專利名稱：測(cè)量固體熱物性參數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用周期調(diào)制加熱和連續(xù)激光探測(cè)的光熱反射測(cè)量技術(shù)，尤其涉及一種測(cè)量固體熱物性參數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
薄膜材料已廣泛地運(yùn)用于微電子、光電子、微制造等領(lǐng)域，而這些微/納器件在工作時(shí)將產(chǎn)生極高的熱流密度，熱堆積將直接影響到此類器件的工作效率以及可靠性。解決上述微/納器件散熱問(wèn)題極為迫切，這需要對(duì)組成上述微/納器件的薄膜材料熱物理性質(zhì)，尤其是熱導(dǎo)率、界面熱阻等進(jìn)行準(zhǔn)確表征，以便揭示其熱輸運(yùn)機(jī)理。3ω法為常用的薄膜材料熱物性測(cè)量方法，但是其需要在待測(cè)樣品上焊接金屬薄片/絲，屬于有損檢測(cè)技術(shù)。超短脈沖激光抽運(yùn)探測(cè)法為一種新型的固體熱物性參數(shù)測(cè)量方法。圖I為現(xiàn)有技 術(shù)測(cè)量固體熱物性參數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)的光路示意圖。如圖I所示，該光學(xué)系統(tǒng)包括激光器I輸出脈沖激光；第一波片2( 二分之一波片)使激光偏振方向旋轉(zhuǎn)；第一分光器件3將激光束分成偏振方向互相垂直的兩束；電光調(diào)制器4對(duì)激光束調(diào)制；電光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器5為電光調(diào)制器4發(fā)送調(diào)制信號(hào)；第一反射鏡6接收并反射激光束；激光束通過(guò)第一聚焦透鏡7、倍頻晶體8和第二聚焦透鏡9，產(chǎn)生二次諧波；第一濾光片10濾除非相干光；擴(kuò)束器11將激光束直徑擴(kuò)大；第二反射鏡12接收并反射激光束；電控位移平臺(tái)14前后移動(dòng)；激光束被平行光反射鏡13反射后通過(guò)第二波片15 ( 二分之一波片)，激光偏振方向旋轉(zhuǎn)；第二分光器件16將激光束分成偏振方向互相垂直的兩束；激光束透過(guò)第三波片17 (四分之一波片)垂直入射樣品表面，并原路返回再次通過(guò)第三波片17，實(shí)現(xiàn)偏振方向90度改變；冷光鏡18將不同波長(zhǎng)的激光束合束；聚焦透鏡19將激光輻照在固定調(diào)整架20上的樣品表面；電光探測(cè)器23接收透過(guò)第二濾光片21和第三聚焦透鏡22的激光束；電光探測(cè)器23的信號(hào)輸至濾波放大器24。抽運(yùn)光和探測(cè)光使用不同波長(zhǎng)的飛秒脈沖激光，通過(guò)冷光鏡合為一束激光，在抽運(yùn)光與探測(cè)光到達(dá)探測(cè)器之前使用具有高選擇透過(guò)性的濾光片濾除倍頻后的抽運(yùn)光，從而避免抽運(yùn)光對(duì)信號(hào)的干擾，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高效的測(cè)量；利用濾波放大器可有效濾除高頻諧波的影響，有效提高信號(hào)的準(zhǔn)確度。電控位移平臺(tái)不同的移動(dòng)距離對(duì)應(yīng)探測(cè)光和和抽運(yùn)光之間的不同的延遲時(shí)間，濾波放大器輸出信號(hào)和電光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器給出的調(diào)制信號(hào)比較，得到相位差信號(hào)，不同延遲時(shí)間下的相位差信號(hào)為實(shí)驗(yàn)所得的測(cè)量數(shù)據(jù)。然而，對(duì)于圖I所示的測(cè)量固體熱物性參數(shù)的光路系統(tǒng)來(lái)講，其電控位移平臺(tái)屬于機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，精準(zhǔn)控制較困難；并且由第一聚焦透鏡、倍頻晶體和第二聚焦透鏡組成的倍頻模塊，共線對(duì)焦困難、倍頻的效率不高。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題為解決上述的一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種精準(zhǔn)控制、調(diào)節(jié)方便的測(cè)量固體熱物性參數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)及方法。( 二 )技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種測(cè)量固體熱物性參數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括加熱激光產(chǎn)生組件、探測(cè)激光產(chǎn)生組件、合束元件、分光元件、加熱激光接收組件、樣品測(cè)試組件和探測(cè)激光接收組件；其中，由加熱激光產(chǎn)生組件產(chǎn)生頻率調(diào)制的連續(xù)偏振的加熱激光，由探測(cè)激光產(chǎn)生組件產(chǎn)生連續(xù)偏振的探測(cè)激光；該加熱激光和探測(cè)激光經(jīng)過(guò)合束元件后合束為位于A平面的合束激光；該合束激光入射分光元件，偏振方向在A平面的成分透射至樣品測(cè)試組件，偏振方向垂直于該水平面的成分反射至加熱激光接收組件；偏振方向在A平面的合束光成分經(jīng)由樣品測(cè)試組件后，照射至被測(cè)試樣品表面；偏振方向在A平面的合束光成分中的加熱激光將被測(cè)樣品加熱，加熱后的被測(cè)樣品對(duì)探測(cè)激光產(chǎn)生調(diào)制作用；由被測(cè)試樣品表面反射的加熱激光及調(diào)制后的探測(cè)激光的合束激光重新經(jīng)由樣品測(cè)試組件后由分光元件反射至探測(cè)激光接收組件；探測(cè)激光接收組件將入射合束激光中的加熱激光成分濾除后，得到探測(cè)激光的信號(hào)；加熱激光接收組件將入射合束激光中的探測(cè)激光成分濾除后，得到加熱激光的信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種利用上述的光學(xué)系統(tǒng)測(cè)量固體熱物性參數(shù)的方法，包括步驟A，利用光學(xué)系統(tǒng)獲取不同的加熱激光調(diào)制頻率下，由探測(cè)激光接收組件產(chǎn)生探測(cè)激光信號(hào)和由加熱激光接收組件產(chǎn)生加熱激光的信號(hào)，該探測(cè)激光信號(hào)和加熱激光信號(hào)中均包含功率信息和相位信息；步驟B，對(duì)不同的加熱激光調(diào)制頻率下，探測(cè)激光信號(hào)和加熱激光信號(hào)進(jìn)行相位差處理，得到相位差實(shí)驗(yàn)值；步驟C，給待擬合的固體熱物性參數(shù)賦初始值；步驟D，在不同的加熱激光調(diào)制頻率下，根據(jù)理論模型公式，計(jì)算與相位差實(shí)驗(yàn)值對(duì)應(yīng)頻率下的相位差理論值；步驟E，對(duì)全部加熱激光調(diào)制頻率下的相位差實(shí)驗(yàn)值和對(duì)應(yīng)的相位差理論值進(jìn)行最小二乘計(jì)算，其最小二乘計(jì)算數(shù)值作為當(dāng)次迭代結(jié)果；步驟F，記錄當(dāng)前迭代結(jié)果對(duì)應(yīng)的熱導(dǎo)率值、界面熱導(dǎo)值；步驟G，判斷本次迭代的結(jié)果是否小于前次迭代的結(jié)果，如果是，執(zhí)行步驟H，否則，執(zhí)行步驟I ;步驟H，將本次迭代結(jié)果對(duì)應(yīng)的固體熱物性參數(shù)值作為變化檢測(cè)輸出數(shù)據(jù)，執(zhí)行步驟J ;步驟I，將前次迭代結(jié)果對(duì)應(yīng)的固體熱物性參數(shù)值作為變化檢測(cè)輸出數(shù)據(jù)，執(zhí)行步驟J ;步驟J，判斷是否連續(xù)3次的迭代結(jié)果小于控制精度，如果是，執(zhí)行步驟K，否則，執(zhí)行步驟L ;步驟K，停止迭代，將由步驟H或步驟I獲得的固體熱物性參數(shù)值輸出，流程結(jié)束；步驟L，將由步驟H或步驟I獲得的固體熱物性參數(shù)值按照預(yù)設(shè)的步長(zhǎng)增加或減小，由預(yù)設(shè)的優(yōu)化函數(shù)確定其數(shù)值改變路徑，執(zhí)行步驟D。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明測(cè)量固體熱物性參數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)及方法具有以下有益效果采用信號(hào)調(diào)制的光熱反射法，屬于頻域方法，和超短脈沖激光抽運(yùn)探測(cè)法等時(shí)域方法相比，沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、光路調(diào)節(jié)更方便。


圖I為現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量固體熱物性參數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)的光路示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的測(cè)量固體熱物性參數(shù)光學(xué)系統(tǒng)的光路示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的測(cè)量固體熱物性參數(shù)方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號(hào)。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無(wú)需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。此外，以下實(shí)施例中提到的方向用語(yǔ)，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語(yǔ)是用來(lái)說(shuō)明并非用來(lái)限制本發(fā)明。對(duì)于圖I來(lái)說(shuō)，其是現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量固體熱物性光學(xué)系統(tǒng)的附圖，其圖中所標(biāo)記的圖號(hào)僅供參考，不納入本發(fā)明使用。為方便本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明理解，首先將本發(fā)明所涉及主要元件進(jìn)行編號(hào)說(shuō)明，具體如下所示10-加熱激光組件；20_探測(cè)激光組件；30-合束元件；40_分光元件；50-加熱激光接收組件；60-樣品測(cè)試組件；70-樣品固定元件；80_探測(cè)激光接收組件；11-信號(hào)調(diào)制器；12-第一激光器；13-第一波片；14-第一反射鏡；21-第二激光器；22-第二波片；23-第二反射鏡；51-第一濾光片；52-第一光電探測(cè)器；61-第三波片；62-物鏡；81-聚焦透鏡；82-第二濾光片；83-第二光電探測(cè)器。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種測(cè)量固體熱物性參數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)。如圖2所示，該系統(tǒng)包括加熱激光產(chǎn)生組件10、探測(cè)激光產(chǎn)生組件20、合束元件30、分光元件40、加熱激光接收組件50、樣品測(cè)試組件60、樣品固定元件70、探測(cè)激光接收組件80和數(shù)據(jù)處理組件(未示出)。由加熱激光產(chǎn)生組件10產(chǎn)生頻率調(diào)制的連續(xù)偏振的加熱激光，由探測(cè)激光產(chǎn)生組件20產(chǎn)生連續(xù)偏振的探測(cè)激光；該加熱激光和探測(cè)激光經(jīng)過(guò)合束元件30后合束為位于水平面的合束激光；該合束激光入射分光元件40，偏振方向在該水平面的成分透射至樣品測(cè)試組件60，偏振方向垂直于該水平面的成分反射至加熱激光接收組件50;偏振方向在該水平面的合束光成分經(jīng)由樣品測(cè)試組件60后，照射至樣品固定元件70上的被測(cè)試樣品表面，加熱激光將被測(cè)樣品加熱，加熱后的被測(cè)樣品對(duì)探測(cè)激光產(chǎn)生調(diào)制作用；由樣品固定元件70上的被測(cè)試樣品表面反射的加熱激光及調(diào)制后的探測(cè)激光的合束激光重新經(jīng)由樣品測(cè)試組件60后由分光元件40反射至探測(cè)激光接收組件80 ;探測(cè)激光接收組件80將入射的加熱激光和探測(cè)激光中的加熱激光成分濾除后，得到探測(cè)激光的信號(hào)；加熱激光接收組件50將入射的加熱激光和探測(cè)激光中的探測(cè)激光成分濾除后，得到加熱激光的信號(hào)；數(shù)據(jù)處理組件由加熱激光的調(diào)制頻率、探測(cè)激光接收組件50產(chǎn)生探測(cè)激光信號(hào)和由加熱激光接收組件80產(chǎn)生加熱激光的信號(hào)，根據(jù)理論模型反推得到被測(cè)試樣品的熱物性參數(shù)。
以下分別對(duì)各個(gè)組件/元件進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。加熱激光產(chǎn)生組件10加熱激光產(chǎn)生組件10用于產(chǎn)生經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)制的連續(xù)偏振的加熱激光。如圖I所示，該加熱激光產(chǎn)生組件包括信號(hào)調(diào)制器11，可以是數(shù)字信號(hào)發(fā)生器，用于調(diào)制第一激光器，其調(diào)制頻率由外部計(jì)算機(jī)控制，調(diào)制頻率范圍由信號(hào)調(diào)制器11和數(shù)據(jù)處理組件共同決定，可以是50kHz到20MHz ;第一激光器12，為半導(dǎo)體激光器，用于在信號(hào)調(diào)制器11的調(diào)制下，輸出波長(zhǎng)為830nm的連續(xù)偏振激光，其功率為170mW ;第一波片13，為二分之一波片，用于調(diào)節(jié)第一激光器12輸出的連續(xù)偏振激光的水平偏振成分和垂直偏振成分的比例；第一激光反射鏡14，其反射率大于99%，其反射面與透過(guò)第一波片13的加熱激光成45°角，用于將入射的加入激光偏轉(zhuǎn)90°后，以45°角入射合束兀件30。探測(cè)激光產(chǎn)生組件20探測(cè)激光產(chǎn)生組件20用于產(chǎn)生連續(xù)偏振的探測(cè)激光，該探測(cè)激光的波長(zhǎng)不同于·加熱激光的波長(zhǎng)，功率遠(yuǎn)小于加熱激光功率。如圖I所示，該加熱激光產(chǎn)生組件20包括第二激光器21，為半導(dǎo)體激光器，用于輸出波長(zhǎng)為635nm的探測(cè)激光，其功率6mW ;第二波片22，為二分之一波片，用于調(diào)節(jié)第二激光器21輸出的連續(xù)偏振激光的水平偏振成分和垂直偏振成分的比例；第二激光反射鏡23，其反射率大于99%，其反射面與透過(guò)第二波片22的探測(cè)激光成45°角，用于將入射的探測(cè)激光偏轉(zhuǎn)90°后，以45°角入射合束元件30。合束元件30合束元件30為冷光鏡，對(duì)于與其所在平面成45°角入射的830nm波長(zhǎng)的加熱激光全透射；對(duì)于與其所在平面成45°角入射的635nm波長(zhǎng)的探測(cè)激光全反射，從而使加熱激光和探測(cè)激光合束，實(shí)現(xiàn)共線加熱探測(cè)。分光元件40分光兀件40為分光棱鏡。通過(guò)該分光棱鏡,合束后的加熱激光和探測(cè)激光中，偏振方向在該水平面的成分透射至樣品測(cè)試組件，偏振方向垂直于該水平面的成分反射至加熱激光接收組件；由樣品表面反射的加熱激光和探測(cè)激光反射至探測(cè)激光接收組件。加熱激光接收組件50加熱激光接收組件50，用于將入射的加熱激光和探測(cè)激光中的探測(cè)激光成分濾除后，得到加熱激光的信號(hào)。該加熱激光接收組件50包括第一濾光片51和第一光電探測(cè)器52。其中第一濾光片51，用于濾除入射合束激光中的探測(cè)激光成分，其對(duì)于635nm波長(zhǎng)的探測(cè)激光的透過(guò)率為 ο—7至ιοΛ第一光電探測(cè)器52，用于檢測(cè)合束激光中加熱激光的信號(hào)，其可以是高速PIN 二極管、雪崩二極管、光電倍增管，或是電荷耦合器件，響應(yīng)時(shí)間小于10ns。其中，該信號(hào)中可以包括功率(幅值)、相位等信息。樣品測(cè)試組件60經(jīng)分光元件40透射的加熱激光和探測(cè)激光的合束激光經(jīng)過(guò)樣品測(cè)試組件60后與樣品固定元件上的被測(cè)試樣品表面作用，由樣品表面反射的加熱激光和探測(cè)激光經(jīng)由樣品測(cè)試組件60重新入射至分光元件40。該樣品測(cè)試組件60包括四分之一波片61和物鏡62。其中物鏡62采用消色差物鏡，放大倍數(shù)100倍，焦距為2_。入射的合束激光兩次經(jīng)過(guò)四分之一波片61后，其偏振方向改變90°。樣品固定元件70樣品固定元件70為固定調(diào)整架，用于調(diào)整并固定被測(cè)試樣品的方位，確保合束激光垂直入射被測(cè)試樣品表面，反射的合束激光原路返回，入射至樣品測(cè)試組件60。加熱激光將被測(cè)樣品加熱，加熱后的被測(cè)樣品對(duì)探測(cè)激光產(chǎn)生調(diào)制作用；由樣品固定元件70上的被測(cè)試樣品表面反射的加熱激光及調(diào)制后的探測(cè)激光的合束激光重新經(jīng)由樣品測(cè)試組件60后由分光元件40反射至探測(cè)激光接收組件80。探測(cè)激光接收組件80探測(cè)激光接收組件80，用于將入射的加熱激光和探測(cè)激光中的加熱激光成分濾除 后，得到探測(cè)激光的信號(hào)。該探測(cè)激光接收組件80包括聚焦透鏡81、第二濾光片82和第二光電探測(cè)器83。其中聚焦透鏡81，用于將入射的合束激光進(jìn)行聚焦。根據(jù)要求的不同，該聚焦透鏡81的焦距可以為IOmm到300臟。第二濾光片82，用于濾除聚焦后的合束激光中的加熱激光成分，其對(duì)于830nm波長(zhǎng)的加熱激光的透過(guò)率為ιο_7至ιοΛ第二光電探測(cè)器83，用于檢測(cè)合束激光中探測(cè)激光的信號(hào)，其可以是高速PIN 二極管、雪崩二極管、光電倍增管，或是電荷耦合器件，響應(yīng)時(shí)間小于10ns。其中，該信號(hào)中可以包括功率(幅值)、相位等信息。利用上述加熱激光接收組件和探測(cè)激光接收組件獲取的信號(hào)，即可計(jì)算獲取固體熱物性參數(shù)。和超短脈沖激光抽運(yùn)探測(cè)法等時(shí)域方法相比，本發(fā)明測(cè)量固體熱物性參數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、光路調(diào)節(jié)更方便。基于上述光學(xué)系統(tǒng)，本發(fā)明還提供了一種測(cè)量固體熱物性參數(shù)的方法，該方法根據(jù)在不同的信號(hào)調(diào)制器角頻率下，由探測(cè)激光接收組件產(chǎn)生探測(cè)激光信號(hào)和由加熱激光接收組件產(chǎn)生加熱激光的信號(hào)的相位差，擬合得到被測(cè)試樣品的熱物性參數(shù)，包括熱導(dǎo)率、材料間的界面熱導(dǎo)等。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，如圖3所示，該方法包括步驟A，利用上述的光學(xué)系統(tǒng)，獲取在不同的加熱激光調(diào)制頻率下由探測(cè)激光接收組件產(chǎn)生探測(cè)激光信號(hào)和由加熱激光接收組件產(chǎn)生加熱激光的信號(hào)，該探測(cè)激光信號(hào)和加熱激光信號(hào)中均包含功率信息和相位信息；步驟B，在不同的加熱激光調(diào)制頻率下，對(duì)探測(cè)激光信號(hào)和加熱激光信號(hào)進(jìn)行相位差處理，得到相位差實(shí)驗(yàn)值；步驟C，給待擬合的熱導(dǎo)率、界面熱導(dǎo)賦初始值；步驟D，在不同的加熱激光調(diào)制頻率下，根據(jù)理論模型公式，計(jì)算與相位差實(shí)驗(yàn)值對(duì)應(yīng)頻率下的相位差理論值；外)=-敦份4—,+A:
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量固體熱物性參數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，包括加熱激光產(chǎn)生組件、探測(cè)激光產(chǎn)生組件、合束元件、分光元件、加熱激光接收組件、樣品測(cè)試組件和探測(cè)激光接收組件;其中， 由加熱激光產(chǎn)生組件產(chǎn)生頻率調(diào)制的連續(xù)偏振的加熱激光，由探測(cè)激光產(chǎn)生組件產(chǎn)生連續(xù)偏振的探測(cè)激光；該加熱激光和探測(cè)激光經(jīng)過(guò)合束元件后合束為位于A平面的合束激光; 該合束激光入射分光兀件，偏振方向在A平面的成分透射至樣品測(cè)試組件,偏振方向垂直于該水平面的成分反射至加熱激光接收組件；偏振方向在A平面的合束光成分經(jīng)由樣品測(cè)試組件后，照射至被測(cè)試樣品表面； 偏振方向在A平面的合束光成分中的加熱激光將被測(cè)樣品加熱，加熱后的被測(cè)樣品對(duì)探測(cè)激光產(chǎn)生調(diào)制作用；由被測(cè)試樣品表面反射的加熱激光及調(diào)制后的探測(cè)激光的合束激光重新經(jīng)由樣品測(cè)試組件后由分光元件反射至探測(cè)激光接收組件； 探測(cè)激光接收組件將入射合束激光中的加熱激光成分濾除后，得到探測(cè)激光的信號(hào)；加熱激光接收組件將入射合束激光中的探測(cè)激光成分濾除后，得到加熱激光的信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述合束元件為冷光鏡； 所述冷光鏡對(duì)于與其所在平面成45°角入射的加熱激光全透射；對(duì)于與其所在平面成45°角入射探測(cè)激光全反射，從而實(shí)現(xiàn)加熱激光和探測(cè)激光合束為位于A平面的合束激光。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述加熱激光產(chǎn)生組件包括 信號(hào)調(diào)制器； 第一激光器，為半導(dǎo)體激光器，用于在信號(hào)調(diào)制器的調(diào)制下，輸出連續(xù)偏振激光； 第一波片，為二分之一波片，用于調(diào)節(jié)第一激光器輸出的連續(xù)偏振激光的水平偏振成分和垂直偏振成分的比例；以及 第一激光反射鏡，其反射面與透過(guò)第一波片的加熱激光成45°角，用于將入射的加入激光偏轉(zhuǎn)90°后，以45°角入射合束元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)調(diào)制器的調(diào)制頻率介于50kHz 到 20MHz 之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述探測(cè)激光產(chǎn)生組件包括 第二激光器，為半導(dǎo)體激光器，用于輸出連續(xù)偏振的探測(cè)激光； 第二波片，為二分之一波片，用于調(diào)節(jié)第二激光器輸出的連續(xù)偏振激光的水平偏振成分和垂直偏振成分的比例；以及 第二激光反射鏡，其反射面與透過(guò)第二波片的探測(cè)激光成45°角，用于將入射的探測(cè)激光偏轉(zhuǎn)90°后，以45°角入射合束元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述分光兀件為分光棱鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述樣品測(cè)試組件包括 四分之一波片，用于每次對(duì)經(jīng)過(guò)其的合束激光的偏振方向改變45° ;以及 物鏡，用于將經(jīng)過(guò)四分之一波片的偏振方向在A平面的合束光成分聚焦至被測(cè)樣品，并將由被測(cè)試樣品表面反射的加熱激光及調(diào)制后的探測(cè)激光的合束激光重新透射至所述四分之一波片。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述加熱激光接收組件包括 第一濾光片，用于濾除入射合束激光中的探測(cè)激光成分；以及 第一光電探測(cè)器，用于檢測(cè)合束激光中加熱激光的信號(hào)，其中，該信號(hào)包括功率和/或相位的信息。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述探測(cè)激光接收組件包括 第二濾光片，用于濾除入射合束激光中的加熱激光成分；以及 第二光電探測(cè)器，用于檢測(cè)合束激光中探測(cè)激光的信號(hào)，其中，該信號(hào)包括功率和/或相位的信息。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述探測(cè)激光接收組件還包括 聚焦鏡，位于所述第二濾光片的光路之前，用于對(duì)入射的合束激光進(jìn)行聚焦，聚焦后的合束激光進(jìn)入所述第二濾光片。
11.一種利用權(quán)利要求I至10中任一項(xiàng)所述的光學(xué)系統(tǒng)測(cè)量固體熱物性參數(shù)的方法，其特征在于，包括 步驟A，利用所述光學(xué)系統(tǒng)獲取不同的加熱激光調(diào)制頻率下，由探測(cè)激光接收組件產(chǎn)生探測(cè)激光信號(hào)和由加熱激光接收組件產(chǎn)生加熱激光的信號(hào)，該探測(cè)激光信號(hào)和加熱激光信號(hào)中均包含功率信息和相位信息； 步驟B，對(duì)不同的加熱激光調(diào)制頻率下，探測(cè)激光信號(hào)和加熱激光信號(hào)進(jìn)行相位差處理，得到相位差實(shí)驗(yàn)值； 步驟C，給待擬合的固體熱物性參數(shù)賦初始值； 步驟D，在不同的加熱激光調(diào)制頻率下，根據(jù)理論模型公式，計(jì)算與相位差實(shí)驗(yàn)值對(duì)應(yīng)頻率下的相位差理論值； 步驟E，對(duì)全部加熱激光調(diào)制頻率下的相位差實(shí)驗(yàn)值和對(duì)應(yīng)的相位差理論值進(jìn)行最小二乘計(jì)算，其最小二乘計(jì)算數(shù)值作為當(dāng)次迭代結(jié)果； 步驟F，記錄當(dāng)前迭代結(jié)果對(duì)應(yīng)的熱導(dǎo)率值、界面熱導(dǎo)值； 步驟G，判斷本次迭代的結(jié)果是否小于前次迭代的結(jié)果，如果是，執(zhí)行步驟H，否則，執(zhí)行步驟I ; 步驟H，將本次迭代結(jié)果對(duì)應(yīng)的固體熱物性參數(shù)值作為變化檢測(cè)輸出數(shù)據(jù)，執(zhí)行步驟J ； 步驟I，將前次迭代結(jié)果對(duì)應(yīng)的固體熱物性參數(shù)值作為變化檢測(cè)輸出數(shù)據(jù)，執(zhí)行步驟J ； 步驟J，判斷是否連續(xù)3次的迭代結(jié)果小于控制精度，如果是，執(zhí)行步驟K，否則，執(zhí)行步驟L; 步驟K，停止迭代，將由步驟H或步驟I獲得的固體熱物性參數(shù)值輸出，流程結(jié)束；以及步驟L，將由步驟H或步驟I獲得的固體熱物性參數(shù)值按照預(yù)設(shè)的步長(zhǎng)增加或減小，由預(yù)設(shè)的優(yōu)化函數(shù)確定其數(shù)值改變路徑，執(zhí)行步驟D。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述步驟D中的理論模型公式為
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述步驟L中，預(yù)設(shè)的步長(zhǎng)為當(dāng)前固體熱物性參數(shù)值的O. 5-5% ;所述優(yōu)化函數(shù)為Isqcurvefit函數(shù)或fminsearch函數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述固體熱物性參數(shù)為熱導(dǎo)率，和/或界面熱導(dǎo)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種測(cè)量固體熱物性參數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)及方法。該光學(xué)系統(tǒng)包括加熱激光產(chǎn)生組件、探測(cè)激光產(chǎn)生組件、合束元件、分光元件、加熱激光接收組件、樣品測(cè)試組件和探測(cè)激光接收組件。本發(fā)明采用信號(hào)調(diào)制的光熱反射法，屬于頻域方法，和超短脈沖激光抽運(yùn)探測(cè)法等時(shí)域方法相比，沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、光路調(diào)節(jié)更方便。
文檔編號(hào)G01N21/17GK102944519SQ20121047674
公開日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月20日
發(fā)明者邱琳, 徐先鋒, 唐大偉, 祝捷, 布文峰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所