專利名稱：多光束陣列光誘導(dǎo)反射率成像裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多光束陣列光誘導(dǎo)反射率成像領(lǐng)域，具體是一種利用衍射分光裝置分光的二維光誘導(dǎo)反射率成像裝置及方法。
背景技術(shù)：
光誘導(dǎo)反射率成像是一種比較靈敏的非接觸式光學(xué)測(cè)量方法。其基本原理是基于材料在光(以下稱泵浦光)的作用下會(huì)發(fā)生反射率變化。這種反射率變化在多數(shù)情況下是因?yàn)椴牧衔毡闷止饽芰慷鴮?dǎo)致局部溫度升高引起的，其物理過程可以用公式簡(jiǎn)化表達(dá)為
AR =-LT(I)
37
其中，< D是材料表面反射率的變化，；是材料反射率溫度系數(shù)，，^是材料吸收泵浦
ΔΑc i
光能量而導(dǎo)致的溫度變化。由式中可以看出，在泵浦光特性確定的情況下，光誘導(dǎo)反射率的變化決定于被測(cè)材料的物理特性，特別是光吸收和熱物性。對(duì)半導(dǎo)體材料而言，光誘導(dǎo)反射率的變化更為復(fù)雜一些，它是光熱信號(hào)和光致載流子密度變化結(jié)果的疊加，其物理過程可以簡(jiǎn)化描述如下
=十(2)
37 3N
BR
其中，；是材料反射率載流子密度系數(shù)，是材料吸收泵浦光能量而導(dǎo)致的載流子3Νh(huán)h
密度變化。實(shí)際應(yīng)用中泵浦光通常是被調(diào)制的。泵浦光輻照樣品表面而引起溫度或載流子密度變化并導(dǎo)致樣品反射率發(fā)生變化，而反射率的變化通常由另一束較弱的光(探測(cè)光)來進(jìn)行探測(cè)。泵浦光和探測(cè)光同時(shí)聚焦在樣品表面上并且重疊在一起。反射率的變化一般比較微弱，需要利用鎖相技術(shù)來進(jìn)行檢測(cè)。而對(duì)樣品的二維成像則是通過對(duì)樣品進(jìn)行逐點(diǎn)掃描來獲得。這種二維掃描成像方法可以獲得較高的分辨率，在遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量條件下近似受限于泵浦光/探測(cè)光的衍射極限，比較容易達(dá)到亞微米量級(jí)。然而這種傳統(tǒng)的二維掃描成像方法在實(shí)際應(yīng)用中受到很大限制。主要原因是成像速度太慢。一方面由于信號(hào)較弱，對(duì)每一個(gè)樣品點(diǎn)都要進(jìn)行一定時(shí)間的鎖相積分；另一方面，樣品每次移動(dòng)都需要花費(fèi)一定的移動(dòng)和等待時(shí)間，后者是為了使整個(gè)系統(tǒng)從機(jī)械震動(dòng)到局部溫度都能達(dá)到新的平衡。這樣一般情況下獲得一幅5微米橫向分辨率的500微米X500微米的圖像需要近一小時(shí)的時(shí)間。如果樣品吸收微弱，則要增加積分時(shí)間，成像時(shí)間就會(huì)更長(zhǎng)。這種成像速度很慢的缺點(diǎn)極大地限制了光誘導(dǎo)反射率成像技術(shù)的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種多光束陣列光誘導(dǎo)反射率成像裝置及方法，解決光誘導(dǎo)反射率應(yīng)用中逐點(diǎn)掃描成像方法耗時(shí)過長(zhǎng)的問題。本發(fā)明的技術(shù)方案為
多光束陣列光誘導(dǎo)反射率成像裝置，包括泵浦光源、探測(cè)光源、光電探測(cè)器、與泵浦光源和探測(cè)光源對(duì)應(yīng)的樣品臺(tái)，從泵浦光源至樣品臺(tái)之間依次設(shè)置有泵浦光衍射分光裝置、陣列調(diào)制器、分色鏡和聚焦成像透鏡；從探測(cè)光源至樣品臺(tái)之間依次設(shè)置有探測(cè)光衍射分光裝置、偏振分光鏡、四分之一波片、所述的分色鏡和所述的聚焦成像透鏡；所述的光電探測(cè)器設(shè)置于偏振分光鏡的后端，從所述的偏振分光鏡至光電探測(cè)器之間設(shè)置有探測(cè)光聚焦透鏡和探測(cè)光濾光裝置。
所述的泵浦光源選用激光光源或單色光光源；所述的探測(cè)光源選用激光光源或單色光光源。所述的泵浦光衍射分光裝置和探測(cè)光衍射分光裝置均可選用位相型分光光柵。多光束陣列光誘導(dǎo)反射率成像方法，包括以下步驟
(1)、將被測(cè)樣品至于樣品臺(tái)上；
(2)、泵浦光源發(fā)出的泵浦光束，泵浦光束經(jīng)過泵浦光衍射分光裝置后被分為呈陣列分布的光束組，光束組經(jīng)過陣列光調(diào)制器后被調(diào)制，并且其中每一束光的調(diào)制頻率各不相同，調(diào)制后的泵浦光束組由分色鏡反射、并通過聚焦成像透鏡聚焦后照射到放置于樣品臺(tái)上的被測(cè)樣品的表面；
(3)、探測(cè)光源發(fā)出的探測(cè)光束，經(jīng)過探測(cè)光衍射分光裝置后被分為呈陣列分布的探測(cè)光束組，探測(cè)光束組依次經(jīng)過偏振分光鏡、四分之一波片和分色鏡后，由聚焦成像透鏡會(huì)聚到被測(cè)樣品表面，并且與聚焦后的泵浦光束組在被測(cè)樣品表面重合，泵浦光束組在樣品表面對(duì)應(yīng)區(qū)域激發(fā)局部溫度變化，從而引起被測(cè)樣品對(duì)探測(cè)光束反射率的變化，每一束探測(cè)光都對(duì)應(yīng)與泵浦光束組中的一束泵浦光重合；
(4)、由被測(cè)樣品表面反射的探測(cè)光束組再依次經(jīng)過聚焦成像透鏡、分色鏡和四分之一波片后，再經(jīng)偏振分光鏡反射后，由探測(cè)光聚焦透鏡會(huì)聚、并經(jīng)過探測(cè)光濾光裝置后進(jìn)入光電探測(cè)器；
(5)、光電探測(cè)器獲得的光誘導(dǎo)反射率信號(hào)含有不同調(diào)制頻率下的光熱反射率信號(hào)，分別代表來自樣品上不同探測(cè)光所對(duì)應(yīng)的區(qū)域的信號(hào)，這些信號(hào)通過后續(xù)數(shù)據(jù)處理，得到樣品表面的二維光熱反射率圖像。所述的光電探測(cè)器與多個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路或鎖相放大器并行測(cè)量，可進(jìn)一步節(jié)省測(cè)量時(shí)間，提高成像速度。本發(fā)明在成像速度上比傳統(tǒng)的對(duì)樣品逐點(diǎn)掃描方法可以有很大提高，且由于無需進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，具體檢測(cè)及成像儀器設(shè)計(jì)可以避免使用移動(dòng)部件，有利于提高儀器的穩(wěn)定性、降低成本、進(jìn)一步小型化以及拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。


圖I是本發(fā)明多光束陣列光誘導(dǎo)反射率成像裝置的應(yīng)用結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式見圖1，多光束陣列光誘導(dǎo)反射率成像裝置，包括泵浦光源I、探測(cè)光源2、光電探測(cè)器3和樣品臺(tái)4 ;從泵浦光源I至樣品臺(tái)4之間依次設(shè)置有泵浦光衍射分光裝置5、陣列調(diào)制器6、分色鏡7和聚焦成像透鏡8，;從探測(cè)光源2至樣品臺(tái)4之間依次設(shè)置有探測(cè)光衍射分光裝置9、偏振分光鏡10、四分之一波片11、分色鏡7和聚焦成像透鏡8 ;光電探測(cè)器3設(shè)置于偏振分光鏡10的后端，，從偏振分光鏡10至光電探測(cè)器3之間設(shè)置有探測(cè)光聚焦透鏡12和探測(cè)光濾光裝置13 ;泵浦光源I和探測(cè)光源2均可選用激光光源或單色光光源；泵浦光衍射分光裝置5和探測(cè)光衍射分光裝置9均可選用位相型分光光柵。多光束陣列光誘導(dǎo)反射率成像方法，包括以下步驟
(1)、將被測(cè)樣品14至于樣品臺(tái)4上；
(2)、泵浦光源I發(fā)出的泵浦光束，泵浦光束經(jīng)過泵浦光衍射分光裝置5后被分為呈陣列分布的光束組，光束組經(jīng)過陣列光調(diào)制器6后被調(diào)制，并且其中每一束光的調(diào)制頻率各不相同，調(diào)制后的泵浦光束組由分色鏡7反射、并通過聚焦成像透鏡8聚焦后照射到放置于樣品臺(tái)4上的被測(cè)樣品14的表面；·
(3)、探測(cè)光源2發(fā)出的探測(cè)光束，經(jīng)過探測(cè)光衍射分光裝置9后被分為呈陣列分布的探測(cè)光束組，探測(cè)光束組依次經(jīng)過偏振分光鏡10形成線偏振光束、四分之一波片11將線偏振光束轉(zhuǎn)化成圓偏振光束并透過分色鏡7后，由聚焦成像透鏡8會(huì)聚到被測(cè)樣品14表面，并且與聚焦后的泵浦光束組在被測(cè)樣品表面重合，泵浦光束組在樣品表面對(duì)應(yīng)區(qū)域激發(fā)局部溫度變化，從而引起被測(cè)樣品對(duì)探測(cè)光束反射率的變化，探測(cè)光束組中每一束探測(cè)光都對(duì)應(yīng)與泵浦光束組中的一束泵浦光重合；
(4)、由被測(cè)樣品14表面反射的探測(cè)光束組再依次經(jīng)過聚焦成像透鏡8、分色鏡7和四分之一波片11后，由圓偏振光束轉(zhuǎn)化成線偏振光束，且偏振方向與探測(cè)光源2發(fā)出的探測(cè)光束線偏振方向成90度，此線偏振光束經(jīng)過偏振分光鏡10反射，再經(jīng)由探測(cè)光聚焦透鏡12會(huì)聚、探測(cè)光濾光裝置13后進(jìn)入光電探測(cè)器3。光電探測(cè)器3的輸出信號(hào)利用鎖相檢測(cè)技術(shù)探測(cè)，此時(shí)，以與某一被調(diào)制的泵浦光束的調(diào)制頻率相同的交流信號(hào)作為鎖相檢測(cè)的參考信號(hào)，這樣只有該泵浦光束誘導(dǎo)產(chǎn)生的反射率變化信號(hào)能夠被鎖相放大器測(cè)出，其它泵浦光束誘導(dǎo)產(chǎn)生的信號(hào)都被濾掉，再依次改變參考信號(hào)的頻率，就可以獲得對(duì)應(yīng)的泵浦光束誘導(dǎo)產(chǎn)生的信號(hào)，最后根據(jù)泵浦光束的編號(hào)以及對(duì)應(yīng)測(cè)得的信號(hào)，獲得空間分辨的二維圖像。光電探測(cè)器3可與多個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路或鎖相放大器并行測(cè)量，進(jìn)一步節(jié)省測(cè)量時(shí)間，提高成像速度。
權(quán)利要求
1.多光束陣列光誘導(dǎo)反射率成像裝置，包括泵浦光源、探測(cè)光源、光電探測(cè)器、與泵浦光源和探測(cè)光源對(duì)應(yīng)的樣品臺(tái)，其特征在于從泵浦光源至樣品臺(tái)之間依次設(shè)置有泵浦光衍射分光裝置、陣列調(diào)制器、分色鏡和聚焦成像透鏡；從探測(cè)光源至樣品臺(tái)之間依次設(shè)置有探測(cè)光衍射分光裝置、偏振分光鏡、四分之一波片、所述的分色鏡和所述的聚焦成像透鏡；所述的光電探測(cè)器設(shè)置于偏振分光鏡的后端，從所述的偏振分光鏡至光電探測(cè)器之間設(shè)置有探測(cè)光聚焦透鏡和探測(cè)光濾光裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多光束陣列光誘導(dǎo)反射率成像裝置，其特征在于所述的泵浦光源選用激光光源或單色光光源； 所述的探測(cè)光源選用激光光源或單色光光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多光束陣列光誘導(dǎo)反射率成像裝置，其特征在于所述的泵浦光衍射分光裝置和探測(cè)光衍射分光裝置均可選用位相型分光光柵。
4.多光束陣列光誘導(dǎo)反射率成像方法，其特征在于包括以下步驟 (1)、將被測(cè)樣品至于樣品臺(tái)上； (2)、泵浦光源發(fā)出的泵浦光束，泵浦光束經(jīng)過泵浦光衍射分光裝置后被分為呈陣列分布的光束組，光束組經(jīng)過陣列光調(diào)制器后被調(diào)制，并且其中每一束光的調(diào)制頻率各不相同，調(diào)制后的泵浦光束組由分色鏡反射、并通過聚焦成像透鏡聚焦后照射到放置于樣品臺(tái)上的被測(cè)樣品的表面； (3)、探測(cè)光源發(fā)出的探測(cè)光束，經(jīng)過探測(cè)光衍射分光裝置后被分為呈陣列分布的探測(cè)光束組，探測(cè)光束組依次經(jīng)過偏振分光鏡、四分之一波片和分色鏡后，由聚焦成像透鏡會(huì)聚到被測(cè)樣品表面，并且與聚焦后的泵浦光束組在被測(cè)樣品表面重合，泵浦光束組在樣品表面對(duì)應(yīng)區(qū)域激發(fā)局部溫度變化，從而引起被測(cè)樣品對(duì)探測(cè)光束反射率的變化，每一束探測(cè)光都對(duì)應(yīng)與泵浦光束組中的一束泵浦光重合； (4)、由被測(cè)樣品表面反射的探測(cè)光束組再依次經(jīng)過聚焦成像透鏡、分色鏡和四分之一波片后，再經(jīng)偏振分光鏡反射后，由探測(cè)光聚焦透鏡會(huì)聚、并經(jīng)過探測(cè)光濾光裝置后進(jìn)入光電探測(cè)器； (5)、光電探測(cè)器獲得的光誘導(dǎo)反射率信號(hào)含有不同調(diào)制頻率下的光熱反射率信號(hào)，分別代表來自樣品上不同探測(cè)光所對(duì)應(yīng)的區(qū)域的信號(hào)，這些信號(hào)通過后續(xù)數(shù)據(jù)處理，得到樣品表面的二維光熱反射率圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多光束陣列光誘導(dǎo)反射率成像裝置及方法，多光束陣列光誘導(dǎo)反射率成像裝置包括泵浦光源、探測(cè)光源、衍射分光裝置、陣列光調(diào)制器、分色鏡、光學(xué)透鏡、偏振分光元件、光學(xué)濾光片和光電探測(cè)器。本發(fā)明通過泵浦光誘導(dǎo)探測(cè)光的反射率變化進(jìn)行反射率成像，且在成像速度上比傳統(tǒng)的對(duì)樣品逐點(diǎn)掃描方法可以有很大提高；同時(shí)由于無需進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，具體檢測(cè)及成像儀器設(shè)計(jì)可以避免使用移動(dòng)部件，有利于提高儀器的穩(wěn)定性、降低成本、進(jìn)一步小型化以及拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01N21/63GK102721673SQ20121012361
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月25日
發(fā)明者吳周令, 陳堅(jiān) 申請(qǐng)人:吳周令