專利名稱：薄膜光熱性能的測量裝置和測量方法
技術領域：
本發明涉及薄膜測量，特別是一種薄膜光熱性能的測量裝置和測量方法。
背景技術：
表面熱透鏡技術原理圖如圖2所示。強度調制的基模泵浦激光匯聚入射到薄膜樣品的表面，薄膜吸收熱量形成熱波并擴散到基底上引起薄膜系統的溫升，進而導致熱膨脹形成表面熱包，熱包的縱向高度隨著泵浦激光的強度變化，徑向高度可視為呈高斯分布。這種現象也被稱為“光熱形變”。一束探測激光照射到熱包表面上，熱包位于探測光斑的中心且小于探測光斑。受熱包的影響，反射探測激光光強將充分分布，這種現象被稱為“表面熱透鏡效應”。表面熱透鏡信號定義為泵浦激光照射前后反射探測激光中心光強的差值。理論和實驗證明，當樣品表面光熱形變很小時，對于滿足熱薄(薄膜厚度遠小于其擴散長度)條件且基底吸收可忽略的薄膜樣品，表面熱透鏡信號與薄膜的吸收率成正比。因此，表面熱透鏡技術通常被作為測量薄膜樣品微弱吸收的一種方法，其探測靈敏度可以達到PPm量級， 遠遠高于常規測量方法。常規的表面熱透鏡測量平臺與圖1類似，只是缺少了縮束系統，聚焦透鏡，以及是機械斬波器而非聲光調制器。然而隨著對激光損傷機理和鍍膜工藝等方面研究的不斷深入，僅僅測量出薄膜整體的吸收率已經越來越不能滿足實際的需求。目前國外很多的研究都把研究興趣放在了測量薄膜的其他光熱性質，如薄膜的熱導率等。例如如果能夠測量出薄膜的熱導率，那么將極大地推進激光損傷的微觀機制研究。在測量薄膜熱導率方向，國外已經有了很多的測量數據，雖然結果不盡相同，但都有各自的參考意義，能夠在一定程度上輔助和推進理論和鍍膜工藝的進步。但是應用傳統的表面熱透鏡測量技術，現階段還只能測量薄膜的整體吸收率，無法測量其他薄膜光熱信息，如熱導率、吸收雜質深度分布等。究其原因，常規的表面熱透鏡測量平臺調制頻率往往是取一個較低的固定值，因為調制頻率越低，熱擴散長度就越大，越能滿足前面提及的熱薄條件。這對測量薄膜整體的吸收率是有利的，但是卻因為熱擴散長度太大，而失去了對薄膜內部光熱性質進行分辨的可能。如果能夠運用新的調制方法，將泵浦激光的調制頻率提高到一個較高范圍，那么在理論上能夠實現對薄膜內部光熱信息的更加精細的測量。對于能夠測量薄膜內部光熱信息的變頻測量方法，現有的理論和技術對于還沒有詳細和系統的論述。
發明內容
本發明通過改進傳統的表面熱透鏡測量平臺，實現了對薄膜內部光熱性能的測量，本發明的技術解決方案如下—種薄膜光熱性能的測量裝置，其特點在于該裝置的構成包括泵浦光路包括泵浦光激光器，沿該泵浦光激光器發出的泵浦光依次經第一衰減器、第一縮束器、能量監測器、聲光調制器和第一聚焦透鏡后照射在二維移動平臺上的待測薄膜上；探測光路包括探測光激光器，沿該探測光激光器發出的探測光依次經第二衰減器和第二聚焦透鏡照射在所述的二維移動平臺上的待測薄膜上；由待測薄膜反射的光經濾光片和第三聚焦透鏡進入光電探測器，該光電探測器的輸出端接萬用表和鎖相放大器的輸入端，所述的萬用表和鎖相放大器的輸出端接計算機， 該計算機的輸出端接所述的二維移動平臺的控制端，所述的鎖相放大器的TTL輸出端接所述的聲光調制器的輸入端。利用上述的薄膜光熱性能的測量裝置測量薄膜光熱性能的方法，其特點在于該方法包括下列步驟①將光電探測器的輸出端口同時接到萬用表和鎖相放大器，分別讀取由光電探測器輸出信號的直流部分和交流部分；所述的聲光調制器的輸入調制頻率由鎖相放大器的 TTL輸出端口供給；計算機控制二維移動平臺的移動；②在二維移動平臺上放置強吸收樣品，用來輔助校準探測光束和泵浦光束的重合度調節泵浦光路，使泵浦激光器發射的泵浦光束經過第一衰減器、縮束器、能量監測器、聲光調制器和第一聚焦透鏡，垂直地照射在所述的樣品的表面上；調節探測激光光路探測激光器發射的探測光束經第二衰減器、第二聚焦透鏡后， 入射到樣品表面上，使樣品表面上的探測光束光斑與所述的泵浦光束的光斑重合，反射光經過濾光片和第三聚焦透鏡后，最終到達光電探測器處被接收若探測光與泵浦光的聚焦點完全重合，那么在光電探測器位置處可以看到清晰的衍射環；如果沒有觀察到清洗的衍射環，則進一步精調探測光束與泵浦光束的重合度，直到最后觀察到清晰的衍射環；③將待測薄膜樣品放到由計算機控制的二維移動平臺上，開始正式測量；④逐步提高鎖相放大器輸出的調制頻率，記錄在不同調制頻率下所述的萬用表和鎖相放大器測得的幅值和相位信息，送入所述的計算機；⑤計算機將不同調制頻率下的幅值和相位數據，繪制相應的位相-調制頻率圖和幅值-調制頻率圖；⑥對于單層膜樣品，從所述的位相-調制頻率圖尋找局部峰對應的調制頻率f，利用下列公式計算得出薄膜的熱導率信息k K= π l2f P c式中1，P，c分別用單層膜的厚度、密度與熱容值；⑦對于內部含有強吸收膜層的薄膜，從所述的幅值-調制頻率圖尋找局部峰對應的調制頻率f，利用下列公式計算得出強吸收層的深度d d=
]j π-ipc式中k，P，c分別用單層膜的熱導率、密度與熱容值。相比較原有的表面熱透鏡測量平臺，本發明具體的改進之處在于1，增加了縮束系統，將泵浦激光束光束直徑縮小。這是因為聲光調制器的通光孔徑很小，只有很細的光束才能都進入。
2，利用聲光調制器代替原來的機械斬波器。傳統的薄膜吸收測量僅需要較低的固定頻率，用機械斬波器就可以滿足要求；但是若要進一步測量薄膜內部的光熱性能，則需要在一個較高的頻率范圍內進行泵浦光調制，只有聲光調制器才能滿足要求。3，增加了探測面聚焦透鏡，為了加強探測信號的強度。這是因為隨著調制頻率的升高，光熱信號隨之大幅衰減，必須通過一定的方式增加信號強度。4，精選高靈敏度的光電探測器，提高探測靈敏度。本發明的技術效果經過本發明的改進之后，表面熱透鏡測量平臺可以將泵浦光在IOlkHz之內進行調制，并可以測量在此頻率范圍內的幅值和相位信息。通過分析，我們可以計算出薄膜的熱導率以及強吸收膜層的深度信息，對優化鍍膜工藝和探尋損傷機制都有較大的輔助作用。
圖1為本發明薄膜光熱性能的測量裝置結構示意圖。圖2為表面熱透鏡測量技術原理圖。圖3為單層膜理論計算模型。圖4為含有強吸收雜質的單層膜理論計算模型。圖5為含有強吸收雜質的單層膜表面熱包高度與調制頻率的理論模擬關系曲線。圖6為單層HfO2薄膜的光熱相位信號與調制頻率的關系曲線。圖7為內部含有強吸收膜層的S^2單層膜光熱幅值信號與調制頻率的關系曲線。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。先請參閱圖1，圖1為本發明薄膜光熱性能的測量裝置結構示意圖。由圖可見，本發明薄膜光熱性能的測量裝置的構成包括泵浦光路包括泵浦光激光器1，沿該泵浦光激光器1發出的泵浦光依次經第一衰減器2、第一縮束器3、能量監測器4、聲光調制器5和第一聚焦透鏡6后照射在二維移動平臺13上的待測薄膜上；探測光路包括探測光激光器7，沿該探測光激光器7發出的探測光依次經第二衰減器8和第二聚焦透鏡9照射在所述的二維移動平臺13上的待測薄膜上；由待測薄膜反射的光經濾光片10和第三聚焦透鏡11進入光電探測器12，該光電探測器12的輸出端接萬用表14和鎖相放大器15的輸入端，所述的萬用表14和鎖相放大器15的輸出端接計算機16，該計算機16的輸出端接所述的二維移動平臺13的控制端，所述的鎖相放大器15的TTL輸出端接所述的聲光調制器5的輸入端。本實施例中本發明裝置的各個部件的具體作用如下l-1064nm連續激光器。輸出較高功率的1064nm激光，經過光路最終聚焦在薄膜表面處，用于加熱薄膜樣品，形成表面形變。2-第一衰減器，由半波片和偏振片組成。對于吸收率不同的薄膜，需要用于加熱的激光功率是不同的，因此需要通過旋轉半波片的角度來調節通過的泵浦光束的功率。
3-縮束器，由兩個焦距不同透鏡組成。因為聲光調制器的通光孔徑很小，激光器直接輸出的光束無法直接通過此小孔，因此利用此系統將光束縮小后再進入聲光調制器。4-功率監測系統，由分光片和功率探測器組成。分光片將一部分光束能量反射到功率探頭內，用以實時監測激光器的輸出功率。5-聲光調制器。將連續的泵浦光束調制成占空比為50%的周期光束，其具體調制頻率由鎖相放大器的輸出決定。6-第一聚焦透鏡。將泵浦光束聚焦在薄膜樣品表面上，用以加熱薄膜，形成周期性起伏的熱包。7-泵浦激光器為633nm探測激光器。輸出較低功率的633nm激光，用于檢測薄膜樣品表面形變信息。8-第二衰減器。通過旋轉此衰減器，可以調節透過的探測光束的強度，目的是為了保證探測光束強度一致，排除因為探測光強度不同而帶來的測量誤差。9-第二聚焦透鏡。將探測光束聚焦到薄膜樣品上，需要保證探測光束的光斑位置和泵浦光束的光斑位置高度一致，在此條件下才能夠觀察到清晰的衍射環。10-濾光片。由于受到調制的泵浦光束在樣品表面產生散射，這一部分能量如果也進入到光電探測器中，會對測量結果造成很大的干擾，因此需要用濾光片來濾除散射的泵浦光。11-第三聚焦透鏡。當調制頻率較高時，探測到的信號強度非常微弱，因此需要盡可能地增加探測的靈敏度。通過在光電探測器之前加裝一個聚焦透鏡，能夠顯著地提高高頻下探測信號的強度。12-光電探測器。選擇高靈敏度的光電探測器，將探測光束強度的變化轉變為測量儀器可識別的電學信號。13-二維移動平臺。用來固定待測量薄膜樣品，另外通過計算機控制，可以將樣品在二維平面上移動，用以掃描測量薄膜不同位置處的光熱信息。14-萬用表。如前所述，如果探測光束的功率不一致，會給測量結果引入較大誤差。 因此用萬用表實時檢測探測光束中心點處直流強度，并通過調節衰減器來保證探測光束功率穩定，盡可能減小這種引入誤差。目前我們的直流信號強度控制在300mV左右。15-鎖相放大器。薄膜表面周期性起伏的熱包會對探測光束進行衍射，使得探測光束中心點處光強產生微小的周期性波動，通常方法是很難檢測到如此微小的信號的，因此需要運用鎖相放大器來對特定頻率的信號進行篩選和放大。通常薄膜樣品產生的光熱信號均在uV量級。16-計算機，用以控制二維移動平臺的精密移動，以及處理相關的測量數據。本發明的測量具體原理如下熱導率測量對于圖3所示的單層膜系統，我們可以列出其溫度場方程pc ^ISLll = kV2T(t,r) + Q(t,r)(1)
dt其中T為溫度，t為時間，P為薄膜密度，Cp為薄膜熱容，k為薄膜熱導率，Q為單位體積內的熱生成率。
對于此溫度場方程，并沒有嚴格的解析解。但是在一些近似的前提下，可以通過求解得到薄膜的溫度場與調制頻率的變化關系，再將溫度場帶入到Navier-Stockes方程中， 可得到最后的形變量與調制頻率的關系，具體的求解過程在此不再復述，讀者可以參閱相關文獻。理論和實驗結果告訴我們，當d = Lth,即薄膜厚度和熱波的擴散長度相等時，光熱信號的相位信息會存在一個較為明顯的局部峰值。而薄膜的熱擴散長度定義為
權利要求
1.一種薄膜光熱性能的測量裝置，其特征在于該裝置的構成包括泵浦光路包括泵浦光激光器(1)，沿該泵浦光激光器(1)發出的泵浦光依次經第一衰減器O)、第一縮束器(3)、能量監測器G)、聲光調制器( 和第一聚焦透鏡(6)后照射在二維移動平臺(1 上的待測薄膜上；探測光路包括探測光激光器(7)，沿該探測光激光器(7)發出的探測光依次經第二衰減器(8)和第二聚焦透鏡(9)照射在所述的二維移動平臺(1 上的待測薄膜上；由待測薄膜反射的光經濾光片(10)和第三聚焦透鏡(11)進入光電探測器(12)，該光電探測器(1 的輸出端接萬用表(14)和鎖相放大器(1 的輸入端，所述的萬用表(14) 和鎖相放大器(1 的輸出端接計算機(16)，該計算機(16)的輸出端接所述的二維移動平臺(1 的控制端，所述的鎖相放大器(1 的TTL輸出端接所述的聲光調制器(5)的輸入端。
2.利用權利要求1所述的薄膜光熱性能的測量裝置測量薄膜光熱性能的方法，其特征在于該方法包括下列步驟①將所述的待測薄膜置于所述的二維移動平臺(1 上；將光電探測器(1 的輸出端口同時接到萬用表(14)和鎖相放大器(15)，分別讀取由光電探測器(12)輸出信號的直流部分和交流部分；所述的聲光調制器( 的輸入頻率由鎖相放大器(1 的TTL輸出端口供給；計算機(16)控制二維移動平臺(1 的移動；②在二維移動平臺上放置強吸收樣品，用來輔助校準探測光束和泵浦光束的重合度調節泵浦光路，使泵浦激光器(1)發射的泵浦光束經過第一衰減器O)、縮束器(3)、能量監測器G)、聲光調制器( 和第一聚焦透鏡(6)，垂直地照射在所述的樣品的表面上；調節探測激光光路探測激光器(7)發射的探測光束經第二衰減器(8)、第二聚焦透鏡后(9)，入射到樣品表面上，使樣品表面上的探測光束光斑與所述的泵浦光束的光斑重合， 反射光經過濾光片(10)和第三聚焦透鏡(11)后，最終到達光電探測器(12)處被接收若探測光與泵浦光的聚焦點完全重合，那么在光電探測器(1 位置處可以看到清晰的衍射環；如果沒有觀察到清洗的衍射環，則進一步精調探測光束與泵浦光束的重合度，直到最后觀察到清晰的衍射環；③將待測薄膜樣品放到由計算機(16)控制的二維移動平臺(1 上，開始正式測量；④逐步提高鎖相放大器(1 輸出的調制頻率，記錄在不同調制頻率下所述的萬用表 (14)和鎖相放大器(1 測得的幅值和相位信息，送入所述的計算機；⑤計算機將不同調制頻率下的幅值和相位數據，繪制相應的位相-調制頻率圖和幅值-調制頻率圖；⑥對于單層膜樣品，從所述的位相-調制頻率圖尋找局部峰對應的調制頻率f，利用下列公式計算得出薄膜的熱導率信息k K= 31 l2f P C式中1，P，C分別用單層膜的厚度、密度與熱容值；⑦對于內部含有強吸收膜層的薄膜，從所述的幅值-調制頻率圖尋找局部峰對應的調制頻率f，利用下列公式計算得出強吸收層的深度d 式中k，P，C分別用單層膜的熱導率、密度與熱容值。
全文摘要
一種薄膜光熱性能的測量裝置和測量方法。本發明是在原有的表面熱透鏡技術的基礎上，通過改變泵浦光束的調制頻率，來獲取探測信號的幅值和相位信號隨頻率的變化關系。將此關系與理論模型的計算結果對比后，可以得到薄膜內部的一些重要信息。本發明不僅能夠測量薄膜的吸收率，還可以測量出單層膜的熱導率以及一些強吸收雜質的深度分度，因此可以對薄膜的光熱性能做出全面的評價，對優化鍍膜工藝和探尋損傷機制等方面都有較大的輔助作用。
文檔編號G01N21/31GK102393370SQ20111035073
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月8日 優先權日2011年11月8日
發明者徐俊海, 范正修, 趙元安 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所