一种超快时间分辨瞬态反射光谱仪的制作方法

本发明涉及超快激光技术领域，更具体地，涉及一种超快时间分辨瞬态反射光谱仪。

背景技术

在过去的几十年中，半导体超快载流子动力学领域取得了巨大的进步。这一成就背后的驱动力是半导体器件的直接应用和对更快的响应速度和更快的信息处理的无止境要求。为了改进和开发微型电子器件并满足上述要求，必须对半导体中各种动力学过程有基本的了解和详细的研究。因此，半导体在非平衡状态下的激发以及随后的各种载流子的弛豫过程已成为半导体研究的一个关键领域。

传统的实验手段通常利用外部电场驱动导带中电子运动从而测量其输运特性或隧穿性质，或者改变外部参数如温度、掺杂、压力和磁场等，从而诱导电子在能级间发生跃迁继而观测其光吸收谱或发射谱，然而，这些外部激励作用时间远大于系统内部自由度之间的相互作用时间，从而使物质处于准平衡态，此时电子、晶格、和自旋等自由度之间相互纠缠在一起很难进行单独研究。相对地，利用飞秒激光脉冲激励物质可产生超快非平衡态，由于电子、晶格、和自旋动力学等具有不同的特征时间，我们可以利用时间分辨泵浦-探测光谱在时域上对各自有度分别进行研究。而且，光激发载流子的产生、迁移以及复合的动力学过程往往都是处于皮秒量级上，传统的静态观测方式根本捕捉不到其内在的动力学变化。

大多数泵浦-探测实验是基于样品透射谱的研究，这对于纳米材料、液体材料以及薄膜材料等方面具有突出的优势，在纳米光学以及太阳能转换等多个领域具有至关重要的作用。但对于半导体、超导体及拓扑绝缘体等块状材料，其透射率较低，采用透射的方式几乎观测不到其变化。故有必要研究一种适用于探测材料反射谱的装置。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种超快时间分辨瞬态反射光谱仪，解决了现有技术中对于半导体、超导体及拓扑绝缘体等块状材料，采用透射的方式几乎观测不到其变化，进而无法捕捉不到其内在的动力学变化的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种超快时间分辨瞬态反射光谱仪，包括飞秒激光光源、分束镜、泵浦光系统、探测光系统、光电探测器和计算机；

所述飞秒激光光源用于生成飞秒脉冲激光，并将所述飞秒脉冲激光发送至所述分束镜；

所述分束镜用于将所述飞秒脉冲激光分为第一脉冲激光和第二脉冲激光，并将所述第一脉冲激光发送至所述泵浦光系统，将所述第二脉冲激光发送至所述探测光系统；

所述泵浦光系统用于接收所述第一脉冲激光，对所述第一脉冲激光进行倍频处理得到半波长泵浦光，并将所述半波长泵浦光聚焦至样品表面；

所述探测光系统用于对所述第二脉冲激光进行延迟处理，得到全波长探测光，并在所述半波长泵浦光聚焦至样品表面后将所述全波长探测光聚焦至样品上；

所述光电探测器用于接收样品表面的瞬态反射率光信号，并传输至所述计算机；

所述计算机用于对瞬态反射率光信号进行分析处理，得到样品表面的瞬态反射率变化。

本发明提出一种超快时间分辨瞬态反射光谱仪，采用双波长泵浦探测的方式，测量块材表面瞬态反射率的相对变化值来探究半导体、超导体以及拓扑绝缘体中载流子的超快动力学过程。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种超快时间分辨瞬态反射光谱仪示意图；

图2为根据本发明实施例的低温恒温系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

自从1960世界上第一台红宝石激光器被研制出以来，在科研人员的不断努力下，各类激光技术迅速发展，由此涌现出各种产生超短激光脉冲的方法，主要有调q技术，锁模技术和啁啾补偿技术等，伴随这些技术的发展，激光脉冲的持续时间也不断缩短，从最初的纳秒量级逐渐进入到飞秒量级，20世纪80年代初期，fork等人利用碰撞脉冲锁模技术，首次于染料激光器中获得了脉宽小于100fs(10-15s)的激光脉冲，这一突破性进展标志着激光与物质相互作用已进入飞秒时域的超快时代。几年之后，激光脉冲宽度缩短到约30fs，然后进一步降到6fs，这使得直接观察半导体和分子之间的变化转移过程成为可能。20世纪90年代早期，基于自锁模技术的钛宝石激光器产生60fs的红外(ir)相干脉冲。这为超快光谱学、强场物理等新型学科的产生和发展提供了强有力的技术支持。为研究激光与物质相互作用提供前所未有的极端物理条件。

因此，在本实施例中，提供了一种超快时间分辨瞬态反射光谱仪，如图1所示，包括飞秒激光光源1、分束镜2、泵浦光系统、探测光系统、光电探测器14和计算机16；

所述飞秒激光光源1用于生成飞秒脉冲激光，并将所述飞秒脉冲激光发送至所述分束镜2；

所述分束镜2用于将所述飞秒脉冲激光分为第一脉冲激光和第二脉冲激光，并将所述第一脉冲激光发送至所述泵浦光系统，将所述第二脉冲激光发送至所述探测光系统；

所述泵浦光系统用于接收所述第一脉冲激光，对所述第一脉冲激光进行倍频处理得到半波长泵浦光，并将所述半波长泵浦光聚焦至样品表面；样品材料适用于半导体、超导体、拓扑绝缘体等反射性良好的块状材料；

在本实施例中，所述探测光系统用于对所述第二脉冲激光进行延迟处理，得到全波长探测光，并在所述半波长泵浦光聚焦至样品表面后将所述全波长探测光聚焦至样品上，样品设于样品台上；半波长泵浦光光斑直径是全波长探测光两倍，面积是其四倍，通过使全波长探测光的光斑与半波长泵浦光的光斑完全重合，以使得由于半波长泵浦光激励样品所引起的信号变化能够完全被全波长探测光所探测到。

在本实施例中，在具体实施时，两个同心圆光斑即使做不到完全重合，只要让半波长泵浦光覆盖住全波长探测光，这样就不会丢掉测量的信号。

所述光电探测器用于接收样品表面的瞬态反射率光信号，并传输至所述计算机16；

所述计算机16用于对瞬态反射率光信号进行分析处理，得到样品表面的瞬态反射率变化，测量块材表面反射率的相对变化值来探究半导体、超导体以及拓扑绝缘体中载流子的超快动力学过程。

在本实施例中，飞秒激光光源1提供飞秒脉冲激光，在本实施例中，通过钛宝石飞秒激光器提供波长为800nm的激光，飞秒脉冲激光经过分束镜2分成两束，一束光经过泵浦光系统进行倍频处理，得到波长减半的半波长泵浦光(即400nm)，并将半波长泵浦光作为激励光聚焦至样品表面，使样品在半波长泵浦光激励下发生信号变化；另一束光经过探测光系统，调整与半波长泵浦光的时间延迟，由于没有经过倍频处理，因此此束飞秒脉冲激光为全波长探测光，将该全波长探测光作为探测光，照射至样品，且由于全波长探测光是在所述半波长泵浦光聚焦至样品表面后将所述全波长探测光聚焦至样品上，且由于全波长探测光的光斑与半波长泵浦光的光斑重合，因此全波长探测光探测到的信号变化全都是半波长泵浦光激励样品所引起的；在本实施例中通过泵浦光系统和探测光系统分别提供了半波长泵浦光和全波长探测光，以对样品形成双波长泵浦-探测，通过改变两束光之间的时间延迟，泵浦光系统和探测光系统分别提供了半波长泵浦光和全波长探测光，以对样品形成双波长泵浦-探测，能够实现不同光子能量下对样品内部动力学过程的测量。

在上述实施例的基础上，分束镜2的按8:2的分光比将飞秒脉冲激光分为第一脉冲激光和第二脉冲激光。

具体的，在本实施例中，通过将飞秒脉冲激光进行分束，钛宝石飞秒激光提供波长为800nm的光源，飞秒激光脉冲经分束镜2后被分成泵浦光和探测光两束，其中分束镜2的厚度为1mm，分束镜2的分光比为8:2，以实现同时通过两种波长的泵浦光先后对样品进行探测。

在上述实施例的基础上，所述泵浦光系统包括光学斩波器5、λ/2波片6、第一反射镜7、偏硼酸钡晶体(化学式：β-bab2o4)bbo、第一聚焦透镜9；

所述光学斩波器5用于对所述第一脉冲激光进行光学调制，将调制后的第一脉冲激光输送至λ/2波片6，并将调制后的电信号作为参考信号输出到计算机16中；

所述第一反射镜7将经过λ/2波片6的第一脉冲激光反射至所述bbo晶体8；

所述bbo晶体8用于对所述第一脉冲激光进行倍频处理得到半波长泵浦光；非线性晶体(bbo晶体8)对800nm的泵浦光进行倍频后，得到波长为400nm的泵浦光；

所述第一聚焦透镜9用于将所述半波长泵浦光聚焦至样品表面。

具体的，泵浦光系统中，第一飞秒脉冲激光经斩波器5、λ/2波片6、高反射镜(即第一反射镜7)、bbo晶体8以及焦距30cm的第一聚焦透镜9聚焦到样品表面上。用于激发样品致使其性质发生改变，通过吸收光子激发载流子，半波长泵浦光的光斑直径为0.3～0.6mm，在本实施例中优选0.4mm；光学斩波器5以420hz的频率对频率为1000hz的泵浦光进行调制，调制的电信号作为参考信号。

在上述实施例的基础上，所述飞秒激光光源1为钛宝石飞秒激光系统，所述钛宝石飞秒激光系统生成重复频率为1khz的飞秒脉冲激光。

在上述实施例的基础上，所述探测光系统包括延时反射镜3、步进电机、第二反射镜4和第二聚焦透镜10；

所述延时反射镜3设于所述第二脉冲激光的光路上，且所述延时反射镜3连接所述步进电机，所述步进电机控制所述延时反射镜3沿所述第二脉冲激光的光路移动，且所述第二脉冲激光传输到延时反射镜3时，入射光与反射光平行；

所述第二反射镜4接收所述延时反射镜3反射的第二脉冲激光，并传输至所述第二聚焦透镜10；

所述第二聚焦透镜10将所述第二脉冲激光聚焦至样品。

具体的，在探测光系统中，通过步进电机构建电动位移平台实现时间延迟，具体的，可通过两面或多面高反射镜组成延时反射镜3(组)，使得第二脉冲激光在经过延时反射镜3发射后，入射光与反射光平行，且延时反射镜3在步进电机的控制下，能够增加光路，使得第二脉冲激光的光路大于第一脉冲激光的光路，进而实现第二脉冲激光在第一脉冲激光后面入射到样品中；在本实施例中，延时反射镜3包括两面高反射镜，且两面高反射镜成90°设置，且第二脉冲激光所在的直线与两面反射镜均成45°，在此基础上，可以保证电动位移平台在沿第二脉冲激光所在直线移动时，入射光能够始终平行于反射光，从而可以方便布置第二反射镜4和第二聚焦透镜10，在本实施例中，第二反射镜4、第二聚焦透镜10只需要设置在第二脉冲激光所在直线上即可，具体的，步进电机的精度为2μm，即时间分辨率为6.67fs。

在上述实施例的基础上，所述光电探测器包括偏振片12、第三聚焦透镜13和硅基光电探测器14，所述偏振片12用于调节样品的反射光中半波长泵浦光和全波长探测光的偏振角，所述第三聚焦透镜13用于将样品的反射光聚焦至硅基光电探测器14的探测口，所述硅基光电探测器14用于接收样品表面的瞬态反射率光信号。

在上述实施例的基础上，所测得的样品光信号(即瞬态反射率光信号)经偏振片12后被硅基光电探测器14所接收，硅基光电探测器14将光信号转变为电信号然后输入到计算机16处理。λ/2波片6和偏振片12实现泵浦光和探测光的偏振，调节偏振片12角度可调谐两束光之间的偏振角，探究泵浦光和探测光之间由于偏振角的变化所造成的实验结果，找到最大角为90度时偏振效果最好。

在上述实施例的基础上，还包括锁相放大器15，锁相放大器15设于硅基光电探测器14与计算机16之间，锁相放大器15还设于光学斩波器5与计算机之间，所述锁相放大器15用于识别所述瞬态反射率光信号并放大输出至计算机16。光电探测器将光信号转变为电信号然后输入到锁相放大器15，经锁相放大器15识别放大输出到计算机16处理。

在本实施例中，锁相放大器15还接收光学斩波器5调制的电信号，并将该电信号放大后输入至计算机16，作为参考信号。

在上述实施例的基础上，还包括低温恒温系统，所述低温恒温系统中设有放置样品的样品台11，所述低温恒温系统设于三维平移台上。低温恒温系统内温度范围为4～320k，真空度为10^-7mbar。如图2所示，低温恒温系统上设有真空玻璃窗口18和真空计17，泵浦光(半波长泵浦光和全波长探测光)及反射光通过真空玻璃窗口进入和传出低温恒温系统。

综上所述，本发明实施例中提供了一种超快时间分辨瞬态反射光谱仪，采用双波长泵浦探测的方式，测量块材表面反射率的相对变化值来探究半导体、超导体以及拓扑绝缘体中载流子的超快动力学过程。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。