材料表面态二次谐波产生的时间分辨测量装置的制作方法

本发明实施例涉及超快激光技术领域，更具体地，涉及一种材料表面态二次谐波产生的时间分辨测量装置。

背景技术：

为了研究材料内部电子结构、电子-电子以及电子-声子等相互作用，现有技术通常采用常规的静态手段，例如中子散射、光电子能谱、红外光谱和拉曼光谱等方法。虽然上述方法可有效探测材料的静态电子和声子结构等，但无法实时探测和操作瞬态非平衡态的电子结构，也无法观察到时域上电子与各自由度之间相互作用的驰豫过程。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的材料表面态二次谐波产生的时间分辨测量装置。

本发明实施例提供一种材料表面态二次谐波产生的时间分辨测量装置，该装置包括：反射谱系统和计算机；反射谱系统用于从反射光谱中分离获得二次谐波信号以及与探测光同频率的反射信号；其中，反射光谱是时间分辨超快泵浦探测光谱仪通过探测光对具有中心对称晶体结构材料照射后输出至反射谱系统的；计算机用于处理同频率的反射信号以及二次谐波信号，获取具有中心对称晶体结构材料的动力学过程；其中，同频率的反射信号用于反映材料的体态特征，二次谐波信号用于反映材料的表面态特征。

本发明实施例提供的材料表面态二次谐波产生的时间分辨测量装置，通过利用同频率的反射信号反映材料的体态特征，以及利用二次谐波信号反映的材料的表面态特征等原理，从而能够研究或观察具有中心对称晶体结构材料的各种相互作用的动力学过程，观察到了时域上电子与各自由度之间相互作用的驰豫过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的材料表面态二次谐波产生的时间分辨测量装置的结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的材料表面态二次谐波产生的时间分辨测量装置的结构示意图；

图中，1：飞秒激光光源；2：分束镜；3：延迟线；4：第二反射镜；5：光学斩波器；6：第一反射镜；7：第二聚焦透镜；8：第三聚焦透镜；9：样品；10：第一聚焦透镜；11：分光棱镜；12：偏振片；13：红外探测器；14：光电倍增管；15：锁相放大器；16：计算机；17：反射谱系统；18：时间分辨超快泵浦探测光谱仪。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的材料表面态二次谐波产生的时间分辨测量装置，参见图1，该装置包括：反射谱系统17和计算机16；

其中，反射谱系统17用于从反射光谱中分离获得二次谐波信号以及与探测光同频率的反射信号；其中，反射光谱是时间分辨超快泵浦探测光谱仪18通过探测光对具有中心对称晶体结构材料照射后输出至反射谱系统17的。

具体地，时间分辨超快泵浦探测光谱仪18是基于超快泵浦-探测的时间分辨技术，采用探测光对具有中心对称晶体结构材料的样品进行照射后，将获得的反射光谱输出到反射谱系统17。其中，时间分辨超快泵浦探测光谱仪18中的近红外探测光与高温超导、具有中心对称晶体结构材料的样品相互作用，由于样品的表面态结构的非中心对称性，所以表面态的二阶非线性极化率张量χ⁽²⁾≠0，而产生二次谐波信息。因此，反射谱系统17能够从反射光谱中分离获得二次谐波信号以及与探测光同频率的反射信号。其中，具有中心对称晶体结构材料的样品为表面平整光滑、反射性良好的强关联块状材料。

其中，计算机16用于处理同频率的反射信号以及二次谐波信号，获取具有中心对称晶体结构材料的动力学过程；其中，同频率的反射信号用于反映材料的体态特征，二次谐波信号用于反映材料的表面态特征。

具体地，时间分辨超快泵浦探测光谱仪18中所应用的超快激光为近红外波段，在材料中的穿透深度为微米级；因此，一方面，同频率的反射光所携带的相互作用信息主要由具有中心对称晶体结构材料的体态结构决定。另一方面，二次谐波信号所携带的相互作用信息完全由表面态结构决定。综合上述两方面可知，可以利用同频率的反射信号来反映体态特征，并利用二次谐波信号反映表面态特征等，从而研究具有中心对称晶体结构材料的各种相互作用的动力学过程，从而通过超快时间分辨的光谱测量，了解各种耦合作用的动态过程，并分辨出表面态和体态中相互作用的瞬态性质。因此，基于上述原理，计算机16可对同频率的反射信号及二次谐波信号进行处理，获取具有中心对称晶体结构材料的动力学过程。

本发明实施例提供的材料表面态二次谐波产生的时间分辨测量装置，通过利用同频率的反射信号反映材料的体态特征，以及利用二次谐波信号反映的材料的表面态特征等原理，从而能够研究或观察具有中心对称晶体结构材料的各种相互作用的动力学过程，观察到了时域上电子与各自由度之间相互作用的驰豫过程。

参见图2，基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，反射谱系统17包括：第一聚焦透镜10、分光棱镜11、偏振片12、红外探测器13和光电倍增管14；第一聚焦透镜10用于将反射光谱聚焦至分光棱镜11；分光棱镜11用于分离反射光谱中的同频率的反射信号以及二次谐波信号；红外探测器13用于接收同频率的反射信号，并将同频率的反射信号输出至计算机16；偏振片12用于改变二次谐波信号的偏振；光电倍增管14用于接收经偏振片12改变偏振后的二次谐波信号，并将二次谐波信号输出至计算机16。

具体地，反射谱系统17用于分离二次谐波、探测二次谐波和同频率光。其中，分光棱镜11分离获得同频率的反射信号以及二次谐波信号后，其中的同频率的反射信号输入到红外探测器13(即红外探测器13接收到样品9表面近红外的瞬态反射率信号)，并由红外探测器13进一步将同频率的反射信号输出到计算机16。其中的二次谐波信号依次经过偏振片12和光电倍增管14，光电倍增管14对二次谐波信号进行收集和探测，进一步将二次谐波信号输出到计算机16。计算机16对反射谱中近红外的反射信号及二次谐波信号进行处理。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，时间分辨超快泵浦探测光谱仪18包括：飞秒激光光源1、分束镜2、泵浦光系统和探测光系统；飞秒激光光源1用于产生飞秒脉冲激光，并将飞秒脉冲激光发送至分束镜2；分束镜2用于将飞秒脉冲激光分为泵浦光和探测光，并将泵浦光发送至泵浦光系统，将探测光发送至探测光系统；泵浦光系统用于对泵浦光进行光学调制，并将调制后的泵浦光聚焦至具有中心对称晶体结构材料的表面；探测光系统用于对探测光进行延迟处理，并将处理后的探测光聚焦至具有中心对称晶体结构材料的表面。

其中，飞秒激光光源1可以为钛宝石飞秒激光器，该光源能够提供波长为800nm、重复频率为1khz的飞秒脉冲激光，并将飞秒脉冲激光发送至分束镜2。分束镜2能够将飞秒脉冲激光分为两束光，分别作为上述泵浦光和上述探测光。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，泵浦光系统包括：光学斩波器5、第一反射镜6和第二聚焦透镜7；光学斩波器5用于对泵浦光进行光学调制，并将调制后的泵浦光发送至第一反射镜6；第一反射镜6用于将泵浦光反射至第二聚焦透镜7；第二聚焦透镜7用于将泵浦光聚焦至具有中心对称晶体结构材料的表面。

具体地，在泵浦光系统中，泵浦光经光学斩波器5、第一反射镜6以及第二聚焦透镜7后，聚焦到样品9表面上。泵浦光能够激发样品9，致使样品9的性质发生改变，从而观察到样品的动力学过程。其中，泵浦光的光斑直径为0.3～0.6mm，并可优选为0.4mm。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，探测光系统包括：延迟线3、第二反射镜4和第三聚焦透镜8；延迟线3用于对探测光进行时间延迟处理，并将时间延迟处理后的探测光发送至第二反射镜4；第二反射镜4用于将探测光反射至第三聚焦透镜8；第三聚焦透镜8用于将探测光聚焦至具有中心对称晶体结构材料的表面。

其中，延迟线3可设置于探测光的光路上，利用电动位移台控制延迟线3上泵浦光与探测光之间的光程差，从而实现两束光之间的时间延迟。延迟线3可包括两面高反射镜，且两面高反射镜成90°设置，探测光与两面反射镜均成45°角，由此可以保证电动位移台移动时，入射光始终平行于反射光。延迟后的探测光经第二反射镜4和第三聚焦透镜8聚焦在样品9上。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，泵浦光照射至具有中心对称晶体结构材料的表面的光斑与探测光照射至具有中心对称晶体结构材料的表面的光斑完全重合。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，材料表面态二次谐波产生的时间分辨测量装置还包括：锁相放大器15；光学斩波器5用于将调制后的泵浦光发送至锁相放大器15；红外探测器13用于将同频率的反射信号发送至锁相放大器15；锁相放大器15用于将泵浦光作为参考信号以对同频率的反射信号进行识别，并将识别后的同频率的反射信号放大输出至计算机16。

具体地，光学斩波器5可以420hz的频率对1khz的泵浦光进行调制，调制后的电信号作为参考信号输入到锁相放大器15。锁相放大器15还接收红外探测器13输入的样品9表面近红外的瞬态反射率信号(即同频率的反射信号)，对同频率的反射信号进行识别并放大后输出到计算机16。

综上，本发明实施例提供的材料表面态二次谐波产生的时间分辨测量装置，基于超快时间分辨泵浦-探测原理，选择近/中红外光作为泵浦、近红外光作为探测。首先泵浦光激发电子系统至非平衡瞬态；然后探测光与材料具有中心对称的体结构和非中心对称的表面结构，发生线性与非线性相互作用，产生同频率光(带有体态信息)与二次谐波(带有表面态信息)；然后利用分光棱镜从反射光谱中分离出同频率光与二次谐波；最后利用红外探测器和锁相放大器对同频率光探测，并同时利用光电倍增管对二次谐波进行探测，实现对材料中心对称体态以及非中心对称表面态的研究。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。