[發明專利]固體表面聲波的瞬態探測方法及其裝置

無效

• 申請號: 201110249745.8
• 申請日: 2011-08-29
• 公開（公告）號: CN102322939A
• 公開（公告）日: 2012-01-18
• 發明（設計）人: 馮東海;李霞;賈天卿;潘賢群;孫真榮;徐至展
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 上海藍迪專利事務所 31215
• 代理人: 徐筱梅;張翔

技術領域????

????本發明屬激光應用技術領域，涉及一種利用激光偏振法探測固體表面聲波的產生和演化過程的瞬態過程，尤其是探測飛秒激光在晶體表面所產生的GHz以上量級高頻超聲波及其演化動力學。

背景技術????

近年來，固體表面高頻超聲聲波的產生和探測技術引起了科研工作者的廣泛關注。研究表明，利用皮秒或飛秒超短脈沖激光可在固體表面產生GHz以上量級高頻率的超聲聲波。涉及的固體材料包括金屬、半導體甚至金屬含氧酸鹽。材料的形態可以是晶體材料、亞微米級薄膜、量子阱和量子點材料。其基本原理是，在高于材料吸收帶隙光子能量的超短脈沖激光輻照下，材料將吸收激光能量而產生大量的熱載流子。這些熱載流子進一步通過電子-電子或者電子-聲子相互作用，使周圍的電子或晶格熱化，使得電子或晶格溫度升高，從而產生熱應力而導致晶格形變，其中包括晶格體積的變化。晶格體積的膨脹與壓縮即對應聲學聲波的產生，其頻率一般可到GHz以上，屬高頻率的超聲聲波。

在高頻超聲聲波的產生及演化動力學研究中，涉及的基本技術是泵浦-探測技術。泵浦光的作用無非是產生高頻超聲聲波以及提供時間參考點。但探測技術以及其中涉及的探測原理卻是多種多樣的。比如有利用超快X射線或電子衍射術直接探測聲波對應的晶格振動；全光技術的瞬態干涉術或光移位法；研究最多的是瞬態光反射技術：即通過探測材料反射率隨時間變化的信息來反演高頻聲波信息，如聲波的頻率、聲波的傳播速度以及聲波能量的耗散時間。表面聲波引起反射率的變化原因在于：表面聲波的產生和傳播將改變材料的介電常數或折射率。折射率的改變將導致材料的反射率隨之改變。

由于熱應力可導致雙折射，表面聲波的存在不僅改變材料的介電常數，而且導致對光響應的各向異性。即原來如果是光各向同性材料則有可能變成光各向異性材料；原來是光各向異性則有可能進一步加強這種特性。因此表面聲波的存在將導致材料的雙折射，從而改變入射光的偏振狀態。

發明內容????

本發明的目的是提供一種探測飛秒激光在固體表面所產生的高頻超聲波及其演化動力學的新方法及其實施該方法的裝置。

實現本發明目的的具體技術方案是：

一種固體表面聲波的瞬態探測方法，該方法是將一束泵浦光和一束探測光聚焦到被測物同一點，要求泵浦光強度是探測光強度的至少10倍；泵浦光靶點橫向光斑尺寸大于其縱向尺寸，橫向尺寸為100微米量級；泵浦光為任意偏振；探測光為水平或豎直線偏振；探測光在被測物表面的反射光經過一個半波片和一個偏振分束器后分成偏振方向互相垂直的兩光束，這兩光束分別進入平衡探測器的兩個探頭，其差分信號最后進入鎖相放大器進行探測，探測時，先將泵浦光遮擋，調節偏振分束器前的半波片使得平衡探測器的差分信號為零；在泵浦光照射被測物時，材料的性質發生改變，同時改變探測光的偏振狀態，此時平衡探測器的差分信號不為零；通過探測入射光偏振狀態的改變及演化信息，獲知被測物表面聲波的信息即聲波的頻率、聲波的傳播速度以及聲波能量的耗散時間。

所述泵浦光光子能量處于材料的帶隙吸收以上，而探測光光子能量則處于材料吸收帶邊附近；所反映的聲波的頻率將等于探測光偏振信號的調制頻率；偏振調制信號的衰減時間即為表面聲波的能量耗散時間；聲波的傳播速度則等于????????????????????????????????????????????????，其中-聲波頻率，-探測光波長，-材料折射率。

一種實施上述方法的裝置，該裝置包括泵浦光脈沖、探測光脈沖、分束片、半波片、偏振分束鏡、第一高反鏡、第二高反鏡、差分式平衡探測器及鎖相放大器。所述探測光脈沖與被測物垂直設置，泵浦光脈沖與被測物10～15°入射角傾斜設置；分束片為半透半反設置，位于探測光入射及反射光路上；半波片、偏振分束鏡、第一第二高反鏡、差分式平衡探測器依次位于探測光反射光路上。半波片具高精密微細旋轉調節設置；偏振分束鏡為高光透過率設置；第一高反鏡、第二高反鏡為寬帶寬高反設置；差分式平衡探測器及鎖相放大器間BNC數據線連接。?