時域熱反射係統（TDTR）是基於(yu) 飛秒激光的探測技術。TDTR利用飛秒激光對樣品進行加熱，樣品的溫度發生變化，樣品的溫度隨時間而消退，在皮秒級時間內(nei) 用探測光對樣品表麵的反射率進行測量。樣品表麵通常塗上一層作為(wei) 傳(chuan) 感器的金屬薄膜，當溫升較小時(通常<絕對溫度的10%或<10 K，以較小者為(wei) 準)，其表麵反射率隨溫度線性變化。
TDTR專(zhuan) 題：時域熱反射係統的基本原則介紹（一）
時域熱反射係統 基本光路：
在典型的TDTR設置中，如圖1。鎖模Ti:藍寶石激光振蕩器作為(wei) 光源，它提供重複頻率80 MHz、波長800 nm、150 fs激光脈衝(chong) 。光學隔離器裝在激光振蕩器的出口，以防止激光束反射回振蕩器。在隔離器前安裝半波片調節TDTR測量時的激光功率。然後激光束通過偏振分束器分成泵浦光和探針光。在PBS之前，另一個(ge) 半波片用來調整泵浦和探針光束之間的功率比。泵束通常在0.2-20 MHz範圍內(nei) 使用電光調製器(EOM)調製頻率，然後通過物鏡聚焦到樣品。另外一些TDTR設置使用聲光調製器(AOM)，但由於(yu) AOM的上升時間長得多，調製頻率通常有限。EOM調製頻率作為(wei) 鎖定檢測的參考。在通過相同的物鏡聚焦到樣品之前，探針光束通過機械延遲線產(chan) 生時間延遲。探測束通常在延遲階段之前擴束，以減小長距離傳(chuan) 輸導致的發散。
圖1. 典型TDTR係統光學裝置圖
時域熱反射係統 探測方式：
反射的探測光束由快速響應光電二極管探測器收集，它將光信號轉換成電信號。然後使用鎖相放大器從(cong) 強背景噪聲中提取信號。在早期TDTR係統中，探測器和鎖相放大器之間插入一個(ge) 電感，電阻為(wei) 50Ω。原因是泵浦光束通常由方波函數調製(例如，使用康諾皮科国产黄色在线观看的350–160 EOM和25D型放大器)，並且方波的所有不希望的奇次諧波都由使用方波乘法器的鎖相放大器檢測(例如斯坦福研究係統国产黄色在线观看的SR844型)。因此，電感器用作諧振帶通濾波器，以消除方波調製功能的高次諧波。如果泵浦光束由正弦波函數調製，或者如果使用具有幹淨正弦波乘法器的數字鎖定放大器(如蘇黎世儀(yi) 器国产黄色在线观看的HF2LI型)進行鎖定檢測，這種諧振濾波器就變得沒有必要，這兩(liang) 種放大器本質上都沒有不需要的諧波。
時域熱反射係統 泄漏泵浦光抑製：
為(wei) 了使鎖定檢測有效，反射的泵浦光束必須被光電二極管檢測器阻擋。由於(yu) 泵浦光束和探測光束是交叉偏振的，物鏡和探測器之間的PBS可以抑製> 99%的反射泵浦光束。然而，由於(yu) 熱反射係數dR/dT較小(10-4k -1)，即使反射探測光束的強度小於(yu) 0.01%，少量的反射泵浦光束也足以使TDTR測量失真。光學技術可用於(yu) 進一步抑製反射的泵浦光束。一種常用的方法是泵浦和探測光束的空間分離，如圖1所示。
在這種方法中，當進入物鏡時，泵浦光束和探測光束平行並垂直分開4mm，使得反射的泵浦光束可以被孔徑阻擋，而隻有鏡麵反射的探測光束被允許通過孔徑並被光電二極管檢測器接收。應注意確保反射的探測光束不被光圈夾住；否則，由於(yu) 樣品表麵的熱膨脹會(hui) 引起探針束的振幅調製，從(cong) 而影響測量結果。該方法結構簡單，適用於(yu) 表麵粗糙度<15 nm的光學光滑樣品。對於(yu) 光學粗糙的樣品，泵浦光束和探測光束需要進行光譜分離，以便使用高效的濾光器消除反射的泵浦光束，使用邊緣銳利的濾光片，將泵浦和探針的光譜分離約7 nm的波長。或者通過“雙色”方法，利用二次諧波產(chan) 生使泵浦或探測光束的頻率加倍。
這兩(liang) 種方法都會(hui) 損耗較多的激光功率，損耗對於(yu) 測量高導電性材料(如金剛石)是一個(ge) 關(guan) 鍵問題，需要足夠高的激光功率強度來產(chan) 生足夠高的信噪比。此外，雙色法對激光的強度和波長穩定性都有很高的要求。否則，激光波長的波動將轉化為(wei) 泵浦和探測光束的功率強度的波動，並在TDTR測量中出現噪聲。其次泄漏泵束對Vout信號的影響主要是線性的，Vout=Vout0+aVleak。Vout0為(wei) 不受泄漏泵束影響的反相熱信號，a為(wei) 比例常數，Vleak為(wei) 僅(jin) 由泄漏泵束引起的檢測信號。常數a取決(jue) 於(yu) 包括檢測器光電流和諧振電路品質因數在內(nei) 的因素，可以通過測量Vout作為(wei) Vleak的函數並將梯度視為(wei) a=ΔVout/ΔVleak來確定。因此，TDTR信號可以通過在TDTR實驗期間監測Vleak信號來方便地從(cong) 偽(wei) 影中校正。該方法可以很好地處理所有的粗糙樣品，隻要樣品表麵的高斯激光輪廓不被表麵粗糙度所扭曲。
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