【Zurich】時域熱反射法（TDTR）

時域熱反射法（TDTR）
應用描述

時域熱反射法（TDTR）是一種用來表徵薄膜或者材料熱學性質的技術。其測量數據有助於理解由聲子和電子主導的傳輸過程。
在典型的超快雷射驅動的時域熱反射法實驗中，一束被調製過的泵浦光源和一束由機械延遲線控制光程的探測光照射至樣品表面。隨後，通過對延遲線的掃描，我們就能得到泵浦光源與探測光之間光程差對應時間的時域熱反射信號。
得益於超快雷射和泵浦探測技術的發展，目前已經能夠測得 ps 甚至亞 ps 量級時間解析度的熱電導或者體積熱容的變化過程。

頻域熱反射法（FDTR）是在時域熱反射法的基礎上發展出的新探測手段，探測的熱反射信號隨泵浦光源的調製頻率變化，而並非改變光程測得的時域信號。頻域熱反射法同樣可以測量熱學性質，並且使用脈衝雷射或者連續雷射皆可。連續型頻域熱反射法的優勢在於不需要使用昂貴的脈衝雷射。

對於 FDTR 和 TDTR 來說，都可以通過改變泵浦光源的調製頻率來探究不同的熱傳導過程。

測量策略

在 TDTR 與 FDTR 實驗中，被測信號通常是一個週期性微弱信號。因此，為了獲得高訊號雜訊比，需要一台既快速又精確的鎖相放大器。另一種利用高速光電探測器的策略就是結合 BOXCAR 平均器一起使用。這種策略可以只記錄信號週期內低占空比的脈衝部分，這樣就能把週期內其餘部分的雜訊摒棄出去。

TDTR 測量

由於泵浦光源引起的週期性熱流導致了樣品表面反射率的週期性變化，通過探測光，就能測得光程相對應的時間解析溫度變化。
其中，泵浦光源通常利用電-光調製器（EOM）進行 0.2 - 20 MHz 頻率範圍內的調製。隨後，泵浦光源透過物鏡匯聚到樣品表面。
與此同時，與泵浦光源共線的探測光脈衝也經過延遲光路後照射到同一位置。
最後，反射光信號進入光電探測器轉化成電信號進入鎖相放大器。圖1所示即為典型的實驗示意圖。
由於待測信號微弱，因此TDTR 是一種極難的測量，並且必須透過高精度的電子測量設備和大量的平均獲得較高的訊號雜訊比。

圖1： TDTR 與脈衝型 FDTR 的實驗示意圖

FDTR 測量

TDTR 的實驗裝置可以通過掃描調制頻率的方法輕鬆轉變成脈衝激光驅動的 FDTR 實驗，需要做的就是將延時線停在固定位置並掃描幾十 MHz 頻率範圍的泵浦光調制頻率。在脈衝型 FDTR 和連續型 FDTR（實驗示意圖見圖2）中，光電探測器與信號分析電子設備測量的信號都是對於泵浦光源調制頻率的響應。而調制變化速率可以調節，其大小受限於有效訊號雜訊比。
綜上所述，擁有一台能夠覆蓋所需調制頻率以及低雜訊的靈敏輸入端的鎖相放大器是獲得既快又可靠的測量結果的關鍵。

圖2：連續型 FDTR 示意圖

應用產品

選擇蘇黎世儀器的優勢
高速及高訊號雜訊比測量：擁有低輸入雜訊，高樣本傳輸率，配合最先進的數位信號處理技術的 HF2LI 和 UHFLI 是理想的 TDTR 及 FDTR 微弱信號測量儀器。
大頻率範圍：掃描大範圍的調制和解調頻率對於 FDTR 實驗來說是十分重要的，這是因為樣品上的熱動力過程取決於調制頻率。
對於一些基於低重複頻率超短脈衝激光的 TDTR 實驗，利用 BOXCAR 平均器可以獲得比常規鎖相測量更高的雜訊比。利用 UHF-BOX 選件的 BOXCAR 平均器和常規鎖相放大器功能，可以在一台儀器上同時觀測測量結果。
HF2LI 和 UHFLI 的雙通道支持兩路光電探測器的同步探測，可以用其中一路作為參考光信號，修正雷射本身的功率抖動。
給探測光源增加一個調制器，例如在寬帶 FDTR（BB-FDTR）或者雙調制 TDTR 實驗中（見圖3），可以有效地去除經過調制後的散射光雜訊，其來源可能來自於樣品表面的不平整缺陷。這個額外的調制可以結合 UHF-MF，HF2-MF 多頻選件以及 UHF-MOD，HF2-MOD 的調頻調幅選件將信號中的有效部分提取出來。

圖3：TDTR 與脈衝型 FDTR 示意圖，可以選擇對探測光源進行調製