[發明專利]多光束陣列光誘導反射率成像裝置及方法

有效

• 申請號: 201210123617.3
• 申請日: 2012-04-25
• 公開（公告）號: CN102721673A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發明（設計）人: 吳周令;陳堅
• 申請（專利權）人: 吳周令
• 主分類號: G01N21/63
• 分類號: G01N21/63
• 代理公司: 合肥天明專利事務所 34115
• 代理人: 金凱

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技術領域

本發明涉及多光束陣列光誘導反射率成像領域，具體是一種利用衍射分光裝置分光的二維光誘導反射率成像裝置及方法。

背景技術

光誘導反射率成像是一種比較靈敏的非接觸式光學測量方法。其基本原理是基于材料在光（以下稱泵浦光）的作用下會發生反射率變化。這種反射率變化在多數情況下是因為材料吸收泵浦光能量而導致局部溫度升高引起的，其物理過程可以用公式簡化表達為：

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其中，是材料表面反射率的變化，是材料反射率溫度系數，是材料吸收泵浦光能量而導致的溫度變化。由式中可以看出，在泵浦光特性確定的情況下，光誘導反射率的變化決定于被測材料的物理特性，特別是光吸收和熱物性。

對半導體材料而言，光誘導反射率的變化更為復雜一些，它是光熱信號和光致載流子密度變化結果的疊加，其物理過程可以簡化描述如下：

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其中，是材料反射率載流子密度系數，是材料吸收泵浦光能量而導致的載流子密度變化。

實際應用中泵浦光通常是被調制的。泵浦光輻照樣品表面而引起溫度或載流子密度變化并導致樣品反射率發生變化，而反射率的變化通常由另一束較弱的光（探測光）來進行探測。泵浦光和探測光同時聚焦在樣品表面上并且重疊在一起。反射率的變化一般比較微弱，需要利用鎖相技術來進行檢測。而對樣品的二維成像則是通過對樣品進行逐點掃描來獲得。這種二維掃描成像方法可以獲得較高的分辨率，在遠場測量條件下近似受限于泵浦光/探測光的衍射極限，比較容易達到亞微米量級。

然而這種傳統的二維掃描成像方法在實際應用中受到很大限制。主要原因是成像速度太慢。一方面由于信號較弱，對每一個樣品點都要進行一定時間的鎖相積分；另一方面，樣品每次移動都需要花費一定的移動和等待時間，后者是為了使整個系統從機械震動到局部溫度都能達到新的平衡。這樣一般情況下獲得一幅5微米橫向分辨率的500微米x?500微米的圖像需要近一小時的時間。如果樣品吸收微弱，則要增加積分時間，成像時間就會更長。這種成像速度很慢的缺點極大地限制了光誘導反射率成像技術的應用。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種多光束陣列光誘導反射率成像裝置及方法，解決光誘導反射率應用中逐點掃描成像方法耗時過長的問題。

本發明的技術方案為：

多光束陣列光誘導反射率成像裝置，包括泵浦光源、探測光源、光電探測器、與泵浦光源和探測光源對應的樣品臺，從泵浦光源至樣品臺之間依次設置有泵浦光衍射分光裝置、陣列調制器、分色鏡和聚焦成像透鏡；從探測光源至樣品臺之間依次設置有探測光衍射分光裝置、偏振分光鏡、四分之一波片、所述的分色鏡和所述的聚焦成像透鏡；所述的光電探測器設置于偏振分光鏡的后端，從所述的偏振分光鏡至光電探測器之間設置有探測光聚焦透鏡和探測光濾光裝置。

所述的泵浦光源選用激光光源或單色光光源；所述的探測光源選用激光光源或單色光光源。

所述的泵浦光衍射分光裝置和探測光衍射分光裝置均可選用位相型分光光柵。

多光束陣列光誘導反射率成像方法，包括以下步驟：

（1）、將被測樣品至于樣品臺上；

（2）、泵浦光源發出的泵浦光束，泵浦光束經過泵浦光衍射分光裝置后被分為呈陣列分布的光束組，光束組經過陣列光調制器后被調制，并且其中每一束光的調制頻率各不相同，調制后的泵浦光束組由分色鏡反射、并通過聚焦成像透鏡聚焦后照射到放置于樣品臺上的被測樣品的表面；

（3）、探測光源發出的探測光束，經過探測光衍射分光裝置后被分為呈陣列分布的探測光束組，探測光束組依次經過偏振分光鏡、四分之一波片和分色鏡后，由聚焦成像透鏡會聚到被測樣品表面，并且與聚焦后的泵浦光束組在被測樣品表面重合，泵浦光束組在樣品表面對應區域激發局部溫度變化，從而引起被測樣品對探測光束反射率的變化，每一束探測光都對應與泵浦光束組中的一束泵浦光重合；

（4）、由被測樣品表面反射的探測光束組再依次經過聚焦成像透鏡、分色鏡和四分之一波片后，再經偏振分光鏡反射后，由探測光聚焦透鏡會聚、并經過探測光濾光裝置后進入光電探測器；

（5）、光電探測器獲得的光誘導反射率信號含有不同調制頻率下的光熱反射率信號，分別代表來自樣品上不同探測光所對應的區域的信號，這些信號通過后續數據處理，得到樣品表面的二維光熱反射率圖像。

所述的光電探測器與多個模擬-數字轉換電路或鎖相放大器并行測量，可進一步節省測量時間，提高成像速度。