本發(fā)明涉及一種寬帶頻域熱反射方法，尤其涉及一種測(cè)量固體材料熱物性的寬帶頻域熱反射方法。

背景技術(shù)：

1、頻域熱反射法是一種先進(jìn)的熱物性測(cè)量技術(shù)。它通過(guò)使用周期性調(diào)制的連續(xù)激光作為熱源來(lái)加熱樣品，樣品表面的溫度發(fā)生周期性變化。當(dāng)溫度變化保持在較小的范圍內(nèi)時(shí)，光強(qiáng)反射系數(shù)與溫度之間存在線(xiàn)性關(guān)系。利用這一特性，我們可以采用另一束連續(xù)激光作為探測(cè)光源照射樣品，并通過(guò)分析從樣品表面反射回來(lái)的光來(lái)測(cè)量其表面溫度的變化幅度和相位。樣品表面溫度與周期性熱源加熱的相位差與樣品的熱物性參數(shù)密切相關(guān)。通過(guò)測(cè)量不同加熱頻率下兩者的相位差，然后采用逆向解析的方法就可以確定樣品的熱物性參數(shù)，包括熱導(dǎo)率、界面熱導(dǎo)和體積熱容等。這種方法不僅能夠提供精確的測(cè)量結(jié)果，而且操作簡(jiǎn)便，為材料科學(xué)和熱物性研究領(lǐng)域帶來(lái)了巨大的便利。

2、但是在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中往往需要比較寬的加熱頻率區(qū)間，因?yàn)槟嫦蚪馕龅玫綗嵛镄詤?shù)的準(zhǔn)確性取決于敏感度。由于不同加熱頻率范圍內(nèi)各參數(shù)的敏感度差異很大，相應(yīng)地，逆向解析的準(zhǔn)確性差異也很大。因此，如需準(zhǔn)確得到被測(cè)材料的各參數(shù)，需進(jìn)行寬加熱頻率范圍的測(cè)量，從而可以分別選用各參數(shù)對(duì)應(yīng)敏感度高的加熱頻率區(qū)間內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的逆向解析。

3、在傳統(tǒng)的頻域熱反射法中，利用電光調(diào)制器(eom)對(duì)泵浦光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，在泵浦光路徑中引入一個(gè)正弦波形的電信號(hào)來(lái)以產(chǎn)生一個(gè)調(diào)制的光信號(hào)。傳統(tǒng)方法的加熱頻率通常在20mhz以下，原因在于，探測(cè)光的頻率響應(yīng)信號(hào)為其中，ctr為結(jié)構(gòu)表面的光反射系數(shù)；q0、q1為泵浦光、探測(cè)光的功率；k為漢克爾變換量；c、d為熱傳導(dǎo)矩陣中的矩陣元；ω0、ω1為加熱光、探測(cè)光的半徑。探測(cè)光信號(hào)強(qiáng)度與幅值r正相關(guān)，為該公式表明當(dāng)加熱頻率升高時(shí)，信號(hào)的幅度會(huì)減小。此外，在高頻區(qū)域還伴隨著相干噪聲和環(huán)境噪聲的增加，具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)兩根線(xiàn)纜傳輸高頻信號(hào)，尤其是超過(guò)20mhz的信號(hào)時(shí)，主要的噪聲來(lái)源是連接eom放大器和eom的電纜。這些電纜上的高電壓信號(hào)會(huì)在與熱信號(hào)相同的頻率上產(chǎn)生廣播效應(yīng)，進(jìn)而被連接光電探測(cè)器和鎖相放大器之間的電纜所接收。由于這根電纜在這種情況下充當(dāng)了天線(xiàn)的角色，它接收到的噪聲信號(hào)會(huì)與熱信號(hào)疊加，從而進(jìn)一步降低了測(cè)量的準(zhǔn)確性?？傊?，這些因素共同導(dǎo)致頻域熱反射法的信噪比在更高的加熱頻率下顯著降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明旨在提供一種測(cè)量固體材料熱物性的寬帶頻域熱反射方法，用以解決頻域熱反射法在高頻測(cè)量下信噪比較低的問(wèn)題，同時(shí)更寬的加熱頻率區(qū)間可以獲取更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，進(jìn)而可以根據(jù)其靈敏度曲線(xiàn)選擇合適的區(qū)間進(jìn)行參數(shù)擬合，提高熱物性測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明所述的測(cè)量固體材料熱物性的寬帶頻域熱反射方法，該方法可以選擇讓差頻發(fā)生在樣品表面或光電探測(cè)器前。

3、當(dāng)差頻發(fā)生在樣品表面時(shí)，該方法包括：泵浦激光器和探測(cè)激光器進(jìn)行同步強(qiáng)度調(diào)制，該信號(hào)發(fā)生器能夠輸出多種頻率，包括差頻信號(hào)，以供鎖相放大器使用作為參考頻率。泵浦光照射到樣品表面，引起樣品加熱。與此同時(shí)，探測(cè)光攜帶的信號(hào)與泵浦光攜帶的信號(hào)在樣品表面相遇并發(fā)生混頻，這兩束光隨后一同反射回光電探測(cè)器，利用鎖相放大器測(cè)量出泵浦光、探測(cè)光以及混頻光的相位，并計(jì)算出熱相位，對(duì)熱相位進(jìn)行擬合后獲得所需的熱物性參數(shù)。所述熱相位的計(jì)算公式如下：

4、

5、其中，為泵浦光的相位，為探測(cè)光的相位，為混頻光的相位。

6、進(jìn)一步地，泵浦光激光器和探測(cè)光激光器均通過(guò)各自的信號(hào)發(fā)生器和電光調(diào)制器(eom)進(jìn)行獨(dú)立且不同的強(qiáng)度調(diào)制，分別在頻率f1和f2上。

7、當(dāng)差頻發(fā)生在光電探測(cè)器前，該方法包括：電光調(diào)制器對(duì)泵浦光施加頻率為f1的強(qiáng)度調(diào)制，泵浦光照射到樣品表面，引起樣品加熱，使樣品表面溫度周期性變化，然后未調(diào)制的探測(cè)光到達(dá)樣品表面后，由于溫度變化帶來(lái)的周期性反射率變化，探測(cè)光在經(jīng)過(guò)樣品表面反射后攜帶著頻率為f1的信號(hào)并攜帶熱相位，這個(gè)信號(hào)隨后被光電探測(cè)器前的電光調(diào)制器進(jìn)一步調(diào)制，通過(guò)低通濾波器后，信號(hào)頻率轉(zhuǎn)換為f1-f2，最終被鎖相放大器捕獲。利用鎖相放大器測(cè)量出泵浦光、探測(cè)光以及混頻光的相位，并計(jì)算出熱相位，對(duì)熱相位進(jìn)行擬合后獲得所需的熱物性參數(shù)。所述熱相位的計(jì)算公式同上。

8、進(jìn)一步地，兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器與混頻器相連，通過(guò)混頻器產(chǎn)生一個(gè)頻率為f1-f2的參考信號(hào)，供給鎖相放大器。

9、進(jìn)一步地，混頻時(shí)的頻率差值δf為100khz-50mhz。本發(fā)明通過(guò)使兩個(gè)調(diào)制頻率的差值δf＝f1-f2保持為一個(gè)較低的固定值，且此差值被設(shè)定為鎖相放大器的參考頻率。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于，可以在樣品界面或光電探測(cè)器前上直接進(jìn)行頻率差分，從而規(guī)避了傳統(tǒng)技術(shù)方案中相干噪聲帶來(lái)的影響，進(jìn)而提高了信號(hào)處理的效率和測(cè)量的準(zhǔn)確性。

10、進(jìn)一步地，泵浦光路上設(shè)有分束鏡，探測(cè)光路上設(shè)有長(zhǎng)波通二向色鏡，光電探測(cè)器前安裝有對(duì)應(yīng)兩種光的濾光片。

11、進(jìn)一步地，所述熱物性參數(shù)包括熱導(dǎo)率、體積熱容和界面熱導(dǎo)。

12、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：所述方法可以有效提高測(cè)量頻率大于20mhz時(shí)的信噪比，最終實(shí)現(xiàn)高達(dá)200mhz的加熱頻率。更寬的加熱頻率區(qū)間可以獲取更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，進(jìn)而可以根據(jù)其靈敏度曲線(xiàn)選擇合適的區(qū)間進(jìn)行參數(shù)擬合，提高熱物性測(cè)量的準(zhǔn)確性。此外，本發(fā)明能夠在高泵浦光調(diào)制頻率下實(shí)現(xiàn)反射探測(cè)光的差頻信號(hào)測(cè)量，且保持了卓越的信噪比。更高的加熱頻率，允許在高頻調(diào)制條件下捕獲更豐富的數(shù)據(jù)點(diǎn)。這些數(shù)據(jù)點(diǎn)的增加提供了更寬廣的選擇范圍，以根據(jù)靈敏度曲線(xiàn)挑選合適的區(qū)間進(jìn)行參數(shù)擬合。這一方案顯著提升了熱物性測(cè)量的準(zhǔn)確性與可靠性，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確解析奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

技術(shù)特征：

1.一種測(cè)量固體材料熱物性的寬帶頻域熱反射方法，其特征在于，該方法包括：對(duì)泵浦光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，泵浦光照射到樣品表面，引起樣品加熱，探測(cè)光到達(dá)樣品表面后發(fā)生反射，并在樣品表面或光電探測(cè)器前產(chǎn)生差頻信號(hào)，利用鎖相放大器測(cè)量出泵浦光、探測(cè)光以及混頻光的相位，并計(jì)算出熱相位，對(duì)熱相位進(jìn)行擬合后獲得所需的熱物性參數(shù)；所述熱相位的計(jì)算公式如下：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述測(cè)量固體材料熱物性的寬帶頻域熱反射方法，其特征在于，在樣品表面產(chǎn)生差頻信號(hào)的情況下，泵浦光和探測(cè)光進(jìn)行同步強(qiáng)度調(diào)制，探測(cè)光攜帶的信號(hào)與泵浦光攜帶的信號(hào)同時(shí)在樣品表面相遇并發(fā)生混頻，這兩束光隨后一同反射回光電探測(cè)器。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述測(cè)量固體材料熱物性的寬帶頻域熱反射方法，其特征在于，在光電探測(cè)器前產(chǎn)生差頻信號(hào)的情況下，所述探測(cè)光未進(jìn)行調(diào)制，到達(dá)樣品表面后發(fā)生反射，再經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器前的電光調(diào)制器后發(fā)生混頻。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述測(cè)量固體材料熱物性的寬帶頻域熱反射方法，其特征在于，泵浦激光器和探測(cè)激光器通過(guò)信號(hào)發(fā)生器和/或電光調(diào)制器進(jìn)行同步強(qiáng)度調(diào)制。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述測(cè)量固體材料熱物性的寬帶頻域熱反射方法，其特征在于，光電探測(cè)器和探測(cè)激光器前都連有電光調(diào)制器，電光調(diào)制器和信號(hào)發(fā)生器相連，兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器與混頻器相連，所述混頻器產(chǎn)生參考信號(hào)，供給鎖相放大器。

6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述測(cè)量固體材料熱物性的寬帶頻域熱反射方法，其特征在于，混頻時(shí)的頻率差值δf為100khz-50mhz。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述測(cè)量固體材料熱物性的寬帶頻域熱反射方法，其特征在于，泵浦光路上設(shè)有分束鏡，探測(cè)光路上設(shè)有長(zhǎng)波通二向色鏡。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述測(cè)量固體材料熱物性的寬帶頻域熱反射方法，其特征在于，光電探測(cè)器前安裝有對(duì)應(yīng)兩種光的濾光片。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述測(cè)量固體材料熱物性的寬帶頻域熱反射方法，其特征在于，該方法適用于最高達(dá)200mhz的加熱頻率。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述測(cè)量固體材料熱物性的寬帶頻域熱反射方法，其特征在于，所述熱物性參數(shù)包括熱導(dǎo)率、體積熱容和界面熱導(dǎo)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種測(cè)量固體材料熱物性的寬帶頻域熱反射方法，該方法包括：對(duì)泵浦光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，泵浦光照射到樣品表面，引起樣品加熱，探測(cè)光到達(dá)樣品表面后發(fā)生反射，并在樣品表面或光電探測(cè)器前產(chǎn)生差頻信號(hào)，利用鎖相放大器測(cè)量出泵浦光、探測(cè)光以及混頻光的相位，并計(jì)算出熱相位，對(duì)熱相位進(jìn)行擬合后獲得所需的熱物性參數(shù)。本發(fā)明提出了一種創(chuàng)新的差頻方法用以解決頻域熱反射法在高頻測(cè)量下信噪比較低的問(wèn)題，該方法可以有效提高測(cè)量頻率大于20MHz時(shí)的信噪比，最終實(shí)現(xiàn)高達(dá)200MHz的加熱頻率。更寬的加熱頻率區(qū)間可以獲取更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，進(jìn)而可以根據(jù)其靈敏度曲線(xiàn)選擇合適的區(qū)間進(jìn)行參數(shù)擬合，提高熱物性測(cè)量的準(zhǔn)確性。

技術(shù)研發(fā)人員：戴佳鈺,余曉翔,張恩瑞,李洪財(cái),段詩(shī)婕
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)人民解放軍國(guó)防科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2