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TDTR的三个重要变体之FDTR

发布时间:2021-08-10 09:12:30 浏览量:2929 作者:Leon

摘要

频域热反射简称为FDTR,是TDTR的三个重要变化的独特特征和挑战之一。FDTR相对于TDTR更容易实现,因为它避免了时间延迟的

长机械延迟的复杂性,并且可以使用廉价的连续波激光源。

正文


FDTR收集作为泵浦光束调制频率的函数的热反射信号,而不是监控作为泵浦和探测脉冲到达时间之间的延迟的函数的热反射信号。因

此,通过将延迟级保持在固定位置,基于超快激光TDTR也可以实现FDTR的功能。下面先讨论和比较脉冲FDTR和连续FDTR。

脉冲FDTR使用与传统TDTR类似的设置。唯一不同的是,用于消除TDTR高次谐波信号的谐振电路不能用于FDTR实验,因为数据是作

为调制频率的连续函数获得的,而谐振电路通常处于固定的截止频率。然而,如果泵浦光束由纯正弦波调制,或者如果使用干净正弦波

乘法器的数字锁定放大器用于锁定检测,或者如果在热建模中也考虑了高次谐波,则谐振滤波的使用对于TDTR并不总是必要的。


如图1所示,CW FDTR可以以更容易的方式配置。基于连续波激光的FDTR的一个主要挑战是在FDTR实验中精确确定相位信号。除了

期望的热相位信号φtherm之外,附加的频率相关相移,统称为φinstrum,将由光电探测器、电缆、仪器和光束的不同光程长度等部

件引入。在基于超快激光的TDTR和FDTR中,通过Vout信号在零延迟时间内保持恒定,可以方便地校正仪器相位。对于基于连续波激

光的FDTR,一种通常采用的方法是在EOM之后分离一部分泵浦光束,并将其发送到与主光电探测器相同的参考光电探测器,如图1所

示。请注意,这里的“相同”不仅指相同的检测器模型,还指相同的操作参数,如施加的反向偏置、入射光束强度和激光波长,所有这

些都会影响检测器引入的相移。此外,EOM检测器和参考检测器之间的光程长度也应等于从EOM到样品和从样品到探针检测器的光程

长度之和。在这种情况下,主检测器的信号将是φ1 = φtherm+ φinstrum,而参考检测器的信号将是φ2 = φinstrum。锁定放大器将

两个信号通道之间的相位差测量为φtherm = φ1 - φ2。另一种方法是使用相同的光电探测器,但进行两个独立的实验:一个是反射泵浦

光束被滤波后的探测光束的相位信号,另一个是反射探测光束被滤波后的泵浦光束的相位信号。在这种情况下,泵的测量相位是

φpump = φinstrum - φref。探头的测量相位是φprobe = φtherm + φinstrum - φref。因此,热信号可以通过减去两个实验的相位

响应来扣除。但是,应特别小心,确保两个实验中检测器处的激光束强度和波长等因素相同,以避免无意的系统误差。



图1. 基于两个不同波长连续激光器的FDTR系统示意图


TDTR的热传输模型仍然适用于FDTR,只有一个区别,即信号是作为调制频率而不是延迟时间的函数计算的。当用连续波激光器代替

脉冲激光器时,热分析是相似的,Vin、Vout信号仍由以下方程给出,只有方程中的“n”应该为零。


 

图2显示了在0.05–20 MHz的调制频率范围内,使用100 nm铝换能器,使用5 μm的均方根光斑尺寸,对蓝宝石样品进行连续波和脉冲

FDTR测量的计算信号示例。脉冲FDTR的延迟时间固定为100 ps。结果表明,连续波和脉冲FDTR结构具有几乎相同的Vout,但Vin有

显著差异,这表明TDTR实验中的Vout主要来自调制频率下的连续加热。脉冲FDTR的相位信号在0.05–20 MHz的调制频率范围内变化

相对较小,而连续波FDTR的相位信号作为频率的函数变化很大。



图2. 使用激光光斑尺寸w0=5 μm,在0.05–20 MHz范围内对覆盖有100 nm铝换能器的蓝宝石衬底进行连续波和脉冲FDTR测量的计算信号。对于脉冲解决方案,延迟时间固定为100 ps



图3.来自CW和脉冲FDTR在蓝宝石衬底的不同参数上比率信号的灵敏度系数R =–Vin/Vout,蓝宝石衬底由100 nm铝传感器覆盖,使用w0=5 μm的光斑尺寸。脉冲FDTR的延迟时间固定在100 ps


TDTR实验的灵敏度分析可以类似地应用于FDTR。虽然有使用相位信号φ来导出热特性的情况,但是为了一致性,比率信号R这里使用-

Vin/Vout,相当于相位信号φ = -arctan(Vout/Vin)。图3使用w0=5微米的光斑尺寸,比较了在0.05–20兆赫调制频率范围内,连续波和

脉冲FDTR的比率信号对蓝宝石样品不同参数的灵敏度。结果表明连续波和脉冲FDTR对衬底的热导率和热容量具有相似的灵敏度;然

而,脉冲FDTR的信号对光斑尺寸w0和换能器薄膜的热容敏感得多。


图4. BB-FDTR设置示意图。实验装置的其余部分与FDTR系统相同。与FDTR设置相比,在反射探头路径中增加了第二个EOM


理论上,连续波FDTR中的连续波激光束可以在任何频率下进行调制。然而,在实践中,由于较高调制频率下的信噪比较差,调制频率

被限制为< 20兆赫。因此,一种称为宽带频域热反射(BB-FDTR)的外差技术已经被实现,以将调制频率扩展到200兆赫。然而,由于小

的热穿透深度和严重的热效应,在如此高的调制频率下进行测量可能具有挑战性。BB-FDTR设置的示意图如图4所示。FDTR和BB-

FDTR的主要区别在于,在反射的探测光束上增加了频率为f2的附加调制。无论泵浦光束f1的调制频率有多高,锁定放大器都只能测量

低得多的频率f1-f2的信号,可以选择在适当的范围内,以实现极高的信噪比并保持热信号的高保真度。另一个好处是,频率差f1-f2也

可以选择为接近锁定放大器频率范围的上限,这样高次谐波成分就自然地被排除在锁定检测之外,扩展调制频率范围大大扩展了FDTR

的能力。


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