CN102322939A - 固体表面声波的瞬态探测方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固体表面声波的瞬态探测方法及其装置，其方法是将一束泵浦光和一束探测光聚焦到被测物同一点，要求泵浦光强度是探测光强度的至少10倍；泵浦光靶点横向光斑尺寸大于其纵向尺寸，横向尺寸为100微米量级；泵浦光为任意偏振；探测光为水平或竖直线偏振；探测光在被测物表面的反射光经过一个半波片和一个偏振分束器后分成偏振方向互相垂直的两光束，这两光束分别进入平衡探测器的两个探头，其差分信号最后进入锁相放大器进行探测，从而获得表面声波的各种信息，如声波频率、声波的传播速度以及声波能量耗散时间。本发明具有高探测灵敏度、能实时反映表面声波瞬态信息等特点，有助于分析材料其它的物理性质。

Description

固体表面声波的瞬态探测方法及其装置
技术领域    
    本发明属激光应用技术领域，涉及一种利用激光偏振法探测固体表面声波的产生和演化过程的瞬态过程，尤其是探测飞秒激光在晶体表面所产生的GHz以上量级高频超声波及其演化动力学。
背景技术    
近年来，固体表面高频超声声波的产生和探测技术引起了科研工作者的广泛关注。研究表明，利用皮秒或飞秒超短脉冲激光可在固体表面产生GHz以上量级高频率的超声声波。涉及的固体材料包括金属、半导体甚至金属含氧酸盐。材料的形态可以是晶体材料、亚微米级薄膜、量子阱和量子点材料。其基本原理是，在高于材料吸收带隙光子能量的超短脉冲激光辐照下，材料将吸收激光能量而产生大量的热载流子。这些热载流子进一步通过电子-电子或者电子-声子相互作用，使周围的电子或晶格热化，使得电子或晶格温度升高，从而产生热应力而导致晶格形变，其中包括晶格体积的变化。晶格体积的膨胀与压缩即对应声学声波的产生，其频率一般可到GHz以上，属高频率的超声声波。
在高频超声声波的产生及演化动力学研究中，涉及的基本技术是泵浦-探测技术。泵浦光的作用无非是产生高频超声声波以及提供时间参考点。但探测技术以及其中涉及的探测原理却是多种多样的。比如有利用超快X射线或电子衍射术直接探测声波对应的晶格振动；全光技术的瞬态干涉术或光移位法；研究最多的是瞬态光反射技术：即通过探测材料反射率随时间变化的信息来反演高频声波信息，如声波的频率、声波的传播速度以及声波能量的耗散时间。表面声波引起反射率的变化原因在于：表面声波的产生和传播将改变材料的介电常数或折射率。折射率的改变将导致材料的反射率随之改变。
由于热应力可导致双折射，表面声波的存在不仅改变材料的介电常数，而且导致对光响应的各向异性。即原来如果是光各向同性材料则有可能变成光各向异性材料；原来是光各向异性则有可能进一步加强这种特性。因此表面声波的存在将导致材料的双折射，从而改变入射光的偏振状态。
发明内容    
本发明的目的是提供一种探测飞秒激光在固体表面所产生的高频超声波及其演化动力学的新方法及其实施该方法的装置。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种固体表面声波的瞬态探测方法，该方法是将一束泵浦光和一束探测光聚焦到被测物同一点，要求泵浦光强度是探测光强度的至少10倍；泵浦光靶点横向光斑尺寸大于其纵向尺寸，横向尺寸为100微米量级；泵浦光为任意偏振；探测光为水平或竖直线偏振；探测光在被测物表面的反射光经过一个半波片和一个偏振分束器后分成偏振方向互相垂直的两光束，这两光束分别进入平衡探测器的两个探头，其差分信号最后进入锁相放大器进行探测，探测时，先将泵浦光遮挡，调节偏振分束器前的半波片使得平衡探测器的差分信号为零；在泵浦光照射被测物时，材料的性质发生改变，同时改变探测光的偏振状态，此时平衡探测器的差分信号不为零；通过探测入射光偏振状态的改变及演化信息，获知被测物表面声波的信息即声波的频率、声波的传播速度以及声波能量的耗散时间。
所述泵浦光光子能量处于材料的带隙吸收以上，而探测光光子能量则处于材料吸收带边附近；所反映的声波的频率将等于探测光偏振信号的调制频率；偏振调制信号的衰减时间即为表面声波的能量耗散时间；声波的传播速度则等于                                                
Figure 939665DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 226290DEST_PATH_IMAGE002
-声波频率，
Figure 97906DEST_PATH_IMAGE003
-探测光波长，
Figure 257623DEST_PATH_IMAGE004
-材料折射率。
一种实施上述方法的装置，该装置包括泵浦光脉冲、探测光脉冲、分束片、半波片、偏振分束镜、第一高反镜、第二高反镜、差分式平衡探测器及锁相放大器。所述探测光脉冲与被测物垂直设置，泵浦光脉冲与被测物10～15°入射角倾斜设置；分束片为半透半反设置，位于探测光入射及反射光路上；半波片、偏振分束镜、第一第二高反镜、差分式平衡探测器依次位于探测光反射光路上。半波片具高精密微细旋转调节设置；偏振分束镜为高光透过率设置；第一高反镜、第二高反镜为宽带宽高反设置；差分式平衡探测器及锁相放大器间BNC数据线连接。 
本发明的原理：泵浦光将产生表面声波，表面声波反映了晶格的压缩和膨胀；表面声波的存在将使材料呈现不均一性或光学各向异性，也即改变了材料的双折射特性。材料表面的反射光包含两部分，一部分是直接从材料表面外层的反射；表面声波由于改变材料的介电常数，从而在表面里层产生不连续层，该不连续层也将反射一部分光。因为具有一定的穿透深度，双折射主要是改变表面里层反射光的偏振。通过监测探测光反射偏振的改变及其演化过程，则可以了解表面声波的信息及其演化过程。
本发明相比于现有技术有以下优点：具有很高的探测灵敏度，平衡探测器可以很好地消除激光本身不稳定而导致的强度噪声。而且通过分析探测光反射偏振的改变，不仅可以获得声波的频率、声波的传播速度以及声波能量的耗散时间，而且可以获知材料表面双折射特性的改变及其演化过程，有助于分析材料其它的物理性质。
附图说明    
图1为本发明装置结构示意图，其中1-泵浦光脉冲；2-探测光脉冲；3-试验样品；4-分束片；5-半波片；6-偏振分束镜；7,8-高反镜；9-差分式平衡探测器；10-锁相放大器。
图2为本发明方法在ZnTe晶体表面所探测到的表面声波信号及其演化动力学结果图，其中泵浦光波长400nm，探测光波长为596nm。
具体实施方式   
采用图1所示的装置，试验样品3为[110]方向ZnTe晶体，两面抛光，厚度为0.5mm。泵浦光1波长为400nm，光子能量为3.1eV高于ZnTe晶体材料的本征带隙能量2.26eV（对应激光波长550nm）。400 nm泵浦光是由一个钛宝石再生放大器（美国相干公司，型号Legend-Elite）800 nm输出光经过一个BBO晶体倍频产生，输出脉宽为50飞秒，脉冲重复频率为1kHz；探测光2波长为596 nm，通过上述钛宝石再生放大器输出光所泵浦的光参量放大器（Topas）及BBO和频或倍频器所产生，其输出波长从300-2700nm连续可调。泵浦光1以 10～15度角斜入射到试验样品3表面。 探测光2垂直入射、与泵浦光1相交于试验样品3表面同一点。探测光2在试验样品3表面的反射光经过一个分束片4、一个半波片5和一个偏振分束器6后分成偏振方向互相垂直的两光束，这两光束通过高反镜7、8分别进入平衡探测器9（美国thorlabs公司，型号PDB210A/M）的两个探头，其差分信号通过BNC数据线最终进入锁相放大器10（型号SR830）进行探测。
图2为具体实验结果，纵坐标为探测光偏振改变角度，横坐标为泵浦光-探测光脉冲的延迟时间。因为表面声波导致的晶格压缩与膨胀的周期性变化，探测光偏振呈周期性改变，其改变频率对应于表面声波频率。探测光偏振改变振荡强度随时间逐渐降低直到消失，表明表面声波由于传播和阻尼而导致能量的耗散而逐渐消失这一过程。声波传播速率可通过表达式
Figure 732467DEST_PATH_IMAGE005
获得，其中
Figure 573515DEST_PATH_IMAGE006
-声波传播速率；-声波频率；
Figure 820137DEST_PATH_IMAGE003
-探测光波长；
Figure 782277DEST_PATH_IMAGE004
-材料折射率。图2右上角插图为傅里叶变换结果，从中可以知道400nm飞秒激光在ZnTe晶体表面所产生的声波频率为39.55GHz,属于高频率超声声波。图2可以看出该超声声波消失的时间大致为500皮秒。在探测光波长为596 nm时，其对应ZnTe材料的折射率为3.05。利用公式
Figure 220824DEST_PATH_IMAGE005
可获知声波传播的速率为
Figure 335541DEST_PATH_IMAGE007
，这个数据接近于文献S. Adachi, Properties of Group-IV, III-V and II-VI Semiconductors (John Wiley & Sons, 2005)所提供的数据3840 m/s。声波传播方向为垂直于晶体表面朝晶体内部传播。到此，通过瞬态测量探测光反射偏振的演化信息，已获得[110]方向ZnTe晶体表面超声声波的频率、声波传播速度以及声波能量耗散时间。 

Claims (3)

1.一种固体表面声波的瞬态探测方法，其特征在于该方法是将一束泵浦光和一束探测光聚焦到被测物同一点，要求泵浦光强度是探测光强度的至少10倍；泵浦光靶点横向光斑尺寸大于其纵向尺寸，横向尺寸为100微米量级；泵浦光为任意偏振；探测光为水平或竖直线偏振；探测光在被测物表面的反射光经过一个半波片和一个偏振分束器后分成偏振方向互相垂直的两光束，这两光束分别进入平衡探测器的两个探头，其差分信号最后进入锁相放大器进行探测，探测时，先将泵浦光遮挡，调节偏振分束器前的半波片使得平衡探测器的差分信号为零；在泵浦光照射被测物时，材料的性质发生改变，同时改变探测光的偏振状态，此时平衡探测器的差分信号不为零；通过探测入射光偏振状态的改变及演化信息，获知被测物表面声波的信息即声波的频率、声波的传播速度以及声波能量的耗散时间。
2.根据权利要求1所述的瞬态探测方法，其特征在于所述泵浦光光子能量处于材料的带隙吸收以上，而探测光光子能量则处于材料吸收带边附近；所反映的声波的频率将等于探测光偏振信号的调制频率；偏振调制信号的衰减时间即为表面声波的能量耗散时间；声波的传播速度则等于                                                
Figure 105615DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 936036DEST_PATH_IMAGE002
-声波频率，-探测光波长，
Figure 626223DEST_PATH_IMAGE004
-材料折射率。
3.一种实施权利要求1所述方法的装置，其特征在于该装置包括泵浦光脉冲、探测光脉冲、分束片、半波片、偏振分束镜、第一高反镜、第二高反镜、差分式平衡探测器及锁相放大器；所述探测光脉冲与被测物垂直设置，泵浦光脉冲与被测物10～15°入射角倾斜设置；分束片为半透半反设置、位于探测光入射及反射光路上；半波片、偏振分束镜、第一高反镜、第二高反镜、差分式平衡探测器依次设于探测光反射光路上；半波片具高精密微细旋转调节设置；偏振分束镜为高光透过率设置；第一高反镜、第二高反镜为宽带宽高反设置；差分式平衡探测器及锁相放大器间BNC数据线连接。
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