本身特征尺度相当时，器件内的热物性则会表现出明显的尺度效应，因此，非常有必要从热载流子的微观角度去研究热输运过程。以此同时，随着超快激光技术飞速发展，使得微纳尺度能量输运问题向着飞秒纳米尺度拓展。将飞秒纳米尺度的传热机理应用在微电子光电子器件、材料科学及微加工等领域时，将出现一些挑战性的问题。包括怎样在飞秒尺度连续的探测到可以表征材料热物性的物理量---瞬态热反射率，和如何利用实验手段得到飞秒分辨率的高通量数据。面对这些挑战，找到可以在飞秒尺度上实现对于材料热扩散研究的实验方法有着至关重要的作用。随之衍生出将光子拉伸技术应用于对材料的瞬态热反射探测上这一探测方法，摒弃了原有逐点测量工作量大、耗时长、稳定性低等缺点，对于实现功能材料高通量、瞬态动力学特性研究具有重要的理论意义和应用价值。瞬态热反射技术(TransientThermoreflectance，TTR)，是一种抽运-探测技术。将飞秒激光作为瞬态热反射技术的光源，即飞秒瞬态反射技术(FemtosecondTransientThermoreflectance，FTTR)，可以将时间分辨率提高到飞秒量级，这大大增加了探测的精确度。在FTTR技术中，一束脉冲激光脉冲宽度一般为几十飞秒到几百飞秒，被分光棱镜分成两束。一束能量较强的飞秒脉冲激光用来加热被测样品，另外一束能量较弱的飞秒脉冲激光用来探测加热样品表面反射率的瞬时变化。探测光脉冲相对抽运光脉冲到达样品的时刻有一个精确设定的时间延迟。在测量过程中，每次只能测得一个时间点上的反射率，此时间点由那个预先精确设定的滞后时间所确定。当一系列时间点的反射率被测得后，就可以构建出一个激光脉冲作用后一段时间范围内反射率的变化曲线。得到反射率的瞬时变化后，再通过反射率随电子温度的变化函数求出电子温度在一个激光脉冲作用后的瞬时变化。一般可以通过改变两束激光的光程差来实现不同滞后时间的设定。FTTR技术实现了飞秒尺度上微尺寸薄膜器件的微观载流子的热传递过程和不同材料之间的热传导等热物理量的测量，然而考虑到现有FTTR技术中通过改变两束激光的光程差来实现不同滞后时间这一设定的非连续性，每次测量需反复调节探测光相对于泵浦光的时间滞后量的繁琐，和将多次测量结果得到的数据拟合成连续量的误差较大等缺点，衍生出了将光子时间拉伸技术与FTTR技术相结合这一方案。光子时间拉伸又被称为色散傅里叶变换技术，是近年来出现的高通量实时信息采集技术。它是一种可以实现快速实时光谱探测的方法，DFT技术是利用色散的方式将脉冲的光谱映射到一个时域波形上，其强度包络能够模拟出实际光谱的形状。利用光子时间拉伸技术能够克服电子设备带宽和采样速率的限制，实现超快的信息测量，其成像帧速率主要由锁模激光器的脉冲重复频率决定，可以达到惊人的几十MHz/s甚至GHz/s。光子时间拉伸技术被广泛应用于超高速显微成像、微波信息分析、光谱分析以及耗散孤子结构、相对论电子簇、巨波等瞬态物理过程的观察中。在现有对探测光的光程控制这一装置中，改为对其在时间上进行色散傅里叶变换处理，将～100fs的脉冲进行拉伸，使其达到几十ps到ns量级。在每一个泵浦脉冲影响薄膜开始产生热传递时，由于探测光的脉宽足够覆盖整个热传递弛豫过程，可以达到在飞秒量级上对样品薄膜反射率的连续测量。摒弃了现有逐点测量工作量大，需反复调整光程差的缺陷，并且在已有皮秒TTR技术上提高热反射率的分辨率，能在飞秒量级上连续测样品薄膜热反射率、热传导率、样品边界电导率等参数。综上所述，将光子时间拉伸技术与飞秒量级超短脉冲结合，利用飞秒瞬态热反射技术，在同一光源的基础上实现飞秒尺度的连续测量，既摒弃了已有逐点测量的繁琐、难以操作的缺陷，又在上世纪PTTR技术上提高了分辨率。该项技术实现后可进行多种薄膜材料的热反射率测量和蓝宝石、MoS2、GaAs等多种材料的热传导率和材料边界的热电导测量。可以被广泛应用于各种材料的热反射、热传导、电-声子耦合因子的测量中。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决当前传统薄膜热反射探测存在逐点测量的繁琐、操作量大且不能高通量采集数据的技术问题，提出一种飞秒激光光子时间拉伸下的薄膜连续探测方法。该方法只需将飞秒尺度的激光脉冲在时间上拉伸到ps-ns量级，将其入射到被激光加热的薄膜上，即可携带反射率变化信息，用高速示波器进行数据采集，可得到高通量反射率数据。具有操作复杂度低，瞬时数据采集方便，高通量数据精度高，处理速度快，探测结果精确等特点。这种简单又精确的方法可以成为薄膜热输运过程的有效方法，具有很强的应用价值。本专利技术采用的技术方案是：一种超快激光光子时间拉伸下的薄膜热响应单脉冲探测方法，该方法包括：第1步、利用光纤耦合器和色散元件将飞秒光源处理成一束功率较高的泵浦光和一束功率较低的探测光；具体过程如下：采用飞秒脉冲激光光源，用耦合比较高的光纤耦合器将该光源分为两束光，其中功率较高的一束作为泵浦光，用来对样品薄膜进行加热，功率较低的一束作为探测光，用来采集热反射率数据。第2步、利用色散元件将探测光脉冲进行光子时间拉伸。利用色散傅里叶变换技术将探测光从100fs左右的脉宽拉伸至ps-ns量级，使探测光脉冲的持续时间大于被测薄膜材料的热响应时间，以供加载薄膜完整的反射率信息。第3步、将泵浦光和探测光同时聚焦到待测薄膜的相同位置；具体过程如下：通过空间光学元件将泵浦光和探测光调试为准直且互相平行的两束光，将这两束光同时由同一聚焦透镜聚焦至样品表面。调整两束光时需加入可控泵浦光与探测光距离的元件，以供两束光经样品反射后角度足够大满足将探测光分离采集的目的。第4步、对加载薄膜反射率信息的探测光进行采集分析；具体过程如下：首先将从薄膜材料反射的探测光通过耦合系统耦合到单模光纤中，单模光纤连接高速光电测试系统，记录光子时间拉伸后的探测光脉冲强度随时间的变化，获得薄膜反射率随时间的变化，即可分析薄膜的热响应特性。第5步、对得到的探测光进行二次拉伸，将光强变化显著的部分经二次光子时间拉伸后，进行高分辨率的薄膜热输运过程分析。其中，所述色散拉伸元件，可以是标准单模光纤、色散补偿光纤、啁啾光纤光栅、空间光栅对等所有能利用色散效应对超短脉冲激光进行时间拉伸的光学元件。所述超快脉冲激光，其特征在于脉冲宽度小于1ps。所述耦合系统，需达到由耦合透镜、调节架、光阑等元件组合起来能将探测光收集进单模光纤的功能，耦合透镜参数应和和光纤模场直径相匹配，包括聚焦透镜、透镜组、物镜等所有可以将空间光耦合进单模或多模光纤的元件。所述高速光电探测器和高速示波器，是指对于探测光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超快激光光子时间拉伸下的薄膜热响应单脉冲探测方法。所述的薄膜瞬态热响应是指吸收超快激光脉冲而处于非热平衡状态下的薄膜材料，在皮秒到纳米时间尺度上的热响应特性，该特性由材料的反射率变化表征。该探测方法的特征在于利用一个探测脉冲完成整个时间尺度的测试，具有高通量的特点，其特征包括如下步骤：/nS1.将光源发出的超快激光脉冲分成光强不等的两路光，其中光强强的一路光作为加热样品的泵浦光，光强弱的一路光作为进行探测的探测光；/nS2.利用色散元件将探测光脉冲进行光子时间拉伸，使探测光脉冲的持续时间大于要测量的薄膜材料热响应时间；/nS3.将泵浦光和探测光同时聚焦到待测薄膜的相同位置；/nS4.将从薄膜材料反射的探测光耦合到高速光电测试系统中，记录光子时间拉伸后的探测光脉冲强度随时间的变化，获得薄膜反射率随时间的变化。/nS5.将得到的携带薄膜反射率的探测光进行二次拉伸，在时间尺度上放大泵浦光在到达薄膜后的热输运过程的反射率变化细节，记录高分辨率的探测光脉冲强度随时间的变化。/n

【技术特征摘要】
1.一种超快激光光子时间拉伸下的薄膜热响应单脉冲探测方法。所述的薄膜瞬态热响应是指吸收超快激光脉冲而处于非热平衡状态下的薄膜材料，在皮秒到纳米时间尺度上的热响应特性，该特性由材料的反射率变化表征。该探测方法的特征在于利用一个探测脉冲完成整个时间尺度的测试，具有高通量的特点，其特征包括如下步骤：
S1.将光源发出的超快激光脉冲分成光强不等的两路光，其中光强强的一路光作为加热样品的泵浦光，光强弱的一路光作为进行探测的探测光；
S2.利用色散元件将探测光脉冲进行光子时间拉伸，使探测光脉冲的持续时间大于要测量的薄膜材料热响应时间；
S3.将泵浦光和探测光同时聚焦到待测薄膜的相同位置；
S4.将从薄膜材料反射的探测光耦合到高速光电测试系统中，记录光子时间拉伸后的探测光脉冲强度随时间的变化，获得薄膜反射率随时间的变化。
S5.将得到的携带薄膜反射率的探测光进行二次拉伸，在时间尺度上放大泵浦光在到达薄膜后的热输运过程的反射率变化细节，记录高分辨率的探测光脉冲强度随时间的变化。


2.一种实现权利要求1所述方法的测试装置，其特征在于包括：超快激光光源、光学耦合器、色散拉伸元件、时间延迟线、空间光学系统、高速光电探测系统。所述超快激光光源产生的飞秒激光通过光学耦合器分为泵浦光和探测光，泵浦光通过空间光学系统聚焦到待测薄膜样品上，探测光通过色散拉伸元件和时间延迟线后，通过空间光学系统聚焦到待测薄膜样品上并与泵浦光重叠，再将样品反射的探测光耦合到高速光电探测系统中，从而实现对薄膜材料瞬态热响应特性的高速、高分辨率测量。

【专利技术属性】
技术研发人员：王志，张露鹤，胡金耀，刘艳格，岳洋，刘波，张昊，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津;12