時域熱反射系統(tǒng)（TDTR）是基于飛秒激光的探測技術(shù)。TDTR利用飛秒激光對樣品進行加熱玛歌，樣品的溫度發(fā)生變化昧港，樣品的溫度隨時間而消退，在皮秒級時間內(nèi)用探測光對樣品表面的反射率進行測量支子。樣品表面通常涂上一層作為傳感器的金屬薄膜创肥，當溫升較小時(通常<絕對溫度的10%或<10 K，以較小者為準)，其表面反射率隨溫度線性變化叹侄。
TDTR專題：時域熱反射系統(tǒng)的基本原則介紹（一）
時域熱反射系統(tǒng) 基本光路：
在典型的TDTR設(shè)置中，如圖1撒强。鎖模Ti:藍寶石激光振蕩器作為光源禽捆，它提供重復頻率80 MHz、波長800 nm飘哨、150 fs激光脈沖胚想。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芽隆。在隔離器前安裝半波片調(diào)節(jié)TDTR測量時的激光功率浊服。然后激光束通過偏振分束器分成泵浦光和探針光。在PBS之前胚吁，另一個半波片用來調(diào)整泵浦和探針光束之間的功率比牙躺。泵束通常在0.2-20 MHz范圍內(nèi)使用電光調(diào)制器(EOM)調(diào)制頻率，然后通過物鏡聚焦到樣品囤采。另外一些TDTR設(shè)置使用聲光調(diào)制器(AOM)述呐，但由于AOM的上升時間長得多，調(diào)制頻率通常有限蕉毯。EOM調(diào)制頻率作為鎖定檢測的參考。在通過相同的物鏡聚焦到樣品之前思犁，探針光束通過機械延遲線產(chǎn)生時間延遲代虾。探測束通常在延遲階段之前擴束爆袍，以減小長距離傳輸導致的發(fā)散华糖。
圖1. 典型TDTR系統(tǒng)光學裝置圖
時域熱反射系統(tǒng) 探測方式：
反射的探測光束由快速響應(yīng)光電二極管探測器收集，它將光信號轉(zhuǎn)換成電信號再悼。然后使用鎖相放大器從強背景噪聲中提取信號学辱。在早期TDTR系統(tǒng)中乘瓤，探測器和鎖相放大器之間插入一個電感，電阻為50Ω策泣。原因是泵浦光束通常由方波函數(shù)調(diào)制(例如衙傀，使用康諾皮科公司的350–160 EOM和25D型放大器)，并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(例如斯坦福研究系統(tǒng)公司的SR844型)萨咕。因此统抬，電感器用作諧振帶通濾波器，以消除方波調(diào)制功能的高次諧波。如果泵浦光束由正弦波函數(shù)調(diào)制聪建，或者如果使用具有干凈正弦波乘法器的數(shù)字鎖定放大器(如蘇黎世儀器公司的HF2LI型)進行鎖定檢測钙畔，這種諧振濾波器就變得沒有必要，這兩種放大器本質(zhì)上都沒有不需要的諧波金麸。
時域熱反射系統(tǒng) 泄漏泵浦光抑制：
為了使鎖定檢測有效擎析，反射的泵浦光束必須被光電二極管檢測器阻擋。由于泵浦光束和探測光束是交叉偏振的挥下，物鏡和探測器之間的PBS可以抑制> 99%的反射泵浦光束叔锐。然而，由于熱反射系數(shù)dR/dT較小(10-4k -1)见秽，即使反射探測光束的強度小于0.01%愉烙，少量的反射泵浦光束也足以使TDTR測量失真。光學技術(shù)可用于進一步抑制反射的泵浦光束解取。一種常用的方法是泵浦和探測光束的空間分離步责，如圖1所示。
在這種方法中禀苦，當進入物鏡時蔓肯，泵浦光束和探測光束平行并垂直分開4mm，使得反射的泵浦光束可以被孔徑阻擋振乏，而只有鏡面反射的探測光束被允許通過孔徑并被光電二極管檢測器接收蔗包。應(yīng)注意確保反射的探測光束不被光圈夾住慧邮；否則调限，由于樣品表面的熱膨脹會引起探針束的振幅調(diào)制，從而影響測量結(jié)果误澳。該方法結(jié)構(gòu)簡單耻矮，適用于表面粗糙度<15 nm的光學光滑樣品。對于光學粗糙的樣品忆谓，泵浦光束和探測光束需要進行光譜分離裆装，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倡缠，將泵浦和探針的光譜分離約7 nm的波長哨免。或者通過“雙色”方法昙沦，利用二次諧波產(chǎn)生使泵浦或探測光束的頻率加倍琢唾。
這兩種方法都會損耗較多的激光功率，損耗對于測量高導電性材料(如金剛石)是一個關(guān)鍵問題桅滋，需要足夠高的激光功率強度來產(chǎn)生足夠高的信噪比慧耍。此外身辨，雙色法對激光的強度和波長穩(wěn)定性都有很高的要求。否則芍碧，激光波長的波動將轉(zhuǎn)化為泵浦和探測光束的功率強度的波動煌珊，并在TDTR測量中出現(xiàn)噪聲。其次泄漏泵束對Vout信號的影響主要是線性的泌豆，Vout=Vout0+aVleak定庵。Vout0為不受泄漏泵束影響的反相熱信號，a為比例常數(shù)踪危，Vleak為僅由泄漏泵束引起的檢測信號蔬浙。常數(shù)a取決于包括檢測器光電流和諧振電路品質(zhì)因數(shù)在內(nèi)的因素，可以通過測量Vout作為Vleak的函數(shù)并將梯度視為a=ΔVout/ΔVleak來確定贞远。因此畴博，TDTR信號可以通過在TDTR實驗期間監(jiān)測Vleak信號來方便地從偽影中校正。該方法可以很好地處理所有的粗糙樣品蓝仲，只要樣品表面的高斯激光輪廓不被表面粗糙度所扭曲俱病。
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