本發(fā)明屬于熱導(dǎo)率測(cè)試技術(shù)，涉及超短激光脈沖抽運(yùn)探測(cè)技術(shù)，尤其涉及一種顯微可視化抽運(yùn)探測(cè)熱反射系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

微納結(jié)構(gòu)材料已廣泛地運(yùn)用于微電子、光電子等領(lǐng)域，而這些微器件在工作時(shí)將產(chǎn)生極高的熱流密度，熱堆積將直接影響到此類(lèi)器件的工作效率以及可靠性。解決上述微器件散熱問(wèn)題極為迫切，這需要對(duì)組成上述微器件的微納結(jié)構(gòu)材料的熱輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確表征，以便揭示其熱輸運(yùn)機(jī)理。在研究超快熱輸運(yùn)過(guò)程，常常需要借助超短脈沖激光抽運(yùn)探測(cè)技術(shù)。在傳統(tǒng)的超短激光脈沖抽運(yùn)探測(cè)系統(tǒng)中，樣品的測(cè)量位置只能粗略的估計(jì)，這導(dǎo)致傳統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)只能對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、表面性質(zhì)均一的樣品進(jìn)行熱導(dǎo)率表征，而對(duì)于微電子、光電子等領(lǐng)域大量具有微觀結(jié)構(gòu)樣品不同區(qū)域或結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率精密表征存在極大的困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

本發(fā)明提供了一種顯微可視化抽運(yùn)探測(cè)熱反射系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提供了一種顯微可視化抽運(yùn)探測(cè)熱反射系統(tǒng)，脈沖激光器發(fā)出的線偏振激光經(jīng)過(guò)第一1/2波片后由第一偏振分光棱鏡分為兩束，分別為激光束一和激光束二；激光束一通過(guò)第一偏振分光棱鏡沿原線偏振激光傳輸方向繼續(xù)傳輸，依次經(jīng)過(guò)激光倍頻模塊、短波通濾光片、激光調(diào)制器、短波反射鏡后到達(dá)電控冷光鏡；激光束二依次經(jīng)過(guò)長(zhǎng)波反射鏡、直角反射鏡、第二1/2波片、第二偏振分光棱鏡、1/4波片后到達(dá)電控冷光鏡；激光束一與激光束二匯合后經(jīng)過(guò)物鏡到達(dá)樣品固定架，激光束二經(jīng)過(guò)樣品固定架上的樣品反射后依次通過(guò)物鏡、電控冷光鏡、1/4波片、第二偏振分光棱鏡、凸透鏡后由分束鏡分為兩束，分別為激光束三和激光束四；激光束三到達(dá)光電探測(cè)器，光電探測(cè)器與鎖相放大器連接；激光束四到達(dá)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)與計(jì)算機(jī)連接。

優(yōu)選地，所述電控冷光鏡，用于反射激光束一，透射激光束二，使激光束一與激光束二混合并調(diào)節(jié)混合光束通過(guò)物鏡后聚焦光斑的相對(duì)位置。

優(yōu)選地，信號(hào)發(fā)生器連接激光調(diào)制器，激光調(diào)制器將信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)加載至激光束一。

優(yōu)選地，所述計(jì)算機(jī)通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法識(shí)別出數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍攝圖像中的抽運(yùn)與探測(cè)光斑，控制電控冷光鏡發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)，改變抽運(yùn)光斑的位置，使抽運(yùn)與探測(cè)光斑精確重合。

優(yōu)選地，所述激光調(diào)制器為電光調(diào)制器、聲光調(diào)制器或斬波器光強(qiáng)調(diào)制設(shè)備。

優(yōu)選地，所述直角反射鏡的反射平行度優(yōu)于5arc sec。

優(yōu)選地，所述電控冷光鏡的角度調(diào)節(jié)精度優(yōu)于1微弧度。

優(yōu)選地，所述分束鏡的分光比例為50∶50。

優(yōu)選地，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的感光元件位于凸透鏡的焦平面位置，物鏡與凸透鏡構(gòu)成光學(xué)共軛關(guān)系，物鏡、凸透鏡、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)及計(jì)算機(jī)共同構(gòu)成顯微可視化子系統(tǒng)。

優(yōu)選地，通過(guò)鎖相放大器采集的數(shù)據(jù)計(jì)算樣品熱導(dǎo)率。

(三)有益效果

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的顯微可視化抽運(yùn)探測(cè)熱反射系統(tǒng)具有以下有益效果：

本發(fā)明在光電探測(cè)器前加入分束鏡，將樣品表面反射的光線反射至數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，凸透鏡與物鏡為光學(xué)共軛關(guān)系，樣品表面可在數(shù)字?jǐn)z像機(jī)感光元件上成實(shí)像從而被拍攝，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍攝的圖像通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示，物鏡、凸透鏡、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)及計(jì)算機(jī)共同構(gòu)成顯微可視化子系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)識(shí)別出數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍攝圖像中的抽運(yùn)與探測(cè)光斑，控制電控冷光鏡發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)，改變抽運(yùn)光斑的位置，使抽運(yùn)與探測(cè)光斑精確重合，可以消除由于環(huán)境溫度變化，光學(xué)元件應(yīng)力以振動(dòng)引起的光斑重合度降低問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)中該過(guò)程通常由人工完成，效率和精確度低，而本發(fā)明通過(guò)計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)光斑重合度控制，自動(dòng)化程度高，控制精度大為提高，通過(guò)該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)觀察樣品表面的微觀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量位置的精密控制和微觀結(jié)構(gòu)熱導(dǎo)率的精密測(cè)量。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的顯微可視化抽運(yùn)探測(cè)熱反射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

符號(hào)說(shuō)明

1-脈沖激光器；2-第一1/2波片；3-第一偏振分光棱鏡；4-激光倍頻模塊；5-短波通濾光片；6-激光調(diào)制器；7-信號(hào)發(fā)生器；8-短波反射鏡；9-線性移動(dòng)臺(tái)；10-直角反射鏡；11-計(jì)算機(jī)；12-長(zhǎng)波反射鏡；13-數(shù)字?jǐn)z像機(jī)；14-光電探測(cè)器；15-分束鏡；16-凸透鏡；17-鎖相放大器；18-電控冷光鏡；19-第二1/2波片；20-第二偏振分光棱鏡；21-1/4波片；22-三維移動(dòng)臺(tái)；23-樣品固定架；24-物鏡。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供的顯微可視化抽運(yùn)探測(cè)熱反射系統(tǒng)，在光電探測(cè)器前加入分束鏡，凸透鏡與物鏡為光學(xué)共軛關(guān)系，樣品表面可在數(shù)字?jǐn)z像機(jī)感光元件上成實(shí)像從而被拍攝，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍攝的圖像通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示，物鏡、凸透鏡、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)及計(jì)算機(jī)共同構(gòu)成顯微可視化子系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法識(shí)別出數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍攝圖像中的抽運(yùn)與探測(cè)光斑，控制電控冷光鏡發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)，改變抽運(yùn)與探測(cè)光斑的位置，使抽運(yùn)與探測(cè)光斑實(shí)時(shí)精確重合。

為使本發(fā)明的目的、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?qǐng)D1，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明的顯微可視化抽運(yùn)探測(cè)熱反射系統(tǒng)包括以下部件，各部件的具體型號(hào)僅是進(jìn)行示例性說(shuō)明，并不以此為限。

脈沖激光器，采用Mai Tai BB鈦藍(lán)寶石飛秒振蕩激光器，脈沖寬度小于1ps，優(yōu)選小于80fs，波長(zhǎng)范圍710-990nm，平均功率大于1.5W；

第一1/2波片，采用Thorlabs WPH05M-808零級(jí)1/2波片；

第一偏振分光棱鏡，采用Thorlabs PBS052偏振分束立方體；

激光倍頻模塊，采用BIBO倍頻晶體，激光倍頻模塊中最佳輸入波長(zhǎng)應(yīng)與脈沖激光器的輸出波長(zhǎng)一致；

短波通濾光片，采用Thorlabs FESH0500硬質(zhì)涂層短波通濾光片；

激光調(diào)制器，可為電光調(diào)制器、聲光調(diào)制器或采用斬波器光強(qiáng)調(diào)制設(shè)備，優(yōu)選采用電光調(diào)制器，并具體為Conoptics M350-160電光調(diào)制器；

信號(hào)發(fā)生器，采用Keysight 33509B波形發(fā)生器；

短波反射鏡，采用Thorlabs BB05-E02平面反射鏡；

長(zhǎng)波反射鏡，采用Thorlabs BB05-E03平面反射鏡；

直角反射鏡，反射平行度應(yīng)優(yōu)于5arc sec，優(yōu)選采用Newport UBBR2.5-5S直角反射鏡；

線性移動(dòng)臺(tái)，采用Newport M-IMS600PP線性移動(dòng)臺(tái)；

第二1/2波片，采用Thorlabs WPH05M-808零級(jí)1/2波片；

電控冷光鏡，采用Thorlabs FM04冷光鏡安裝在Thorlabs KC1-PZ/M壓電調(diào)節(jié)光學(xué)調(diào)整架，角度調(diào)節(jié)精度優(yōu)于1微弧度；

物鏡，采用Edmund 10X EO M Plan Apo物鏡；

三維移動(dòng)臺(tái)，采用Thorlabs PT3/M XYZ位移臺(tái)；

1/4波片，采用Thorlabs WPQ05M-808零級(jí)1/4波片；

第二偏振分光棱鏡，采用Thorlabs PBS052偏振分束立方體；

凸透鏡，采用Thorlabs LA1461平凸透鏡；

分束鏡，采用Thorlabs EBS1 50∶50分束器；

光電探測(cè)器，其輸入的波長(zhǎng)應(yīng)根據(jù)脈沖激光器的輸出波長(zhǎng)選擇以保證最大輸出信號(hào)，優(yōu)選采用Thorlabs PDA36A硅基跨阻放大光電探測(cè)器；

鎖相放大器，其輸入頻率范圍覆蓋激光調(diào)制器的信號(hào)范圍，優(yōu)選采用Stanford Research SR844鎖相放大器；

數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，其不含鏡頭且感光元件分辨率不低于1280x1024采用Thorlabs DCC1545M CMOS相機(jī)；

本發(fā)明的顯微可視化抽運(yùn)探測(cè)熱反射系統(tǒng)包括：脈沖激光器1；第一1/2波片2；第一偏振分光棱鏡3；激光倍頻模塊4；短波通濾光片5；激光調(diào)制器6；信號(hào)發(fā)生器7；短波反射鏡8；線性移動(dòng)臺(tái)9；直角反射鏡10；計(jì)算機(jī)11；長(zhǎng)波反射鏡12；數(shù)字?jǐn)z像機(jī)13；光電探測(cè)器14；分束鏡15；凸透鏡16；鎖相放大器17；電控冷光鏡18；第二1/2波片19；第二偏振分光棱鏡20；1/4波片21；三維移動(dòng)臺(tái)22；樣品固定架23；物鏡24。

沿脈沖激光器1光軸方向依次設(shè)置第一1/2波片2、第一偏振分光棱鏡3、激光倍頻模塊4、短波通濾光片5、激光調(diào)制器6和短波反射鏡8；脈沖激光器1輸出的800nm線偏振激光經(jīng)過(guò)第一1/2波片2后偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，然后由第一偏振分光棱鏡3分為兩束，分別為激光束一和激光束二，偏振方向分別為水平和豎直，調(diào)節(jié)第一1/2波片2使激光束一和激光束二的功率之比約為50∶1，激光束一通過(guò)第一偏振分光棱鏡3沿原線偏振激光的傳播方向繼續(xù)傳輸，經(jīng)過(guò)激光倍頻模塊4后部分激光被倍頻至400nm波長(zhǎng)，然后經(jīng)過(guò)短波通濾光片5將未倍頻的800nm波長(zhǎng)激光濾除，在激光調(diào)制器6中，400nm波長(zhǎng)激光的功率強(qiáng)度被加載信號(hào)發(fā)生器7的頻率為MHz級(jí)別的輸出信號(hào)，然后被短波反射鏡8反射后到達(dá)電控冷光鏡18。

激光束二被第一偏振分光棱鏡3偏轉(zhuǎn)，并依次被長(zhǎng)波反射鏡12以及直角反射鏡10反射，其中直角反射鏡10固定于線性移動(dòng)臺(tái)9上，線性移動(dòng)臺(tái)9由計(jì)算機(jī)控制，然后激光束二經(jīng)過(guò)第二1/2波片19，調(diào)整第二1/2波片19使激光束二的偏振方向由豎直變?yōu)樗剑缓蠹す馐来谓?jīng)過(guò)第二偏振分光棱鏡20、1/4波片21后到達(dá)電控冷光鏡18，電控冷光鏡18使激光束一與激光束二混合共線傳播形成共線光束，共線光束經(jīng)過(guò)物鏡24到達(dá)樣品固定架23，其中樣品固定架23固定于三維移動(dòng)臺(tái)22上，調(diào)整樣品固定架23使樣品位于物鏡24的焦平面位置，激光束一經(jīng)過(guò)樣品反射后原路返回，激光束二經(jīng)過(guò)樣品反射后依次通過(guò)物鏡24、電控冷光鏡18和1/4波片21后到達(dá)第二偏振分光棱鏡20，激光束二第二次通過(guò)1/4波片21后偏振方向由水平變?yōu)樨Q直并被第二偏振分光棱鏡20反射，然后依次通過(guò)凸透鏡16和分束鏡15，分束鏡15將激光束二分為兩束，分別為激光束三和激光束四，激光束三到達(dá)光電探測(cè)器14，其功率強(qiáng)度被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，鎖相放大器17分離電壓信號(hào)中與信號(hào)發(fā)生器7輸出信號(hào)同頻率的信號(hào)分量并采集數(shù)據(jù)，激光束四到達(dá)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)13，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)13拍攝的圖像通過(guò)計(jì)算機(jī)11實(shí)時(shí)顯示，計(jì)算機(jī)11通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法識(shí)別出數(shù)字?jǐn)z像機(jī)13拍攝圖像中的抽運(yùn)與探測(cè)光斑，控制電控冷光鏡18發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)，改變抽運(yùn)光斑的位置，使抽運(yùn)與探測(cè)光斑精確重合，通過(guò)鎖相放大器17采集的數(shù)據(jù)計(jì)算得出樣品熱導(dǎo)率。

樣品位于物鏡24的焦平面位置，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)13的感光元件位于凸透鏡16的焦平面位置，物鏡24與凸透鏡16構(gòu)成光學(xué)共軛關(guān)系，物鏡、凸透鏡、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)及計(jì)算機(jī)共同構(gòu)成顯微可視化子系統(tǒng)。

顯微可視化子系統(tǒng)的放大倍數(shù)為凸透鏡16焦距與物鏡24焦距的比值，對(duì)于所選原件該顯微可視化子系統(tǒng)的放大倍數(shù)為12.5倍。

顯微可視化子系統(tǒng)的分辨率為數(shù)字?jǐn)z像機(jī)13感光元件的點(diǎn)距與放大倍數(shù)的比值，對(duì)于所選原件該顯微可視化子系統(tǒng)的分辨率約為0.4微米。

熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)鎖相放大器17采集的數(shù)據(jù)計(jì)算得出。

至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)本發(fā)明的顯微可視化抽運(yùn)探測(cè)熱反射系統(tǒng)有了清楚的認(rèn)識(shí)。

需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書(shū)正文中，未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。此外，上述對(duì)各元件的定義并不僅限于實(shí)施例中提到的各種方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單地更改或替換，例如：

(1)實(shí)施例中提到的方向用語(yǔ)，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍；

(2)上述實(shí)施例可基于設(shè)計(jì)及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實(shí)施例混合搭配使用，即不同實(shí)施例中的技術(shù)特征可以自由組合形成更多的實(shí)施例。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。