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UHFLI高频锁相放大器在时域热反射谱TDTR和频域热反射谱FDTR的应用
2024-05-1187次
时域热反射谱(TDTR)是一种用来表征薄膜或者体材料热学性质的技术,频域热反射谱(FDTR)则是在时域热反射谱的基础上发展出的新探测手段。

一、应用简介


①时域热反射谱(TDTR)的测量数据有助于理解由声子和电子主导的输运过程。 

在典型的超快激光驱动的时域热反射谱实验中,一束被调制过的泵浦光和一束由机械延时线控制光程的探测光照射至样品表面。随后,通过对延时线的扫描,我们就能得到泵浦光与探测光之间光程差对应时间的时域热反射信号。得益于超快激光和泵浦探测技术的发展,目前已经能够测得 ps 甚至亚 ps 量级时间分辨率的热电导或者体积热容的变化过程。

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②频域热反射谱(FDTR)主要是探测的热反射信号随泵浦光的调制频率变化,而并非改变光程测得的时域信号。频域热反射谱同样可以测量热学性质,并且使用脉冲激光或者连续激光皆可。连续型频域热反射谱的优势在于不需要使用昂贵的脉冲激光器。

对于 FDTR 和 TDTR 来说,都可以通过改变泵浦光的调制频率来探究不同的热传导过程。


二、测量策略


在 TDTR 与 FDTR 实验中,被测信号通常是一个周期性微弱信号。因此,为了获得高信噪比,需要一台既快速又精确的锁相放大器。另一种利用高速光电探测器的策略就是结合 BOXCAR 平均器一起使用。这种策略可以只记录信号周期内低占空比的脉冲部分,这样就能把周期内其余部分的噪声摒弃出去。


① TDTR 测量

由于泵浦光引起的周期性热流导致了样品表面反射率的周期性变化,通过探测光,就能测得光程相对应的时间分辨温度变化。其中,泵浦光通常利用电-光调制器(EOM)进行 0.2 - 20 MHz 频率范围内的调制。随后,泵浦光通过物镜汇聚到样品表面。与此同时,与泵浦光共线的探测光脉冲也经过延迟光路后照射到同一位置。最后,反射光信号进入光电探测器转化成电信号进入锁相放大器。图1所示即为典型的实验示意图。


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图1: TDTR 与脉冲型 FDTR 的实验示意图
由于待测信号微弱,因此TDTR 是一种极难的测量,并且必须通过高精度的电子测量设备和大量的平均获得较高的信噪比。


② FDTR 测量

TDTR 的实验装置可以通过扫描调制频率的方法轻松转变成脉冲激光驱动的 FDTR 实验,需要做的就是将延时线停在固定位置并扫描几十 MHz 频率范围的泵浦光调制频率。在脉冲型 FDTR 和 连续型 FDTR(实验示意图见图2)中,光电探测器与信号分析电子设备测量的信号都是对于泵浦光调制频率的响应。而调制变化速率可以调节,其大小受限于有效信噪比。综上所述,拥有一台能够覆盖所需调制频率以及低噪声的灵敏输入端的锁相放大器是获得既快又可靠的测量结果的关键。


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图2: 连续型 FDTR 示意图


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图3:TDTR与脉冲型FDTR示意图,可以对探测光进行调制