用于亚毫米级样品面内热导率测量的光学装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于热导率测量相关技术领域，其公开了一种用于亚毫米级样品面内热导率测量的光学装置及测量方法，该装置包括：与信号源连接的第一连续波激光器；输出探测激光的第二连续波激光器，沿探测激光的光路上依次设有半波片、偏振分光镜、1/4波片、分色镜、显微镜物镜、反射镜、平衡光电探测器以及锁相放大器，其中：分色镜用于透过探测激光并反射加热激光；偏振分光镜将部分探测激光反射至平衡光电探测器并将来自样品的反射光反射至平衡光电探测器，平衡光电探测器将光信号转化为电信号；锁相放大器提取电信号的幅值和相位。该装置极大的扩大了测量范围，可以实现亚毫米级样品的面内热导率的测量，热导率的测量范围可以扩充至1～2000W/(m

【技术实现步骤摘要】
用于亚毫米级样品面内热导率测量的光学装置及测量方法


[0001]本专利技术属于热导率测量相关
，更具体地，涉及一种用于亚毫米级样品面内热导率测量的光学装置及测量方法。

技术介绍

[0002]工业和科学研究中很多情况需要测量小尺寸样品的热导率。比如核工业领域测量核辐射材料的热导率时，由于样品的核辐射量与样品尺寸的三次方成正比，需要把样品做的很小，通常为亚毫米量级以尽量减少样品的辐射量。又比如很多半导体领域的新型材料如氮化硼、硒化铋、氟化石墨烯等由于制备工艺的限制不能做成厘米级大尺寸样品以满足稳态法、激光闪光法、防护热板法等常规热测量方法的需求。
[0003]采用激光对样品进行加热并探测其温度响应的泵浦
‑
探测热反射技术在小尺寸样品热物性测量方面有其独特的优势，现有的泵浦
‑
探测热反射技术包括时域热反射法(TDTR)和频域热反射法(FDTR)，其中，时域热反射法基于超快飞秒脉冲激光，不但成本昂贵、系统复杂，而且其光电调制器的不稳定性给测量带来很大困难；频域热反射法基于连续激光，虽然其系统相对时域热反射法系统简单，成本也更低，但其测量准确性严重受到泵浦激光相位修正的影响。更关键的是由于时域热反射法和频域热反射法的调制频率范围受限，因而其均不能测量低于10W/(m
·
K)的面内热导率。除此之外，时域热反射法和频域热反射法还存在热导率测量结果依赖于激光光斑尺寸和调制频率大小的问题。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种用于亚毫米级样品面内热导率测量的光学装置及测量方法，该装置极大的扩大了测量范围，可以实现亚毫米级样品的面内热导率的测量，热导率的测量范围可以扩充至1～2000W/(m
·
K)。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种用于亚毫米级样品面内热导率测量的光学装置，所述装置包括：第一连续波激光器，所述第一连续波激光器与信号源连接，用于输出预设频率的加热激光；第二连续波激光器，用于输出偏振态的探测激光，沿所述探测激光的光路上依次设有半波片、偏振分光镜、1/4波片、分色镜以及显微镜物镜，其中：所述加热激光的波长与探测激光的波长不同，所述分色镜用于透过所述探测激光并反射所述加热激光，以使所述加热激光对待测样品进行加热，所述探测激光对加热后的样品表面的温度响应进行探测；所述装置还包括反射镜、平衡光电探测器以及锁相放大器，其中，所述偏振分光镜将部分所述探测激光反射至所述平衡光电探测器并将来自样品的反射光经所述反射镜反射至平衡光电探测器；所述锁相放大器与所述第一连续波激光器和平衡光电探测器连接，用于所述第一连续波激光器的频率调制以及所述平衡光电探测器输出电信号的幅值和相位的测量。
[0006]优选地，所述分色镜的角度可调节，以实现对样品的不同部位进行加热。
[0007]优选地，所述装置还包括滤光片，所述滤光片设于所述反射镜和平衡光电探测器
之间，用于滤除来自样品的反射光中的加热激光。
[0008]优选地，所述探测激光的波长为532am或785nm。
[0009]优选地，所述加热激光的热扩散长度大于或等于其光斑半径的三倍。
[0010]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种上述用于亚毫米级样品面内热导率测量的光学装置的测量方法，所述方法包括：S1：在待测样品的表面涂覆金属膜；S2：调节所述分色镜的角度，使得所述加热激光对所述待测样品表面不同位置进行加热，并记录加热激光和探测激光在不同偏移距离下所述锁相放大器提取的幅值信号和相位信号；S3：将所述相位信号减去该相位信号在加热激光和探测激光零偏移处的值得到基准相位差信号；将所述幅值信号除以该幅值信号在加热激光和探测激光零偏移处的值得到基准归一化幅值信号；S4：将待测样品面内热导率和激光光斑尺寸的预设初始值输入传热模型获取归一化幅值信号，并将所述归一化幅值信号与所述基准归一化幅值信号比对，不断调节激光光斑尺寸直至所述归一化幅值信号与所述基准归一化幅值信号的偏差小于第一预设值，获得准激光光斑尺寸；S5：调节所述面内热导率的值直至所述传热模型获得的相位差信号与所述基准相位差信号的偏差小于第二预设值，获得准面内热导率；S6：将所述准激光光斑尺寸与所述准面内热导率重新输入所述传热模型获得新的归一化幅值信号和相位差信号，重复执行步骤S4～S5，若新得到的准激光光斑尺寸和准面内热导率与上次拟合得到的值的偏差小于预设值则停止迭代，若大于或等于预设值则重复执行步骤S6。
[0011]优选地，所述金属膜的厚度为50～150nm；所述金属膜的热导率小于待测样品的热导率的十倍。
[0012]优选地，当所述探测激光的波长为532nm时，所述金属膜的材料为Mo、Ta或Au中的一种或合金；当所述探测激光的波长为785nm时，所述金属膜的材料为Al、Pt、Ta或NbV中的一种或合金。
[0013]优选地，当测量面内各向异性的材料时，步骤S2中所述分色镜的调节角度至少为三个。
[0014]优选地，所述传热模型为：
[0015][0016]相位信号为：
[0017][0018]幅值信号A为：
[0019]A＝|Z(x
c
，y
c
，ω)|
[0020]其中，u、v为积分变量，w
x
为加热激光和探测激光的平均光斑半径在x方向的值，w
y
为加热激光和探测激光的平均光斑半径在y方向的值，x
c
为探测激光相对于加热激光在x方向偏移的距离，y
c
为探测激光相对于加热激光在y方向偏移的距离，为多层样品结构的格林函数，定义为频域下样品表面施加单位强度热流量所产生的样品表面的温升，为虚数，ω＝2πf，f为加热激光的调制频率。
[0021]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的一种用于亚毫米级样品面内热导率测量的光学装置及测量方法具有如下有益效果：
[0022]1.本申请采用探测激光和加热激光集成使得加热探测一体化，通过准确抽取幅值和相位，进而可以通过传热模型获得面内热导率，极大地扩展激光热反射测量技术对面内热导率的可测量范围，使得面内热导率的可测范围从2000W/(m
·
K)可低至1W/(m
·
K)，同时相对常规热测量技术而言降低对测量样品尺寸的要求，对测量样品的尺寸仅要求其径向直径大于0.1毫米、厚度大于0.1微米。
[0023]2.本申请由可调制的连续波激光器产生一定调制频率的加热激光，由偏振输出的连续波激光器产生探测激光，加热激光被分色镜反射、探测激光穿过分色镜，两者由显微镜物镜聚焦到样品表面，通过调节分色镜的角度使得加热激光在样品表面进行扫描可以实现各向同性和各向异性材料的测量，样品反射回来的探测光由平衡光电探测器接收并转换成电信号，而后由锁相放大器提取出该电信号在调制频率下的幅值和相位，极大的降低了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于亚毫米级样品面内热导率测量的光学装置，其特征在于，所述装置包括：第一连续波激光器(1)，所述第一连续波激光器与信号源连接，用于输出预设频率的加热激光；第二连续波激光器(2)，用于输出偏振态的探测激光，沿所述探测激光的光路上依次设有半波片(7)、偏振分光镜(6)、1/4波片(5)、分色镜(3)以及显微镜物镜(4)，其中：所述加热激光的波长与探测激光的波长不同，所述分色镜(3)用于透过所述探测激光并反射所述加热激光，以使所述加热激光对待测样品进行加热，所述探测激光对加热后的样品表面的温度响应进行探测；所述装置还包括反射镜(12)、平衡光电探测器(9)以及锁相放大器(10)，其中，所述偏振分光镜(6)将部分所述探测激光反射至所述平衡光电探测器(9)并将来自样品的反射光经所述反射镜(12)反射至平衡光电探测器(9)；所述锁相放大器(10)与所述第一连续波激光器(1)和平衡光电探测器(9)连接，用于所述第一连续波激光器(1)的频率调制以及所述平衡光电探测器(9)输出电信号的幅值和相位的测量。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分色镜(3)的角度可调节，以实现对样品的不同部位进行加热。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括滤光片(8)，所述滤光片(8)设于所述反射镜(12)和平衡光电探测器(9)之间，用于滤除来自样品的反射光中的加热激光。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探测激光的波长为532nm或785nm。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加热激光的热扩散长度大于或等于其光斑半径的三倍。6.一种权利要求1～5任意一项所述的用于亚毫米级样品面内热导率测量的光学装置的测量方法，其特征在于，所述方法包括：S1：在待测样品的表面涂覆金属膜；S2：调节所述分色镜(3)的角度，使得所述加热激光对所述待测样品的不同位置进行加热，并记录加热激光和探测激光在不同偏移距离下所述锁相放大器(10)提取的幅值信号和相位信号；S3：将所述相位信号减去该相位信号在加热激光和探测激光零偏移处的值得到基准相位差信号；将所述幅值信号除以该幅值信...

【专利技术属性】
技术研发人员：江普庆，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：