用于相变材料的拉曼测试装置及方法与流程

本申请涉及光子神经形态计算，具体而言，涉及一种用于相变材料的拉曼测试装置及方法。

背景技术：

1、光子神经形态计算技术是在光域上进行神经形态计算数据处理的技术，既能够充分发挥光子高速传输、低功耗、高并行度的优势，又能够避免光电和电光转换带来的额外时间功耗开销，具有很大的研究和应用价值。在该领域内，相变材料(phase-changematerials,pcms)作为一种具有高折射率对比度和非易失特性的光学材料，可在光、电、热等激励作用下进行折射率的连续调节，为非易失光子神经形态计算提供了一种可行的解决方案，成为当前的研究热点。

2、相变材料的特性在于其具有动态可调的光、电、磁等物理性质，这是由于相变材料在外界的刺激下可以产生晶格状态的变化，通常是在非晶态和晶态之间变化，其两态具有完全不同的物理特性，因此能够提供在逻辑态上可区分的对比状态。在相变材料发生受到外部电、光、热等激励作用时，其晶格结构能在非晶态(完全无序)和晶态(完全有序)两个状态之间切换，表现出明显的折射率、电阻率等外部特性差异。以gst材料为例，当它处于非晶态时，晶格结构处于完全无序状态，光折射率、消光系数、电导率都比较低。当处于晶态时，晶格结构处于完全有序状态，光折射率、消光系数、电导率都比较高。利用这两种状态间的差异，就可以设计实现存储和计算应用。

3、激光直写技术是一种将激光束会聚成极小尺寸的光点，对光敏或热敏的薄膜材料进行作用，使薄膜材料的性质特征发生变化的技术。利用脉冲光对相变材料进行激励，实现非晶态与晶态之间的可重构。当晶态的相变材料受到一个短而高的脉冲激励时，材料内部结构被高能量的脉冲打乱并且在迅速降温的过程中转化为非晶态。当非晶态的相变材料受到一个长而低的脉冲激励时，材料被融化，在缓慢降温的过程中晶格有序排列重新形成晶态。

4、对于相变材料相变态的表征最常用的方法有两种：一种是x射线衍射法(xrd)，通过相变材料的x射线判定其相变程度，当晶体样本被x射线照射时，由于x射线的波长与晶体原子间距具有相同数量级，所以能够在满足布拉格公式的晶面方向上产生强衍射现象，通过分析衍射强度的分布可以反映出晶体内部晶格结构的特征；另一种是通过获取不同相变态下的光学常数，薄膜材料的光学常数通常可以通过两种方法获得：一是使用椭圆光谱仪，通过测量偏振光在薄膜上反射或透射时出现的偏振态的变化来计算光学常数；二是通过对反射率和透射率的测量，如果已知薄膜厚度，就可以通过对反射光谱或透射光谱的拟合计算出光学常数。

5、但是，以上两种方式操作复杂，需通过多步数据处理才能获得结果，操作性不强，难以在相变材料的相变过程中及时确定相变程度。

技术实现思路

1、为了解决上述问题中的至少一个，本申请提出一种用于相变材料的拉曼测试装置及方法。

2、根据本申请的第一方面，本申请的至少一个实施例提供了一种用于相变材料的拉曼测试装置，包括：激光系统，用于在第一时刻出射激励光，以使所述相变材料产生相变，并用于在第二时刻出射激发光，以激发所述相变材料产生拉曼信号，其中，所述激励光的光强大于所述激发光的光强；检测系统，用于获取所述拉曼信号，以确定所述相变材料的相变程度。

3、例如，在本申请的一些实施例中，所述激光系统包括：激光直写单元，用于在所述第一时刻出射所述激励光，以及在所述第二时刻出射所述激发光；第一分光器，用于反射所述激励光和所述激发光；物镜，用于接收所述激励光和所述激发光，以垂直入射至所述相变材料，以使所述相变材料产生相变和激发所述相变材料产生拉曼信号。

4、例如，在本申请的一些实施例中，所述激光系统包括：激光直写单元，用于在所述第一时刻出射所述激励光；激光器，用于在所述第二时刻出射所述激发光；激光直准器，用于将所述激发光调制成平行光；第二分光器，用于反射所述平行光；第一分光器，用于反射所述激励光和经所述第二分光器反射的平行光；物镜，用于接收所述第一分光器反射的激励光和平行光，以垂直入射至所述相变材料，使所述相变材料产生相变和激发所述相变材料产生拉曼信号，其中，所述激励光和所述激发光在所述相变材料上重合。

5、例如，在本申请的一些实施例中，所述检测系统包括：滤光片，用于过滤所述相变材料反射的所述激励光和所述激发光，使得所述拉曼信号透过；光谱仪，用于获取所述拉曼信号的拉曼光谱，以确定所述相变材料的相变程度。

6、例如，在本申请的一些实施例中，所述检测系统还包括：第一透镜，用于聚焦所述滤波片过滤后的拉曼信号，并出射至所述光谱仪。

7、例如，在本申请的一些实施例中，所述检测系统还包括：空间滤波器，用于探测被所述第一透镜聚焦的所述拉曼信号，并滤除光噪声，所述空间滤波器包括：针孔光阑；第二透镜，用于接收经过所述空间滤波器的拉曼信号，并出射至所述光谱仪。

8、例如，在本申请的一些实施例中，所述检测系统还包括：光纤耦合器，用于耦合所述滤波片过滤后的拉曼信号，并将所述拉曼信号传输至所述光谱仪。

9、例如，在本申请的一些实施例中，还包括：样品台，用于放置所述相变材料，并根据设定时间进行移动，以使所述激励光和所述激发光照射于所述相变材料的不同位置。

10、例如，在本申请的一些实施例中，还包括：振镜系统，包括：x轴振镜，用于接收调节指令，以改变所述激励光和所述激发光的出射的x轴的位置；y轴振镜，用于接收调节指令，以改变所述激励光和所述激发光的出射的y轴的位置；所述物镜，用于接收改变x轴和y轴位置后的所述激励光和所述激发光，以垂直入射至所述相变材料，使所述激励光和所述激发光照射于所述相变材料的不同位置。

11、根据本申请的第二方面，本申请的至少一个实施例提供了一种用于相变材料的拉曼测试方法，由如第一方面中任一项所述的拉曼测试装置执行，所述拉曼测试方法包括：在第一时刻出射激励光，以使所述相变材料产生相变；在第二时刻出射激发光，以激发所述相变材料产生拉曼信号；获取所述拉曼信号，以确定所述相变材料的相变程度。

12、例如，在本申请的一些实施例中，还包括：移动所述相变材料的位置，或者使用振镜系统移动所述激励光和所述激发光，以使所述激励光和所述激发光照射于所述相变材料的不同位置。

13、通过上述示例实施例，本申请提供的一种用于相变材料的拉曼测试装置及方法，可以在相变过程中，通过拉曼信号实时反馈相变程度，在不影响激光直写的情况下实现原位的材料性质检测，在对相变材料的进行相变激励的过程中实时检测相变程度，操作简单，反馈实时，且可以通过光谱的对比直观反馈结果，操作性强，是一种快速并且无损的材料表征手段，具有较高的光谱分辨率和空间分辨率。

14、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

技术特征：

1.一种用于相变材料的拉曼测试装置，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的拉曼测试装置，其特征在于，所述激光系统包括：

3.如权利要求1所述的拉曼测试装置，其特征在于，所述激光系统包括：

4.如权利要求1所述的拉曼测试装置，其特征在于，所述检测系统包括：

5.如权利要求4所述的拉曼测试装置，其特征在于，所述检测系统还包括：

6.如权利要求5所述的拉曼测试装置，其特征在于，所述检测系统还包括：

7.如权利要求4所述的拉曼测试装置，其特征在于，所述检测系统还包括：

8.如权利要求1所述的拉曼测试装置，其特征在于，还包括：

9.如权利要求2所述的拉曼测试装置，其特征在于，所述激光系统还包括：

10.一种用于相变材料的拉曼测试方法，其特征在于，由如权利要求1-9中任一项所述的拉曼测试装置执行，所述拉曼测试方法包括：

11.如权利要求10所述的拉曼测试方法，其特征在于，还包括：

技术总结
本申请提供一种用于相变材料的拉曼测试装置及方法，涉及光子神经形态计算技术领域。拉曼测试装置包括：激光系统，用于在第一时刻出射激励光，以使所述相变材料产生相变，并用于在第二时刻出射激发光，以激发所述相变材料产生拉曼信号，其中，所述激励光的光强大于所述激发光的光强；检测系统，用于获取所述拉曼信号，以确定所述相变材料的相变程度。本申请提供的拉曼测试装置可以在相变过程中，通过拉曼信号实时反馈相变程度，在不影响激光直写的情况下实现原位的材料性质检测。

技术研发人员：牛秉慧,董星辰,范静涛
受保护的技术使用者：启元实验室
技术研发日：
技术公布日：2025/4/14