基于太赫兹时域光谱获取材料物理参数的方法及测试系统与流程

本发明涉及太赫兹光谱，尤其涉及一种基于太赫兹时域光谱获取材料物理参数的方法及测试系统。

背景技术：

1、随着脉冲激光技术的快速发展，超快泵浦-探测已成为研究金属、半导体、氧化物、低维及纳米结构等电子、光电子材料中载流子动力学特性的先进光学测量技术。此技术主要测量在超快泵浦脉冲作用下，材料的透射或反射强度随延迟时间变化的时域光谱，从而获得材料中载流子的激发和弛豫信息。德鲁德-史密斯(drude-smith)模型应用泊松统计，考虑了材料中的光致电子背散射或局域化效应，已经被广泛应用于了解贫金属、一些窄带半导体、介电衬底上的薄膜材料、低维和纳米结构电子材料中发现的偏离常规德鲁德(drude)模型的光电导行为。但是，目前的德鲁德-史密斯模型只能应用于了解在频域获得的材料的光电导率。在利用超快泵浦-探测实验研究这些材料的时域响应特性时，目前还没有考虑了材料中的光致电子背散射效应的理论模型。因此，有必要将频域中的drude-smith模型推广至时域，应用于超快泵浦-探测在时域研究贫金属、一些窄带半导体、低维和纳米结构电子材料的载流子动力学特性。

2、目前，drude-smith模型的复光电导率只有在频域的解析表达式。在处理通过超快泵浦-探测测量到的时域实验数据时，通常假设材料中电子的弛豫为随时间的指数衰减过程，此假设对应于频域的常规drude复光电导率。因此，这个理论模型不能应用于了解在频域具有偏离drude光电导行为的材料(如贫金属、一些窄带半导体、介电衬底上的薄膜材料、低维和纳米结构电子材料等)在时域的光电响应特性。更进一步，对于单色光泵浦-探测测量所获得的时域数据，不能通过傅里叶变换得到材料光电响应的频谱，无法用传统的频域drude-smith模型进行数据处理和分析。因此，目前还没有合适的理论模型去准确和便捷的处理超快泵浦-探测技术所获得的时域数据，特别是针对已经在在频域发现偏离drude光电导行为的材料系统。

3、因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

1、本发明的主要目的旨在提供一种基于太赫兹时域光谱获取材料物理参数的方法及测试系统,无需进行傅里叶转换得到太赫兹频域光谱即可计算得到材料物理参数。

2、本发明第一方面公开了一种基于太赫兹时域光谱获取材料物理参数的方法，所述方法包括：

3、构建太赫兹泵浦探测系统；

4、将样品安装到所述太赫兹泵浦探测系统的样品架上；

5、利用所述太赫兹泵浦探测系统对所述样品进行测量，获得所述样品的太赫兹时域光谱的波形数据；

6、利用由drude-smith模型推广得到的公式i(t)＝n＝0(t)+n＝1(t)+in＝2(t)对所述太赫兹时域光谱的波形数据进行拟合，其中，

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10、i0是背景透射或反射信号强度，a是一个系数，γ为半高宽，k1＝(γ2-2tτ)/2τ2，erf(x)是误差函数，τ为样品中载流子的弛豫时间，c1和c2为局域化因子；

11、基于拟合结果，获得所述样品的各项材料物理参数。

12、在本发明第一方面一种可选的实施方式中，所述样品为低维半导体材料，所述低维半导体材料包括单层mos2、单层hbn、单层ws2和gasb晶片。

13、在本发明第一方面一种可选的实施方式中，所述太赫兹泵浦探测系统为单色皮秒太赫兹泵浦-皮秒探测系统。

14、在本发明第一方面一种可选的实施方式中，所述单色皮秒太赫兹泵浦-皮秒探测系统包括太赫兹自由电子激光装置、第一离轴抛物面镜、半透板反射镜、泵浦光路、探测光路、示波器以及计算机，所述探测光路依次包括光路延迟装置、第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜、样品架、第三离轴抛物面镜、第四离轴抛物面镜和太赫兹波探测器，所述泵浦光路依次包括第一反射镜、第二反射镜、第五离轴抛物面镜和太赫兹光束隔板；所述样品架位于所述第五离轴抛物面镜和所述太赫兹光束隔板之间；所述太赫兹波探测器与所述示波器相连，所述示波器与所述计算机相连。

15、在本发明第一方面一种可选的实施方式中，所述利用所述太赫兹泵浦探测系统对所述样品进行测量之前还包括：

16、利用可见光对所述太赫兹泵浦探测系统的光路进行校准，确保探测光斑与泵浦光斑同点聚焦于所述样品上。

17、在本发明第一方面一种可选的实施方式中，所述利用所述太赫兹泵浦探测系统对所述样品进行测量，获得所述样品的太赫兹时域光谱的波形数据包括：

18、在不同的泵浦光频率下对利用所述太赫兹泵浦探测系统对所述样品进行测量，获得不同的泵浦光频率下所述样品分别对应的太赫兹时域光谱的波形数据。

19、本发明第二方面提供了一种基于太赫兹时域光谱获取材料物理参数的测试系统，所述测试系统包括：

20、构建装置，用于构建太赫兹泵浦探测系统；

21、安装装置，用于将样品安装到所述太赫兹泵浦探测系统的样品架上；

22、测试装置，用于利用所述太赫兹泵浦探测系统对所述样品进行测量，获得所述样品的太赫兹时域光谱的波形数据；

23、数据处理装置，用于利用由drude-smith模型推广得到的公式i(t)＝n＝0(t)+n＝1(t)+n＝2(t)对所述太赫兹时域光谱的波形数据进行拟合，其中，

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27、i0是背景透射或反射信号强度，a是一个系数，γ为半高宽，k1＝(γ2-2tτ)/2τ2，erf(x)是误差函数，τ为样品中载流子的弛豫时间，c1和c2为局域化因子；

28、数据获取装置，用于基于拟合结果，获得所述样品的各项材料物理参数。

29、在本发明第二方面一种可选的实施方式中，所述样品为低维半导体材料，所述低维半导体材料包括单层mos2、单层hbn、单层ws2和gasb晶片。

30、在本发明第二方面一种可选的实施方式中，所述太赫兹泵浦探测系统为单色皮秒太赫兹泵浦-皮秒探测系统。

31、在本发明第二方面一种可选的实施方式中，所述单色皮秒太赫兹泵浦-皮秒探测系统包括太赫兹自由电子激光装置、第一离轴抛物面镜、半透板反射镜、泵浦光路、探测光路、示波器以及计算机，所述探测光路依次包括光路延迟装置、第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜、样品架、第三离轴抛物面镜、第四离轴抛物面镜和太赫兹波探测器，所述泵浦光路依次包括第一反射镜、第二反射镜、第五离轴抛物面镜和太赫兹光束隔板；所述样品架位于所述第五离轴抛物面镜和所述太赫兹光束隔板之间；所述太赫兹波探测器与所述示波器相连，所述示波器与所述计算机相连。

32、有益效果：本发明公开了一种基于太赫兹时域光谱获取材料物理参数的方法及测试系统，方法包括：构建太赫兹泵浦探测系统；将样品安装到所述太赫兹泵浦探测系统的样品架上；利用所述太赫兹泵浦探测系统对所述样品进行测量，获得所述样品的太赫兹时域光谱的波形数据；利用drude-smith模型推广后得到的公式对所述太赫兹时域光谱的波形数据进行拟合，基于拟合结果，获得所述样品的各项材料物理参数。本发明的基于太赫兹时域光谱获取材料物理参数的方法，无需对太赫兹时域光谱进行傅里叶转换获得太赫兹频域光谱，直接利用测量得到的太赫兹时域光谱的波形数据通过drude-smith模型推广后得到的公式即可拟合得到样品的材料物理参数，简化了数据处理，方便了材料性能的研究。