[发明专利]一种超快激光光子时间拉伸下的薄膜热响应单脉冲探测方法

说明书

一种超快激光光子时间拉伸下的薄膜热响应单脉冲探测方法。包括：利用拉伸元件对超短飞秒激光进行时间尺度上的拉伸；通过光学元件将泵浦光和探测光集成为平行且间距可控的模块；将集成的泵浦光和探测光经聚焦透镜聚焦射入薄膜后反射光由耦合系统将探测光耦合进入单模光纤；对带有薄膜热反射率信息的脉冲光经光电探测器和高速示波器输出的高通量数据进行分析。本发明在探测光进入空间光路之前通过色散拉伸元件进行拉伸，大大提高了热反射率的探测精度；同时，用时间拉伸的方法对探测光进行拉伸可以避免原有逐点测量的繁琐，减小了实验的探测时间。本发明是一种针对连续探测薄膜热反射率的高通量、精确的实验方法。

技术领域

本发明涉及飞秒激光光子时间拉伸下的薄膜反射率单脉冲探测方法，在研究高通量信息探测和薄膜热输运过程方面由广泛应用。

背景技术

微尺寸薄膜器件的微观载流子的热传递过程和不同材料之间的热传导等热物理量的测量并不能被直接表征，而是反映为样品材料的热反射率的瞬态变化。当器件的尺寸降低到与器件本身特征尺度相当时，器件内的热物性则会表现出明显的尺度效应，因此，非常有必要从热载流子的微观角度去研究热输运过程。以此同时，随着超快激光技术飞速发展，使得微纳尺度能量输运问题向着飞秒纳米尺度拓展。将飞秒纳米尺度的传热机理应用在微电子光电子器件、材料科学及微加工等领域时，将出现一些挑战性的问题。包括怎样在飞秒尺度连续的探测到可以表征材料热物性的物理量---瞬态热反射率，和如何利用实验手段得到飞秒分辨率的高通量数据。

面对这些挑战，找到可以在飞秒尺度上实现对于材料热扩散研究的实验方法有着至关重要的作用。随之衍生出将光子拉伸技术应用于对材料的瞬态热反射探测上这一探测方法，摒弃了原有逐点测量工作量大、耗时长、稳定性低等缺点，对于实现功能材料高通量、瞬态动力学特性研究具有重要的理论意义和应用价值。

瞬态热反射技术(Transient Thermoreflectance，TTR)，是一种抽运-探测技术。将飞秒激光作为瞬态热反射技术的光源，即飞秒瞬态反射技术(Femtosecond TransientThermoreflectance，FTTR)，可以将时间分辨率提高到飞秒量级，这大大增加了探测的精确度。在FTTR技术中，一束脉冲激光脉冲宽度一般为几十飞秒到几百飞秒，被分光棱镜分成两束。一束能量较强的飞秒脉冲激光用来加热被测样品，另外一束能量较弱的飞秒脉冲激光用来探测加热样品表面反射率的瞬时变化。探测光脉冲相对抽运光脉冲到达样品的时刻有一个精确设定的时间延迟。在测量过程中，每次只能测得一个时间点上的反射率，此时间点由那个预先精确设定的滞后时间所确定。当一系列时间点的反射率被测得后，就可以构建出一个激光脉冲作用后一段时间范围内反射率的变化曲线。得到反射率的瞬时变化后，再通过反射率随电子温度的变化函数求出电子温度在一个激光脉冲作用后的瞬时变化。一般可以通过改变两束激光的光程差来实现不同滞后时间的设定。

FTTR技术实现了飞秒尺度上微尺寸薄膜器件的微观载流子的热传递过程和不同材料之间的热传导等热物理量的测量，然而考虑到现有FTTR技术中通过改变两束激光的光程差来实现不同滞后时间这一设定的非连续性，每次测量需反复调节探测光相对于泵浦光的时间滞后量的繁琐，和将多次测量结果得到的数据拟合成连续量的误差较大等缺点，衍生出了将光子时间拉伸技术与FTTR技术相结合这一方案。

光子时间拉伸又被称为色散傅里叶变换技术，是近年来出现的高通量实时信息采集技术。它是一种可以实现快速实时光谱探测的方法，DFT技术是利用色散的方式将脉冲的光谱映射到一个时域波形上，其强度包络能够模拟出实际光谱的形状。利用光子时间拉伸技术能够克服电子设备带宽和采样速率的限制，实现超快的信息测量，其成像帧速率主要由锁模激光器的脉冲重复频率决定，可以达到惊人的几十MHz/s甚至GHz/s。光子时间拉伸技术被广泛应用于超高速显微成像、微波信息分析、光谱分析以及耗散孤子结构、相对论电子簇、巨波等瞬态物理过程的观察中。