本发明属于热导率测试技术领域，主要涉及超短激光脉冲抽运探测技术，尤其涉及一种基于抽运探测热反射技术的热导率扫描系统。
背景技术：
微纳结构材料已广泛地运用于微电子、光电子等领域，而这些微器件在工作时将产生极高的热流密度，热堆积将直接影响到此类器件的工作效率以及可靠性。解决上述微器件散热问题极为迫切，这需要对组成上述微器件的微纳结构材料的热输运性质进行准确表征，以便揭示其热输运机理。在研究超快热力学过程，常常需要借助超短脉冲激光抽运探测技术。在传统的超短激光脉冲抽运探测系统中，只能测量样品表面独立位置的热导率，而不能得到样品表面指定范围内热导率分布，这导致传统的测量系统无法满足微电子、光电子等领域对大量具有微观结构样品表面指定范围内热导率分布的需求。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于抽运探测热反射技术的热导率扫描系统。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种基于抽运探测热反射技术的热导率扫描系统：脉冲激光器发出的激光经过第一1/2波片后由第一偏振分光棱镜分为两束，分别为激光束一和激光束二；激光束一平行通过第一偏振分光棱镜继续传输，依次经过激光倍频模块、短波通滤光片、激光调制器、短波反射镜后到达冷光镜，其中激光调制器与信号发生器连接；激光束二依次经过长波反射镜、直角反射镜、第二1/2波片、第二偏振分光棱镜、1/4波片后到达冷光镜；激光束一与激光束二汇合后经过物镜到达样品固定架，其中样品固定架固定于三维电动移动台上，三维电动移动台与伺服电机控制器连接，伺服电机控制器与计算机连接；激光束二经过样品反射后依次通过物镜、冷光镜、1/4波片、第二偏振分光棱镜后由凸透镜聚焦至光电探测器，光电探测器与锁相放大器连接，锁相放大器与计算机连接。
优选地，所述三维电动移动台的行程范围大于样品所需扫描的范围，三维电动移动台的移动精度不大于样品所需扫描的分辨率。
优选地，计算机控制所述三维电动移动台在垂直于激光束入射方向的两个维度内移动，每改变一次位置，记录当前位置信息并进行一次抽运探测测量，并相应生成当前位置的抽运探测信号。
优选地，锁相放大器实时采集光电探测器输出的所述抽运探测信号，计算机实时获取锁相放大器的输出信号。
优选地，计算机提取锁相放大器输出信号的幅值信号分量，同时控制三维电动移动台在激光束入射平行方向前后移动，在幅值信号分量最大时停止，此时样品位于物镜的焦平面位置，该过程在每次抽运探测测量前进行。
优选地，抽运探测测量过程中仅线性移动台携带直角反射镜移动，锁相放大器实时采集光电探测器输出的抽运探测信号，线性移动台每改变一次位置计算机记录线性移动台当前位置信息及锁相放大器输出信号，直到线性移动台移动至最大行程位置，然后再次改变三维电动移动台的位置并重复上述过程直到扫描完成设定的样品扫描区域。
优选地，计算机控制三维电动移动台以S型移动，在测量完成一个测量点后横向移动三维电动移动台至左侧或右侧测量点进行测量，在测量完成一行测量点后纵向移动三维电动移动台至上侧或下侧测量点进行测量。
优选地，所述直角反射镜固定于线性移动台上，所述线性移动台与计算机连接。
优选地，所述激光调制器为电光调制器、声光调制器或斩波器光强调制设备。
优选地，所述热导率扫描系统的空间分辨率优于1微米。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明至少具有以下有益效果其中之一：
(1)将样品固定在三维电动移动台上，通过控制三维电动移动台在垂直于激光束入射方向的两个维度内上下左右移动，实现样品表面指定范围内任意点热导率测量；
(2)在每次抽运探测测量前，通过控制三维电动移动台在激光束入射平行方向前后移动，实现全自动精确控制样品位于物镜的焦平面位置；
(3)通过在每次抽运探测测量前控制样品位于物镜的焦平面位置，实现了样品表面指定范围内热导率分布的精密测量。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
【主要元件】
1、脉冲激光器；2、第一1/2波片；3、第一偏振分光棱镜；4、激光倍频模块；5、短波通滤光片；6、激光调制器；7、信号发生器；8、短波反射镜；9、冷光镜；10、物镜；11、线性移动台；12、直角反射镜；13、长波反射镜；14、第二1/2波片；15、第二偏振分光棱镜；16、凸透镜；17、光电探测器；18、1/4波片；19、锁相放大器；20、计算机；21、伺服电机控制器；22、样品固定架；23、三维电动移动台。
具体实施方式
本发明提供的基于抽运探测热反射技术的热导率扫描系统的技术思路是：计算机控制三维电动移动台在垂直于激光束入射方向的两个维度内上下左右移动，每改变一次位置，记录当前位置信息并进行一次抽运探测测量，锁相放大器实时采集光电探测器输出的抽运探测信号，计算机实时获取锁相放大器输出信号，计算机提取锁相放大器输出信号的幅值信号分量，同时控制三维电动移动台在激光束入射平行方向前后移动，在幅值信号分量最大时停止，该过程在每次抽运探测测量前进行。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
在本发明的示例性实施例中，提供了一种基于抽运探测热反射技术的热导率扫描系统。图1为本发明实施例的结构示意图。如图1所示，本发明的基于抽运探测热反射技术的热导率扫描系统包括：脉冲激光器1、第一1/2波片2、第一偏振分光棱镜3、激光倍频模块4、短波通滤光片5、激光调制器6、信号发生器7、短波反射镜8、冷光镜9、物镜10、线性移动台11、直角反射镜12、长波反射镜13、第二1/2波片14、第二偏振分光棱镜15、凸透镜16、光电探测器17、1/4波片18、锁相放大器19、计算机20、伺服电机控制器21、样品固定架22、三维电动移动台23。
脉冲激光器1输出的800nm线偏振激光经过第一1/2波片2后偏振方向发生偏转，然后由第一偏振分光棱镜3分为两束，分别为激光束一和激光束二，偏振方向分别为水平和竖直，激光束一作为抽运光，激光束二作为探测光，调节第一1/2波片2使激光束一和激光束二的功率之比约为50:1，激光束一平行通过第一偏振分光棱镜3继续传输，经过激光倍频模块4后部分激光倍频至400nm波长，然后经过短波通滤光片5将未倍频的800nm波长激光滤除，然后经过激光调制器6，其功率强度被加载频率为MHz级别的信号，该信号来自于信号发生器7，然后被短波反射镜8反射后到达冷光镜9，激光束二依次被第一偏振分光棱镜3、长波反射镜13以及直角反射镜12反射，其中直角反射镜12固定于线性移动台11上，线性移动台11由计算机20控制，然后激光束二经过第二1/2波片14，调整第二1/2波片14使激光束二的偏振方向由竖直变为水平，然后激光束二依次经过第二偏振分光棱镜15、1/4波片18后到达冷光镜9，冷光镜9使激光束一与激光束二混合共线传播，共线光束经过物镜10到达样品固定架22，其中样品固定架22固定于三维电动移动台23上，三维电动移动台23与伺服电机控制器21连接，激光束二经过样品反射后依次通过物镜10、冷光镜9和1/4波片18后到达第二偏振分光棱镜15，激光束二两次通过1/4波片18后偏振方向由水平变为竖直并被第二偏振分光棱镜15反射，然后通过凸透镜16聚焦在光电探测器17的感应区域，其功率强度被转换为输出电压值，锁相放大器19将电压信号中与信号发生器7输出信号同频率的信号分量分离并采集，锁相放大器19与计算机20连接，锁相放大器19实时采集光电探测器17输出的抽运探测信号，计算机20实时获取锁相放大器19输出信号并提取幅值信号分量，伺服电机控制器21与计算机20连接，计算机20控制三维电动移动台23在垂直于激光束入射方向的两个维度内上下左右移动，三维电动移动台23每改变一次位置，记录当前位置信息并进行一次抽运探测测量，在抽运探测测量前，控制三维电动移动台23在激光束入射平行方向前后移动，在幅值信号分量最大时停止，此时，样品位于物镜10的焦平面位置，抽运探测测量过程中仅线性移动台11携带直角反射镜12移动，锁相放大器19实时采集光电探测器17输出的抽运探测信号，线性移动台11每改变一次位置计算机20记录线性移动台11当前位置信息及锁相放大器19输出信号，直到线性移动台11移动至最大行程位置，然后再次改变三维电动移动台23的位置并重复上述过程直到扫描完成设定的样品扫描区域。
锁相放大器19输出信号的幅值信号分量最大时样品位于物镜10的焦平面位置，因此可以通过控制三维电动移动台23在激光束入射平行方向前后移动使幅值信号分量最大化的方式全自动实现精确控制样品位于物镜10的焦平面位置。
计算机20控制三维电动移动台23以类似于原子力显微镜的扫描方式S型移动，在测量完成一个测量点后横向移动三维电动移动台23至左侧或右侧测量点进行测量，在测量完成一行测量点后纵向移动三维电动移动台23至上侧或下侧测量点进行测量，最终通过扫描被测量区域全部测量点形成样品表面热导率分布图。
热导率数据根据锁相放大器19采集的数据计算得出。热导率扫描系统的空间扫描分辨率与三维电动移动台23的移动精度相同，对于所选三维电动移动台，空间扫描分辨率可优于1微米。
脉冲激光器1用于输出线偏振脉冲激光，采用Mai Tai BB钛蓝宝石飞秒振荡激光器，脉冲宽度小于1ps，优选小于80fs，波长范围710–990nm，平均功率大于1.5W。
第一1/2波片2用于调整脉冲激光器输出线偏振脉冲激光的偏振方向，采用Thorlabs WPH05M-808零级1/2波片。
第一偏振分光棱镜3用于将脉冲激光分成偏振方向互相垂直的两束激光，分别为激光束一和激光束二，激光束一为水平偏振，激光束二为竖直偏振，采用Thorlabs PBS052偏振分束立方体。
激光倍频模块4用于将激光束一的激光频率加倍波长减半，采用BIBO倍频晶体，激光倍频模块中最佳输入波长应与脉冲激光器的输出波长一致。
短波通滤光片5用于滤除激光束一中未倍频的激光，采用Thorlabs FESH0500硬质涂层短波通滤光片。
激光调制器6用于将特定频率特定波形的信号加载至激光束一，可为电光调制器、声光调制器或采用斩波器光强调制设备，优选采用电光调制器，并具体为Conoptics M350-160电光调制器。
信号发生器7用于产生激光调制器所需的特定频率特定波形的信号，采用Keysight 33509B波形发生器。
短波反射镜8用于通过反射改变激光束一的传播方向，采用Thorlabs BB05-E02平面反射镜。
长波反射镜13用于通过反射改变激光束二的传播方向，采用Thorlabs BB05-E03平面反射镜。
直角反射镜12用于通过反射使激光束二的传播方向与原方向平行且相反，采用Newport UBBR2.5-5S直角反射镜，其反射平行度优于5弧秒。
线性移动台11用于携带直角反射镜运动，调整激光束二的光程，采用Newport M-IMS600PP线性移动台。
第二1/2波片14用于调整激光束二的偏振方向，采用Thorlabs WPH05M-808零级1/2波片。
冷光镜9用于反射激光束一，透射激光束二，使激光束一与激光束二混合，实现共线抽运探测，采用Thorlabs FM04冷镜。
物镜10用于聚焦激光束一与激光束二，采用Edmund 10X EO M Plan Apo物镜。
1/4波片18用于调整激光束二的偏振方向，采用Thorlabs WPQ05M-808零级1/4波片。
第二偏振分光棱镜15用于通过反射改变激光束二的传播方向，采用Thorlabs PBS052偏振分束立方体。
凸透镜16用于聚焦激光束二，以及与物镜构成显微成像系统，采用Thorlabs LA1461平凸透镜。
光电探测器17用于将激光束二的能量强度转换为输出电压强度，其输入的波长应根据脉冲激光器的输出波长选择以保证最大输出信号，优选采用Thorlabs PDA36A硅基跨阻放大光电探测器。
锁相放大器19用于采集光电探测器输出电压信号中与信号发生器输出信号同频率的信号分量，其输入频率范围覆盖激光调制器的信号范围，优选采用Stanford Research SR844锁相放大器。
样品固定架22用于固定被测量的样品；三维电动移动台23用于携带样品固定架移动，调整样品与物镜的相对位置，采用Thorlabs PT3/M-Z8三轴电动位移台，其行程范围大于样品所需扫描的范围，优选行程25mm，并且移动精度不大于样品所需扫描的分辨率。
伺服电机控制器21用于驱动三维电动移动台移动，采用Thorlabs KDC101 K型立方体有刷DC伺服电机控制器。
计算机20用于控制伺服电机控制器和线性移动台，记录锁相放大器采集的信号及线性移动台和三维电动移动台的位置。
本发明将样品固定在三维电动移动台上，通过伺服电机控制器与计算机连接，计算机同时获取锁相放大器采集到的数据，通过对数据的处理分析结果控制三维电动移动台的移动，可以实现以下两个目的：实现全自动控制样品表面位于物镜焦平面位置，实现样品表面指定范围内任意点热导率测量，两者结合实现样品表面指定范围内热导率分布的精密测量。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)直角反射镜还可以采用普通反射镜正交放置形式；
(2)锁相放大器可以用高速数据采集卡配合锁相软件来代替；
还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
再者，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚区分。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。