一种半导体材料瞬态折射率超快检测装置及方法与流程

本发明涉及半导体材料瞬态折射率变化检测技术，具体涉及一种基于步进式同步光谱探针的半导体材料瞬态折射率超快检测装置及方法。

背景技术：

在惯性约束聚变(inertialconfinementfusion,icf)实验中，靶丸的尺寸仅有数毫米且内爆过程通常仅会持续数百皮秒的时间，为了对该过程进行高时间、空间分辨的技术诊断，需要检测设备具有皮秒量级的时间分辨能力及微米量级的空间分辨能力。

基于光致折射率变化的全光固体超快成像技术是近年来新型的一种超快诊断技术，其超快成像能力可实现微米量级的空间分辨及皮秒量级的时间分辨，完全满足icf观测的要求。2013年美国利弗莫尔实验室的k.l.baker等已经建立了基于光致折射率变化的瞬态相位光栅型全光固体超快分幅相机，实现了时间分辨在皮秒量级的x射线响应。

作为基于光致折射率变化的全光固体超快成像技术中重要的核心部件，半导体超快响应芯片的x射线及其他高能射线的时间响应特性，直接决定了全光固体超快成像设备的时间分辨率。因此，开展半导体材料瞬态折射率变化的超快检测，特别是高能射线脉冲(皮秒及以下)激励条件下半导体材料折射率瞬态变化检测，具有十分重要的理论研究及工程实践意义。

传统半导体折射率变化测量方法，主要有静态测试法和脉冲测试法两种。前者通过测量一束稳定功率的x射线入射前后半导体材料折射率的改变量，静态标定半导体材料与x射线相互作用特性；后者通过测量一束脉冲x射线入射前后半导体材料折射率变化的脉冲响应，动态标定半导体材料与x射线相互作用的时间响应特性。

全光固体超快成像设备在实际使用中，需要测试脉冲x射线入射条件下，脉冲探针读取的响应特性，上述两种测量方法均不能满足相关检测需求，因此急需开发一种新型半导体材料折射率检测技术，用于全光固体超快成像系统的芯片标定工作。

技术实现要素：

为了解决现有半导体折射率变化测量方法，无法满足全光固体超快成像设备对脉冲入射及脉冲响应特性检测需求的技术问题，本发明提供了一种半导体材料瞬态折射率超快检测装置及方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种半导体材料瞬态折射率超快检测装置，其特殊之处在于：包括高功率脉冲激光器、第一分束镜、脉冲x射线激励单元、探针光调控单元、第二分束镜及信号读出单元；

所述高功率脉冲激光器用于产生皮秒量级短脉冲激光，所述脉冲激光的波长大于待测半导体超快探测芯片的吸收波长；

所述第一分束镜位于高功率脉冲激光器的出射方向，将激光光束分为两束，分别为a光束和b光束，且a光束的能量大于b光束的能量；

所述脉冲x射线激励单元位于a光束的出射方向，用于对脉冲激光的固定时间延迟、光学聚焦、激励产生x射线，并将产生的x射线入射至待测半导体超快探测芯片的上表面；

所述探针光调控单元位于b光束的出射方向，用于对脉冲激光的可控时间延时、色散时间展开产生探针光，并经第二分束镜反射至待测半导体超快探测芯片的下表面，且探针光和x射线同时到达待测半导体超快探测芯片表面；

所述x射线入射至待测半导体超快探测芯片，对待测半导体超快探测芯片的折射率进行调制，进而改变入射至半导体超快探测芯片探针光的光谱强度；

所述信号读出单元用于采集经待测半导体超快探测芯片反射回、第二分束镜透射后的的探针光，并通过探测探针光的光谱强度变化，获得待测半导体超快探测芯片对x射线的响应过程。

进一步地，所述脉冲x射线激励单元包括沿a光束传输方向依次设置的时间固定延迟及聚焦光学系统和金属靶；

a光束经时间固定延迟及聚焦光学系统时间延迟和光学聚焦后45°角入射至金属靶表面，金属靶将产生的x射线入射至待测半导体超快探测芯片的上表面。

进一步地，所述金属靶为金属金靶，产生特征波长2.4kev的x射线脉冲；

所述金属靶为金属钛靶，产生特征波长4.8kev的x射线脉冲；

所述金属靶为金属铜靶，产生特征波长8kev的x射线脉冲。

进一步地，所述探针光调控单元包括沿b光束传输方向依次设置的反射镜、可调步进式延时光学系统和色散展宽晶体。

进一步地，还包括设置在待测半导体超快探测芯片上表面对探针光增反的增反膜、设置在待测半导体超快探测芯片下表面对探针光增透的增透膜。

进一步地，所述a光束为透射光，能量占比大于99％；

b光束为反射光。

进一步地，所述信号读出单元包括光谱仪和数据处理器；

所述光谱仪用于接收经待测半导体超快探测芯片反射回、第二分束镜透射后的探针光；

所述数据处理器根据光谱仪接收到探针光的光谱强度变化，获得待测半导体超快探测芯片对x射线的响应时间。

同时，本发明还提供一种半导体材料瞬态折射率超快检测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)高功率脉冲激光器产生皮秒量级短脉冲激光，经第一分束镜分为两束，分别为a光束和b光束；

2)a光束入射脉冲x射线激励单元，经时间固定延迟及聚焦光学系统时间延迟和光学聚焦后，45°角入射至金属靶表面，在靶的表面激励产生x射线，并将产生的x射线入射至待测半导体超快探测芯片的上表面；

b光束入射探针光调控单元，经反射镜反射、可调步进式延时光学系统延迟、色散展宽晶体时间域展宽后，并经第二分束镜反射至待测半导体超快探测芯片的下表面；

同时，通过调整可调步进式延时光学系统，使探针光和x射线同时到达待测半导体超快探测芯片表面；

3)x射线对待测半导体超快探测芯片的折射率进行调制，待测半导体超快探测芯片对x射线的响应过程被同步入射至待测半导体超快探测芯片内的时序化探针光脉冲，即改变入射至半导体超快探测芯片探针光的光谱强度；

4)信号读出单元接收经待测半导体超快探测芯片反射回、第二分束镜透射后的的探针光，并通过探测探针光的光谱强度变化，获得待测半导体超快探测芯片对x射线的响应过程。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明半导体材料瞬态折射率超快检测装置及方法，采用同源激光分路激励的方式，高功率脉冲激光器产生的脉冲激光分为两路，一路激励产生x射线，一路作为探针光进行测量，两路同时到达半导体超快探测芯片表面，x射线对半导体超快探测芯片的折射率进行调制，半导体超快探测芯片对x射线的响应过程被同步入射至半导体超快探测芯片内的时序化探针光脉冲，进而改变入射至半导体超快探测芯片内探针光的光谱强度，通过信号读出单元获取探测探针光的光谱强度变化，即可获得待测半导体超快探测芯片对x射线的响应过程，实现了对全光固体超快成像技术的核心组件半导体超快响应芯片瞬态折射率变化的检测与标定，其测试过程与全光固体超快成像技术工作原理近似，实现了脉冲信号、脉冲探针读取的功能，可以真实反映全光固体超快成像系统的工作特性；通过高能激光脉冲激励生成x射线脉冲信号的技术方案，解决了半导体超快响应芯片瞬态折射率测试过程中，x射线脉冲与探针光脉冲的同步问题。

附图说明

图1是现有全光固体超快成像的工作原理图；

图1中，附图标记如下：

01-脉冲激光光源，02-脉冲啁啾化光学系统，03-反射镜，04-半透半反镜，05-半导体超快探测芯片，06-波长分光系统；

图2是本发明半导体材料瞬态折射率超快检测装置的结构示意图；

图3是本发明半导体材料瞬态折射率超快检测装置中金属靶产生脉冲x射线的原理示意图；

图4是本发明待测半导体超快探测芯片瞬态折射率测试原理示意图；

图2至图4中，附图标记如下：

1-高功率脉冲激光器，2-第一分束镜，3-时间固定延迟及聚焦光学系统，4-金属靶，5-半导体超快探测芯片，6-反射镜，7-可调步进式延时光学系统，8-色散展宽晶体，9-第二分束镜，10-信号读出单元，11-脉冲x射线激励单元，12-探针光调控单元，13-增反膜，14-增透膜。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1所示，全光固体超快成像的工作原理图，主要由脉冲激光光源01、脉冲啁啾化光学系统02、反射镜03、半透半反镜04、半导体超快探测芯片05、波长分光系06统组成，其核心检测过程为一束啁啾脉冲探针光，测量一束x射线脉冲图像。为了更好的模拟全光固体超快成像系统的工作特性，实现脉冲激励及脉冲响应的检测方式，本发明提供了基于同源脉冲的半导体瞬态折射率变化检测方案，进行半导体超快探测芯片的检测，实现对脉冲入射的脉冲响应特性检测，该方案采用同源激光分路激励的方式，一路激励产生x射线，一路作为探针光进行测量。

如图2所示，一种半导体材料瞬态折射率超快检测装置，包括高功率脉冲激光器1、第一分束镜2、脉冲x射线激励单元11、探针光调控单元12、第二分束镜9及信号读出单元10，该装置可实现对脉冲入射(信号)及脉冲响应(探针)特性检测的目的。

本实施例检测装置主要组成部件如下：

1)高功率脉冲激光器1

高功率脉冲激光器1产生皮秒量级短脉冲激光，为了能够满足激励x射线及探针测试两方面需求，要求该激光器脉冲功率要足够高，通常激光单脉冲能量需要达到t瓦量级，同时波长大于半导体超快探测芯片5的吸收波长，即不被芯片吸收。

高功率脉冲激光器1产生的激光，通过第一分束镜2将激光分为a光束和b光束两束，a光束用于激励并产生x射线脉冲，用于模拟待测超短脉冲x射线信号；b光束作为探针光，用于读取x射线脉冲瞬态信息；

其中，a光束用于激励金属靶材产生脉冲x射线(信号光)，能量占比较高，约为99％以上，b光束用于作为测量激光(探针光)，能量占比较低，约为1％以下；

2)脉冲x射线激励单元11

脉冲x射线激励单元11主要由沿a光束传输方向依次设置的时间固定延迟及聚焦光学系统3、金属靶4组成，主要实现对入射的光能脉冲激光的时间延迟(粗延时控制)、光学聚焦、激励产生x射线等功能，并将产生的x射线瞄准半导体超快探测芯片5的上表面。

如图3所示，激光等离子体激发x射线技术基本原理是：当高强度激光脉冲聚焦打在金属靶4(固体靶)上时，靶的表面迅速离化形成高温高密度的等离子体，进而发射x射线。x射线发射与靶材料有关，不同靶材可获得不同能量x射线，通过改变金属靶材，可对应产生不同能量x射线，如金属钛靶，产生特征波长4.8kev的x射线脉冲；金属铜靶，产生特征波长8kev的x射线脉冲；金属金靶，产生特征波长2.4kev的x射线脉冲等。

3)探针光调控单元12

探针光调控单元12主要由反射镜6、可调步进式延时光学系统7、色散展宽晶体7组成，主要实现对入射脉冲激光的改变传输方向、可控时间延时(精延时控制)、波长展开、产生探针光；

4)第二分束镜9

第二分束镜9位于色散展宽晶体7的出射方向，用于光学调整，将波长展开后的探针光反射至半导体超快探测芯片5的下表面；

5)信号读出单元10

信号读出单元10主要由光谱仪、信号采集、数据处理器组成，主要实现对半导体芯片返回的光谱信号进行采集、处理等功能。

光谱仪用于接收经半导体超快探测芯片5反射回、第二分束镜9透射后的探针光；数据处理器根据光谱仪接收到探针光的光谱强度变化，获得半导体超快探测芯片5对x射线的响应时间。

本实施例采用可调步进式延时光学系统7对探针光进行延时的方案，作为瞬态折射率测试的时间标准，其折射率变化响应时间精度高。可调步进式延时光学系统7中步进电机可控距离精度为δl，则响应时间测量精度δt满足δt＝δl/c光速，比如步进电机距离精度取1um，则折射率变化响应时间理论精度可达到3fs。

本实施例超快检测装置工作过程如下：

1)高功率脉冲激光器1产生一束脉冲宽度在皮秒量级的脉冲激光，通过第一分束镜2后将其一分为二，分别为a光束和b光束，a光束的能量大于b光束的能量，a光束用于激励金属靶4产生脉冲x射线(信号光)，b光束用于作为测量激光(探针光)；

2)a光束入射脉冲x射线激励单元11，经时间固定延迟及聚焦光学系统3时间延迟和光学聚焦后，45°角入射至金属靶4表面，在靶的表面激励产生x射线，产生的x射线照射至半导体超快探测芯片5的上表面；

b光束入射探针光调控单元12，经反射镜6反射、可调步进式延时光学系统7延迟、色散展宽晶体7时间域展宽后，并经第二分束镜9反射至半导体超快探测芯片5的下表面；

b光束在入射到色散展宽晶体7前，在时间上为单一脉冲，光谱频域内为宽谱，其谱线范围为：λ1至λn；经过色散展宽晶体7后，由于不同光谱分量在色散晶体内的群速度不同，使b光束在时间域内发生展宽效应，且展宽脉冲的光谱值与时间呈一一对应关系，即表示为λ1对应t1时刻，λ2对应t2时刻，……，λn对应tn时刻；

同时，通过调整可调步进式延时光学系统7，使探针光和x射线分别同时到达半导体超快探测芯片5的下表面和上表面；

3)x射线入射至半导体超快探测芯片5，对半导体超快探测芯片5的折射率进行调制，半导体超快探测芯片5对x射线的响应过程被同步入射至半导体超快探测芯片5内的时序化探针光脉冲，进而改变入射至半导体超快探测芯片5内探针光的光谱分布，其主要过程描述如下：

探针光(b光束)入射到半导体超快探测芯片5内部，可将半导体超快探测芯片5等效为一个f-p腔结构，在待测半导体超快探测芯片5的两个表面分别镀有不同反射系数的反射膜，具体为在待测半导体超快响应芯片的上表面(即x射线入射的面)，镀有对探针光的高反射率膜(对x射线无影响)，在待测半导体超快响应芯片的下表面(探针光入射的面)不镀膜或者镀有对探针光的低反射率膜(即对探针光的高透过率膜)。

探针光在半导体超快探测芯片5前后表面经过多次反射、透射后形成稳定干涉场。设芯片的初始折射率为n0，芯片受x射线调制后，折射率变化量为δn。则探针光的多光束稳定干涉场复振幅为：

a＝a0(r1+t1r-2t-1e^iδ+t1r-2r-1r-2t-1e^i2δ+…)

＝a0{r1+t1r-2t-1e^iδ[1+r-1r-2e^iδ+(r-1r-2e^iδ)²+…]}

其中a0为原始输入光强，r1为入射面1(前入射面)由空气进入芯片(光疏至光密介质)的反射率，r-1为入射面1(前入射面)由芯片进入空气(光密至光疏介质)的反射率，r-2位入射面2(后入射面)由芯片进入空气(光密至光疏介质)的反射率，t1位入射面1(前入射面)由空气进入芯片(光疏至光密介质)的透射率，t-1为入射面1(前入射面)由芯片进入空气(光密至光疏介质)的透射率，t-2为入射面2(后入射面)由芯片进入空气(光密至光疏介质)的透射率，e^iδ为光强相位复振幅，且相位δ满足：

其中，d是芯片的厚度，dx是芯片激发层厚度，λ为入射光波长。利用等比数列求和得到：

在无x射线激发条件下，δn＝0，则初始相位：

可以得到初始光强分布：

在x射线激发下，因为芯片激发层厚度不易确定，计算以整体相位等效，入射探针光经过芯片前入射面进入芯片通过调制区，再经过后入射面反射，再次通过调制区，使入射光相位发生改变：

δx＝δ0+2δφ

其中，δx相位总改变量，δ0为原始相位，δφ为经过一次调制区后探针光相位改变量，带入光强表达式，得到：

于是，x射线激发下，定义探针光的发射光相对光强变化为

通过计算，可将初始光强a0约去，即光强相对变化量与入射光强无关，仅与x射线产生的相位变化δφ有关。

4)信号读出单元10接收经半导体超快探测芯片5反射回、第二分束镜9透射后的的探针光，并通过探测探针光的光谱强度变化，获得半导体超快探测芯片5对x射线的响应过程。

该过程具体描述为：

由于探针光经过色散晶体后，在时域上被展开，且波长信息与时域信息一一对应。即b束激光，经过色散材料后，获得近似线性啁啾脉冲，做为时序化的探针光。

对于出射的探针光，其光谱特征满足以下公式：

a(tn)＝ca(λn)(n＝1，2，3，......)

其中，a(tn)为某一时刻的光强，a(λn)为对应光谱的光强，c为特征常数，即探针光的时域特征与光谱频域特征实现了一一对应。

当x射线作用于半导体超快探测芯片5上时，导致该时刻入射的波长λt的出射光强发生变化，即a调制值发生变化。x射线信号光与半导体超快探测芯片5作用，对半导体超快探测芯片5的折射率进行调制，半导体超快探测芯片5对x射线脉冲的响应过程被同步入射到半导体超快探测芯片5上的时序化探针光脉冲读取。由于x射线作用非常短暂(激光脉冲远小于芯片响应时间，则产生的x射线脉冲也远小于芯片响应时间)，则探针光出射光强发生改变的时间区间可近似等于芯片响应时间。

即不同波长的光分别记录不同时刻样品的折射率变化情况，从而导致时序化探针光的光谱分布发生变化，通过探测时序化探针光的光谱分布就可以反应半导体超快探测芯片对x射线的超快响应过程，如图4所示。

记录光谱发生改变的区域(λa～λb)，则可以对应得到x射线作用下，时间域的特征区间(ta～tb)，即芯片响应时间：

t响应＝tb-ta＝c(λb-λa)。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。