一种半导体材料瞬态折射率超快检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术一种半导体材料瞬态折射率超快检测装置及方法，解决现有半导体折射率变化测量方法，无法满足对脉冲入射及脉冲响应特性检测需求的问题。该装置包括高功率脉冲激光器、第一分束镜、脉冲X射线激励单元、探针光调控单元、第二分束镜及信号读出单元；第一分束镜位于脉冲激光器的出射方向，将脉冲激光器产生激光光束分为A光束和B光束；脉冲X射线激励单元位于A光束出射方向，对脉冲激光产生X射线，探针光调控单元位于B光束的出射方向，产生探针光，探针光和X射线同时到达半导体超快探测芯表面；X射线对半导体超快探测芯片折射率进行调制，进而改变探针光的光谱强度；信号读出单元探测探针光光谱强度变化，获得芯片对X射线的响应过程。

【技术实现步骤摘要】
一种半导体材料瞬态折射率超快检测装置及方法
本专利技术涉及半导体材料瞬态折射率变化检测技术，具体涉及一种基于步进式同步光谱探针的半导体材料瞬态折射率超快检测装置及方法。
技术介绍
在惯性约束聚变(Inertialconfinementfusion,ICF)实验中，靶丸的尺寸仅有数毫米且内爆过程通常仅会持续数百皮秒的时间，为了对该过程进行高时间、空间分辨的技术诊断，需要检测设备具有皮秒量级的时间分辨能力及微米量级的空间分辨能力。基于光致折射率变化的全光固体超快成像技术是近年来新型的一种超快诊断技术，其超快成像能力可实现微米量级的空间分辨及皮秒量级的时间分辨，完全满足ICF观测的要求。2013年美国利弗莫尔实验室的K.L.Baker等已经建立了基于光致折射率变化的瞬态相位光栅型全光固体超快分幅相机，实现了时间分辨在皮秒量级的X射线响应。作为基于光致折射率变化的全光固体超快成像技术中重要的核心部件，半导体超快响应芯片的X射线及其他高能射线的时间响应特性，直接决定了全光固体超快成像设备的时间分辨率。因此，开展半导体材料瞬态折射率变化的超快检测，特别是高能射线脉冲(皮秒及以下)激励条件下半导体材料折射率瞬态变化检测，具有十分重要的理论研究及工程实践意义。传统半导体折射率变化测量方法，主要有静态测试法和脉冲测试法两种。前者通过测量一束稳定功率的X射线入射前后半导体材料折射率的改变量，静态标定半导体材料与X射线相互作用特性；后者通过测量一束脉冲X射线入射前后半导体材料折射率变化的脉冲响应，动态标定半导体材料与X射线相互作用的时间响应特性。全光固体超快成像设备在实际使用中，需要测试脉冲X射线入射条件下，脉冲探针读取的响应特性，上述两种测量方法均不能满足相关检测需求，因此急需开发一种新型半导体材料折射率检测技术，用于全光固体超快成像系统的芯片标定工作。
技术实现思路
为了解决现有半导体折射率变化测量方法，无法满足全光固体超快成像设备对脉冲入射及脉冲响应特性检测需求的技术问题，本专利技术提供了一种半导体材料瞬态折射率超快检测装置及方法。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案是：一种半导体材料瞬态折射率超快检测装置，其特殊之处在于：包括高功率脉冲激光器、第一分束镜、脉冲X射线激励单元、探针光调控单元、第二分束镜及信号读出单元；所述高功率脉冲激光器用于产生皮秒量级短脉冲激光，所述脉冲激光的波长大于待测半导体超快探测芯片的吸收波长；所述第一分束镜位于高功率脉冲激光器的出射方向，将激光光束分为两束，分别为A光束和B光束，且A光束的能量大于B光束的能量；所述脉冲X射线激励单元位于A光束的出射方向，用于对脉冲激光的固定时间延迟、光学聚焦、激励产生X射线，并将产生的X射线入射至待测半导体超快探测芯片的上表面；所述探针光调控单元位于B光束的出射方向，用于对脉冲激光的可控时间延时、色散时间展开产生探针光，并经第二分束镜反射至待测半导体超快探测芯片的下表面，且探针光和X射线同时到达待测半导体超快探测芯片表面；所述X射线入射至待测半导体超快探测芯片，对待测半导体超快探测芯片的折射率进行调制，进而改变入射至半导体超快探测芯片探针光的光谱强度；所述信号读出单元用于采集经待测半导体超快探测芯片反射回、第二分束镜透射后的的探针光，并通过探测探针光的光谱强度变化，获得待测半导体超快探测芯片对X射线的响应过程。进一步地，所述脉冲X射线激励单元包括沿A光束传输方向依次设置的时间固定延迟及聚焦光学系统和金属靶；A光束经时间固定延迟及聚焦光学系统时间延迟和光学聚焦后45°角入射至金属靶表面，金属靶将产生的X射线入射至待测半导体超快探测芯片的上表面。进一步地，所述金属靶为金属金靶，产生特征波长2.4keV的X射线脉冲；所述金属靶为金属钛靶，产生特征波长4.8keV的X射线脉冲；所述金属靶为金属铜靶，产生特征波长8keV的X射线脉冲。进一步地，所述探针光调控单元包括沿B光束传输方向依次设置的反射镜、可调步进式延时光学系统和色散展宽晶体。进一步地，还包括设置在待测半导体超快探测芯片上表面对探针光增反的增反膜、设置在待测半导体超快探测芯片下表面对探针光增透的增透膜。进一步地，所述A光束为透射光，能量占比大于99％；B光束为反射光。进一步地，所述信号读出单元包括光谱仪和数据处理器；所述光谱仪用于接收经待测半导体超快探测芯片反射回、第二分束镜透射后的探针光；所述数据处理器根据光谱仪接收到探针光的光谱强度变化，获得待测半导体超快探测芯片对X射线的响应时间。同时，本专利技术还提供一种半导体材料瞬态折射率超快检测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：1)高功率脉冲激光器产生皮秒量级短脉冲激光，经第一分束镜分为两束，分别为A光束和B光束；2)A光束入射脉冲X射线激励单元，经时间固定延迟及聚焦光学系统时间延迟和光学聚焦后，45°角入射至金属靶表面，在靶的表面激励产生X射线，并将产生的X射线入射至待测半导体超快探测芯片的上表面；B光束入射探针光调控单元，经反射镜反射、可调步进式延时光学系统延迟、色散展宽晶体时间域展宽后，并经第二分束镜反射至待测半导体超快探测芯片的下表面；同时，通过调整可调步进式延时光学系统，使探针光和X射线同时到达待测半导体超快探测芯片表面；3)X射线对待测半导体超快探测芯片的折射率进行调制，待测半导体超快探测芯片对X射线的响应过程被同步入射至待测半导体超快探测芯片内的时序化探针光脉冲，即改变入射至半导体超快探测芯片探针光的光谱强度；4)信号读出单元接收经待测半导体超快探测芯片反射回、第二分束镜透射后的的探针光，并通过探测探针光的光谱强度变化，获得待测半导体超快探测芯片对X射线的响应过程。与现有技术相比，本专利技术的优点是：本专利技术半导体材料瞬态折射率超快检测装置及方法，采用同源激光分路激励的方式，高功率脉冲激光器产生的脉冲激光分为两路，一路激励产生X射线，一路作为探针光进行测量，两路同时到达半导体超快探测芯片表面，X射线对半导体超快探测芯片的折射率进行调制，半导体超快探测芯片对X射线的响应过程被同步入射至半导体超快探测芯片内的时序化探针光脉冲，进而改变入射至半导体超快探测芯片内探针光的光谱强度，通过信号读出单元获取探测探针光的光谱强度变化，即可获得待测半导体超快探测芯片对X射线的响应过程，实现了对全光固体超快成像技术的核心组件半导体超快响应芯片瞬态折射率变化的检测与标定，其测试过程与全光固体超快成像技术工作原理近似，实现了脉冲信号、脉冲探针读取的功能，可以真实反映全光固体超快成像系统的工作特性；通过高能激光脉冲激励生成X射线脉冲信号的技术方案，解决了半导体超快响应芯片瞬态折射率测试过程中，X射线脉冲与探针光脉冲的同步问题。附图说明图1是现有全光固体超快成像的工作原理图；图1中，附图标记如下：01-脉冲激光光源，02本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体材料瞬态折射率超快检测装置，其特征在于：包括高功率脉冲激光器(1)、第一分束镜(2)、脉冲X射线激励单元(11)、探针光调控单元(12)、第二分束镜(9)及信号读出单元(10)；/n所述高功率脉冲激光器(1)用于产生皮秒量级短脉冲激光，所述脉冲激光的波长大于待测半导体超快探测芯片(5)的吸收波长；/n所述第一分束镜(2)位于高功率脉冲激光器(1)的出射方向，将激光光束分为两束，分别为A光束和B光束，且A光束的能量大于B光束的能量；/n所述脉冲X射线激励单元(11)位于A光束的出射方向，用于对脉冲激光的固定时间延迟、光学聚焦、激励产生X射线，并将产生的X射线入射至待测半导体超快探测芯片(5)的上表面；/n所述探针光调控单元(12)位于B光束的出射方向，用于对脉冲激光的可控时间延时、色散时间展开产生探针光，并经第二分束镜(9)反射至待测半导体超快探测芯片(5)的下表面，且探针光和X射线同时到达待测半导体超快探测芯片表面；/n所述X射线入射至待测半导体超快探测芯片(5)，对待测半导体超快探测芯片(5)的折射率进行调制，进而改变入射至半导体超快探测芯片(5)探针光的光谱强度；/n所述信号读出单元(10)用于采集经待测半导体超快探测芯片(5)反射回、第二分束镜(9)透射后的的探针光，并通过探测探针光的光谱强度变化，获得待测半导体超快探测芯片(5)对X射线的响应过程。/n...

【技术特征摘要】
1.一种半导体材料瞬态折射率超快检测装置，其特征在于：包括高功率脉冲激光器(1)、第一分束镜(2)、脉冲X射线激励单元(11)、探针光调控单元(12)、第二分束镜(9)及信号读出单元(10)；
所述高功率脉冲激光器(1)用于产生皮秒量级短脉冲激光，所述脉冲激光的波长大于待测半导体超快探测芯片(5)的吸收波长；
所述第一分束镜(2)位于高功率脉冲激光器(1)的出射方向，将激光光束分为两束，分别为A光束和B光束，且A光束的能量大于B光束的能量；
所述脉冲X射线激励单元(11)位于A光束的出射方向，用于对脉冲激光的固定时间延迟、光学聚焦、激励产生X射线，并将产生的X射线入射至待测半导体超快探测芯片(5)的上表面；
所述探针光调控单元(12)位于B光束的出射方向，用于对脉冲激光的可控时间延时、色散时间展开产生探针光，并经第二分束镜(9)反射至待测半导体超快探测芯片(5)的下表面，且探针光和X射线同时到达待测半导体超快探测芯片表面；
所述X射线入射至待测半导体超快探测芯片(5)，对待测半导体超快探测芯片(5)的折射率进行调制，进而改变入射至半导体超快探测芯片(5)探针光的光谱强度；
所述信号读出单元(10)用于采集经待测半导体超快探测芯片(5)反射回、第二分束镜(9)透射后的的探针光，并通过探测探针光的光谱强度变化，获得待测半导体超快探测芯片(5)对X射线的响应过程。


2.根据权利要求1所述半导体材料瞬态折射率超快检测装置，其特征在于：所述脉冲X射线激励单元(11)包括沿A光束传输方向依次设置的时间固定延迟及聚焦光学系统(3)和金属靶(4)；
A光束经时间固定延迟及聚焦光学系统(3)时间延迟和光学聚焦后45°角入射至金属靶(4)表面，金属靶(4)将产生的X射线入射至待测半导体超快探测芯片(5)的上表面。


3.根据权利要求2所述半导体材料瞬态折射率超快检测装置，其特征在于：所述金属靶(4)为金属金靶，产生特征波长2.4keV的X射线脉冲；
所述金属靶(4)为金属钛靶，产生特征波长4.8keV的X射线脉冲；
所述金属靶(4)为金属铜靶，产生特征波长8keV的X射线脉冲。


4.根据权利要求1至3任一所述半导体材料瞬态折射率超快检测装置，其特征在于：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹飞，汪韬，闫欣，高贵龙，何凯，田进寿，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61