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UHFLI高頻鎖相放大器在時域熱反射譜TDTR和頻域熱反射譜FDTR的應用

2024-05-111333次

時域熱反射譜（TDTR）是一種用來表征薄膜或者體材料熱學性質的技術，頻域熱反射譜（FDTR）則是在時域熱反射譜的基礎上發展出的新探測手段。

一、應用簡介

①時域熱反射譜（TDTR）的測量數據有助于理解由聲子和電子主導的輸運過程。

在典型的超快激光驅動的時域熱反射譜實驗中，一束被調制過的泵浦光和一束由機械延時線控制光程的探測光照射至樣品表面。隨后，通過對延時線的掃描，我們就能得到泵浦光與探測光之間光程差對應時間的時域熱反射信號。得益于超快激光和泵浦探測技術的發展，目前已經能夠測得 ps 甚至亞 ps 量級時間分辨率的熱電導或者體積熱容的變化過程。

②頻域熱反射譜（FDTR）主要是探測的熱反射信號隨泵浦光的調制頻率變化，而并非改變光程測得的時域信號。頻域熱反射譜同樣可以測量熱學性質，并且使用脈沖激光或者連續激光皆可。連續型頻域熱反射譜的優勢在于不需要使用昂貴的脈沖激光器。

對于 FDTR 和 TDTR 來說，都可以通過改變泵浦光的調制頻率來探究不同的熱傳導過程。

二、測量策略

在 TDTR 與 FDTR 實驗中，被測信號通常是一個周期性微弱信號。因此，為了獲得高信噪比，需要一臺既快速又精確的鎖相放大器。另一種利用高速光電探測器的策略就是結合 BOXCAR 平均器一起使用。這種策略可以只記錄信號周期內低占空比的脈沖部分，這樣就能把周期內其余部分的噪聲摒棄出去。

① TDTR 測量

由于泵浦光引起的周期性熱流導致了樣品表面反射率的周期性變化，通過探測光，就能測得光程相對應的時間分辨溫度變化。其中，泵浦光通常利用電-光調制器（EOM）進行 0.2 - 20 MHz 頻率范圍內的調制。隨后，泵浦光通過物鏡匯聚到樣品表面。與此同時，與泵浦光共線的探測光脈沖也經過延遲光路后照射到同一位置。最后，反射光信號進入光電探測器轉化成電信號進入鎖相放大器。圖1所示即為典型的實驗示意圖。

圖1： TDTR 與脈沖型 FDTR 的實驗示意圖

由于待測信號微弱，因此TDTR 是一種極難的測量，并且必須通過高精度的電子測量設備和大量的平均獲得較高的信噪比。

② FDTR 測量

TDTR 的實驗裝置可以通過掃描調制頻率的方法輕松轉變成脈沖激光驅動的 FDTR 實驗，需要做的就是將延時線停在固定位置并掃描幾十 MHz 頻率范圍的泵浦光調制頻率。在脈沖型 FDTR 和連續型 FDTR（實驗示意圖見圖2）中，光電探測器與信號分析電子設備測量的信號都是對于泵浦光調制頻率的響應。而調制變化速率可以調節，其大小受限于有效信噪比。綜上所述，擁有一臺能夠覆蓋所需調制頻率以及低噪聲的靈敏輸入端的鎖相放大器是獲得既快又可靠的測量結果的關鍵。

圖2： 連續型 FDTR 示意圖

圖3:TDTR與脈沖型FDTR示意圖,可以對探測光進行調制

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① TDTR 測量