TDTR 检测方法：原理、光路与操作全解析

1TDTR 是什么

TDTR（Time-Domain Thermoreflectance，时域热反射）是一种基于飞秒激光抽运-探测技术的光热测量方法，主要用于表征薄膜材料及界面的热物性。它通过一束经过周期性调制的抽运光（加热光）在样品表面产生温升，另一束探测光监测表面反射率随延迟时间的变化，从而获得样品表面温度在纳秒尺度内的时间演化信息。TDTR 系统通常由飞秒脉冲激光器、电光调制器、信号发生器、锁相放大器、光电探测器、样品台、位移台、滤光片、分光器、倍频器及光学透镜等组成。

2TDTR 的核心部件与工作原理

1 飞秒脉冲激光器

系统采用被动锁模钛宝石飞秒激光器，输出脉冲激光波长为 1040 nm，脉宽约 130 fs，重复频率 100 MHz。该激光器为整个测量提供超短脉冲光源，是实现时间分辨探测的基础。

2 电光调制器（EOM）

电光调制器用于为激光束加载周期调制或脉冲调制信号。其工作原理基于 KDP 晶体在电压作用下光学性质发生改变：通过控制电压，可使激光在晶体内传播时偏振方向保持不变或改变 90 度；在出光处配合偏振分束器，即可实现对激光的调制。EOM 响应时间较快，调制频率范围覆盖 DC 到 30 MHz。

3 锁相放大器（Lock-in）

锁相放大器用于测量微小交流信号，能够对纳伏级信号进行测量，即使信号被比它大上千倍的噪声淹没，仍能正确提取。其主要优点是窄频宽，可将电路特定频率与相位提取出来。工作原理基于 PSD（Phase-Sensitive Detection）技术：需要一个参考信号（一般来自振荡器或函数发生器），通过混频器将实验响应信号与参考信号相乘，再经低通滤波器滤除高频部分，得到同相信号和反相信号，进而计算出幅值信号和相位信号。

4 分光模块

抽运光和探测光通过对同一束激光分光实现。激光首先通过起偏器（1/2 或 1/4 玻片），使水平偏振的激光在竖直方向产生一定分量；随后进入偏振分光棱镜，水平与竖直分量分离，形成两束偏振方向相互垂直的激光，分别充当抽运光和探测光。起偏器安装在可旋转调整架上，通过旋转改变两束激光的强度比，实现不同比例分配。

5 倍频模块

倍频模块（SHG）利用光经过 BBO 晶体时产生二次谐频的特性，将 1040 nm 近红外光聚焦于 BBO 晶体，产生 520 nm 绿光。实验中绿光作为加热光源，倍频前的 1040 nm 光作为探测光。采用双波长设计后，可在探测器前使用窄带滤光片滤除 520 nm 加热激光，滤除效率可达 10² 甚至更高量级，显著优于偏振方法，从而有效提高信号信噪比，实现对样品表面反射率变化的更精确测量。

6 聚焦及探测模块

激光器输出 1040 nm 脉冲激光后，先经分光器分为抽运光和探测光。抽运光经倍频器（BIBO）变为 520 nm 绿光，再经电光调制器加载特定波形和频率的信号，然后照射样品进行加热。探测光保持 1040 nm，经过机械延迟平台（Delay Stage）到达样品表面同一位置。延迟平台总行程 600 mm，探测光在平台上折返两次，可提供最长 8 ns 的延迟时间，即获得样品表面温度在 8 ns 内随时间的变化。

3TDTR 的典型操作流程

1. 飞秒激光器输出波长为 1040 nm 的脉冲激光，脉冲宽度和重复频率分别为 130 fs 和 100 MHz。

2. 激光首先经过分光器，分为抽运激光（加热激光）和探测激光。

3. 抽运激光经过倍频器（BIBO），将 1040 nm 近红外光变为 520 nm 绿光。

4. 抽运光经过电光调制器，强度被加载特定波形和频率的信号。

5. 抽运光照射到样品上对样品进行加热。

6. 另一束探测光波长为 1040 nm。

7. 探测激光经过机械延迟平台到达样品表面同一位置，该步骤对测量准确性至关重要。

4用户界面与数据采集

TDTR 系统通常配备由 LabVIEW 编写的实验仪器控制及数据采集集成软件。该软件可同时控制位移平台移动的步长和时间、信号发生器输出信号的频率和电压、锁相放大器的积分时间和数据采集，并具备数据处理和实时绘图检测功能。

5关键参数一览

提示：探测激光与抽运激光必须照射在样品表面的同一位置，这是保证 TDTR 测量准确性的关键。