时域热反射测量系统（TDTR）的典型光路介绍

2024-09-03 17:10:54 49阅读次数

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时域热反射技术（TDTR）是一种高精度、高时间分辨率的热物性测量技术，主要用于研究各种材料的热物性，包括单层膜、多层膜、液体材料的热导率、热容，以及固-固材料界面、固-液材料界面，微结构界面热导；及各种微结构热物性等，从而帮助科研人员更好地理解材料的热传输特性。本文主要对飞秒激光时域热反射测量系统（TDTR）的典型光路即组成进行了介绍。

1，泵浦探测技术

泵浦-探测技术(Pump-Probe Technique)是一种时间分辨光谱技术，广泛用于研究材料的电子、振动和光学性质。这项技术通过精确控制时间，可以捕捉材料在不同时间点的动态变化，因此在纳米材料的热传输和能量转移研究中尤为重要。

基于泵浦-探测技术，发展出了一系列实验技术，如瞬态热反射(Transient Thermo-reflectance, TTR)、时域热反射(Time-Domain Thermo-reflectance, TDTR)、频域热反射(Frequency-Domain Thermo-reflectance, FDTR)和热透射显微镜(Photothermal Microscopy)。这些技术各有特点，适用于不同的研究场景。

2，时域热反射技术（TDTR）

时域热反射技术（TDTR）是一种高精度、高时间分辨率的光热技术，用于测量材料的热物性参数，如热导率、热扩散率和界面热阻。

时域热反射技术（TDTR）基本原理如下：

①泵浦脉冲加热：首先，一个强激光脉冲（泵浦脉冲）照射到材料表面，瞬间加热样品。这种加热过程非常短暂，通常在皮秒（ps，10^-12秒）量级。通常情况下，样品表面会镀上一层薄金属膜作为传感器，当温度升高时，金属膜的反射率会发生线性变化。

②探测脉冲测量：然后，一个弱激光脉冲（探测脉冲）在不同时间延迟下照射同一位置，测量探测脉冲的反射光强度，以获取材料反射率的变化。

③数据分析：通过分析反射率变化曲线，结合热传导模型进行数据拟合，从而提取样品的热导率、热扩散率、热容、界面热阻（界面热导）等参数。

3，时域热反射技术（TDTR）的典型光路图

如下以昊远精测的Pioneer-ONE：飞秒激光时域热反射测量系统为例介绍TDTR系统的典型光路：

图（1）双波长热反射泵浦探测系统结构示意图

Pioneer-ONE TDTR时域热反射系统的结构如图（1）所示，其核心部分是一台飞秒光纤激光器，该激光器提供系统的输入光源，波长为1064nm，脉冲宽度为100 fs，重复频率为80 MHz，发出的是线偏振光。为了防止背反射导致系统不稳定或激光器损坏，激光首先通过一个光隔离器(optical isolator)。

接下来，激光通过一个由1/2波片(1/2 Waveplate)和偏振分束器(Polarizing beam splitter)组成的分光结构，分为两束：泵浦激光和探测激光。1/2 波片可以用来调节泵浦探测两路的分光比例。

泵浦激光路径：

①泵浦激光经过一台美国Conoptics公司的电光调制器(Electro-Optic Modulator, EOM)，其强度被加载ωr频率的调制，ωr同时也作为锁相放大器的参考信号使用。

②泵浦激光随后经过BBO晶体进行倍频，经过晶体之后，激光变成了包含1064nm（基频成分）+532nm（倍频成分）的双色光。

③经过倍频晶体的激光经过冷光镜(Cold Mirror)滤波，基频光被基本滤除。Red filter进一步滤除泵浦激光中的基频光，减少其对探测信号的影响。

探测激光路径：

①探测激光首先经过延迟平台(delay Stage)，控制光程，以调节泵浦脉冲和探测脉冲到达样品表面的时间间隔。延迟平台的步进精度决定了测量的时间分辨率（在其不小于脉宽的情况下），行程决定了可测量的总延迟量（在其不大于脉冲间隔的情况下）。

②为减少光束发散的影响，在探测激光经过延迟平台前，使用扩束装置(beam expander)放大光束，减少发散角。

合束及检测：

①处理后的泵浦激光和探测激光通过冷光镜(Cold Mirror)合束，并通过一个光学物镜共同聚焦在样品表面。

②探测激光在样品表面反射后，通过偏振分束器和四分之一波片(1/4 Waveplate)进行分离。探测激光在延迟平台后为水平偏振方向，完全通过偏振分束器，到达样品前后经过四分之一波片，偏振方向由水平变为竖直，在返回至偏振分束器时被完全反射。

③由于探测激光信号非常微弱，少量泵浦激光到达光电探测器会严重影响测量结果。因此，在光电探测器前放置蓝光滤光片(Blue Filter)，对波长为532nm的泵浦光进行再次滤波，有效去除其对探测光的干扰。