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UHFLI高頻鎖相放大器在時(shí)域熱反射譜TDTR和頻域熱反射譜FDTR的應(yīng)用

2024-05-11964次

時(shí)域熱反射譜（TDTR）是一種用來(lái)表征薄膜或者體材料熱學(xué)性質(zhì)的技術(shù)，頻域熱反射譜（FDTR）則是在時(shí)域熱反射譜的基礎(chǔ)上發(fā)展出的新探測(cè)手段。

一、應(yīng)用簡(jiǎn)介

①時(shí)域熱反射譜（TDTR）的測(cè)量數(shù)據(jù)有助于理解由聲子和電子主導(dǎo)的輸運(yùn)過(guò)程。

在典型的超快激光驅(qū)動(dòng)的時(shí)域熱反射譜實(shí)驗(yàn)中，一束被調(diào)制過(guò)的泵浦光和一束由機(jī)械延時(shí)線控制光程的探測(cè)光照射至樣品表面。隨后，通過(guò)對(duì)延時(shí)線的掃描，我們就能得到泵浦光與探測(cè)光之間光程差對(duì)應(yīng)時(shí)間的時(shí)域熱反射信號(hào)。得益于超快激光和泵浦探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)能夠測(cè)得 ps 甚至亞 ps 量級(jí)時(shí)間分辨率的熱電導(dǎo)或者體積熱容的變化過(guò)程。

②頻域熱反射譜（FDTR）主要是探測(cè)的熱反射信號(hào)隨泵浦光的調(diào)制頻率變化，而并非改變光程測(cè)得的時(shí)域信號(hào)。頻域熱反射譜同樣可以測(cè)量熱學(xué)性質(zhì)，并且使用脈沖激光或者連續(xù)激光皆可。連續(xù)型頻域熱反射譜的優(yōu)勢(shì)在于不需要使用昂貴的脈沖激光器。

對(duì)于 FDTR 和 TDTR 來(lái)說(shuō)，都可以通過(guò)改變泵浦光的調(diào)制頻率來(lái)探究不同的熱傳導(dǎo)過(guò)程。

二、測(cè)量策略

在 TDTR 與 FDTR 實(shí)驗(yàn)中，被測(cè)信號(hào)通常是一個(gè)周期性微弱信號(hào)。因此，為了獲得高信噪比，需要一臺(tái)既快速又精確的鎖相放大器。另一種利用高速光電探測(cè)器的策略就是結(jié)合 BOXCAR 平均器一起使用。這種策略可以只記錄信號(hào)周期內(nèi)低占空比的脈沖部分，這樣就能把周期內(nèi)其余部分的噪聲摒棄出去。

① TDTR 測(cè)量

由于泵浦光引起的周期性熱流導(dǎo)致了樣品表面反射率的周期性變化，通過(guò)探測(cè)光，就能測(cè)得光程相對(duì)應(yīng)的時(shí)間分辨溫度變化。其中，泵浦光通常利用電-光調(diào)制器（EOM）進(jìn)行 0.2 - 20 MHz 頻率范圍內(nèi)的調(diào)制。隨后，泵浦光通過(guò)物鏡匯聚到樣品表面。與此同時(shí)，與泵浦光共線的探測(cè)光脈沖也經(jīng)過(guò)延遲光路后照射到同一位置。最后，反射光信號(hào)進(jìn)入光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化成電信號(hào)進(jìn)入鎖相放大器。圖1所示即為典型的實(shí)驗(yàn)示意圖。

圖1： TDTR 與脈沖型 FDTR 的實(shí)驗(yàn)示意圖

由于待測(cè)信號(hào)微弱，因此TDTR 是一種極難的測(cè)量，并且必須通過(guò)高精度的電子測(cè)量設(shè)備和大量的平均獲得較高的信噪比。

② FDTR 測(cè)量

TDTR 的實(shí)驗(yàn)裝置可以通過(guò)掃描調(diào)制頻率的方法輕松轉(zhuǎn)變成脈沖激光驅(qū)動(dòng)的 FDTR 實(shí)驗(yàn)，需要做的就是將延時(shí)線停在固定位置并掃描幾十 MHz 頻率范圍的泵浦光調(diào)制頻率。在脈沖型 FDTR 和連續(xù)型 FDTR（實(shí)驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖2）中，光電探測(cè)器與信號(hào)分析電子設(shè)備測(cè)量的信號(hào)都是對(duì)于泵浦光調(diào)制頻率的響應(yīng)。而調(diào)制變化速率可以調(diào)節(jié)，其大小受限于有效信噪比。綜上所述，擁有一臺(tái)能夠覆蓋所需調(diào)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(cè)量結(jié)果的關(guān)鍵。

圖2： 連續(xù)型 FDTR 示意圖

圖3:TDTR與脈沖型FDTR示意圖,可以對(duì)探測(cè)光進(jìn)行調(diào)制

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① TDTR 測(cè)量