CN111721973A - 一种实现原子尺度激光泵浦探测的方法和装置 - Google Patents

一种实现原子尺度激光泵浦探测的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现原子尺度激光泵浦探测的方法和装置，该方法包括：调节第一激光器发射的第一激光脉冲和第二激光器发射的第二激光脉冲之间的延迟时间；基于预设调制频率调制所述延迟时间；合束准直所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲并照射待探测物；探测被照射的所述待探测物的隧穿电流信号；基于所述预设调制频率提取所述隧穿电流信号中的与所述延迟时间相关的信号。本发明在实现信号调制的同时保证了单位时间内激光平均功率恒定，因此可以消除热效应对扫描隧道显微镜的影响，实现了激光泵浦探测技术和扫描隧道显微镜技术的结合，能够同时获得原子级别的空间分辨率和纳秒尺度的时间分辨率。

Description

一种实现原子尺度激光泵浦探测的方法和装置
技术领域
本说明书涉及探测领域，特别是一种实现原子尺度激光泵浦探测的方法和装置。
背景技术
扫描隧道显微镜(STM,Scanning Tunneling Microscope)利用量子隧穿的原理，通过隧穿电流可以得到原子尺度的空间分辨，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景。但是由于STM的信号源(隧穿电流)需要经过电学放大器之后被提取出来，因此STM的时间分辨率受限于外部电路带宽，目前一般只能达到微秒量级。
光学中泵浦探测(pump-probe)技术的时间分辨率取决于激光脉冲宽度，利用超短的激光脉冲可以达到超高的时间分辨，但是其自身的空间分辨取决于光斑直径，由于衍射极限的限制，远未达到原子级别。通过将激光pump-probe技术和STM相结合，从隧穿电流中提取载流子动力学信号，原理上可以大幅提升STM的时间分辨率，可以同时实现时获得原子级别的空间分辨率和纳秒尺度的时间分辨率。但是激光的热效应会极大的干扰隧穿电流，是两项技术结合的最大挑战，另外，激光诱导的隧穿电流相比于背景电流是高阶小量，需要借助微弱信号提取的方法提高信噪比。
发明内容
本说明书实施例的目的在于，提供了一种实现原子尺度激光泵浦探测的方法和装置，以消除热效应对扫描隧道显微镜技术的影响，实现了激光泵浦探测技术和扫描隧道显微镜技术的结合，能够同时获得原子级别的空间分辨率和纳秒尺度的时间分辨率，同时利用锁相放大技术可以极大的提高激光诱导隧穿电流的信噪比。
为达到上述目的，一方面，本说明书实施例提供了一种实现原子尺度激光泵浦探测的方法，包括：
调节第一激光器发射的第一激光脉冲和第二激光器发射的第二激光脉冲之间的延迟时间；
基于预设调制频率调制所述延迟时间；
合束准直所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲并照射待探测物；
探测被照射的所述待探测物的隧穿电流信号；
基于所述预设调制频率提取所述隧穿电流信号中的与所述延迟时间相关的微弱信号。
另一方面，本说明书实施例还提供了一种实现原子尺度激光泵浦探测的装置，包括：
延迟时间调节模块，用于调节第一激光器发射的第一激光脉冲和第二激光器发射的第二激光脉冲之间的延迟时间；
延迟时间调制模块，用于基于预设调制频率调制所述延迟时间；
合束准直模块，用于合束准直所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲并照射待探测物；
隧穿电流信号探测模块，用于探测被照射的所述待探测物的隧穿电流信号；
信号提取模块，用于基于所述预设调制频率提取所述隧穿电流信号中的与所述延迟时间相关的微弱信号。
由以上本说明书实施例提供的技术方案可见，本说明书实施例可以在实现信号调制的同时保证了单位时间内激光平均功率恒定，因此可以消除热效应对扫描隧道显微镜的影响，实现了激光泵浦探测技术和扫描隧道显微镜技术的结合，能够同时获得原子级别的空间分辨率和纳秒尺度的时间分辨率，利用锁相放大技术可以极大的提高激光诱导隧穿电流的信噪比。
附图说明
图1为本说明书一些实施例的实现原子尺度激光泵浦探测的方法的流程图。
图2为本说明书一些实施例的实现原子尺度激光泵浦探测的装置的结构框图。
图3为本说明书一些实施例的验证效果图。
图4为本说明书一些实施例的延迟时间调制分解示意图。
图5为本说明书一些实施例的实现原子尺度激光泵浦探测的装置的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本说明书保护的范围。
如图1所示，本说明书一些实施例中提供了一种实现原子尺度激光泵浦探测的方法，该方法包括以下步骤:
S102、调节第一激光器发射的第一激光脉冲和第二激光器发射的第二激光脉冲之间的延迟时间；
S104、基于预设调制频率调制延迟时间；
S106、合束准直第一激光脉冲和第二激光脉冲并照射待探测物；
S108、探测被照射的待探测物的隧穿电流信号；
S110、基于预设调制频率提取隧穿电流信号中的与延迟时间相关的微弱信号。
在本说明书一些实施例中，基于脉冲延迟器的第一电脉冲触发第一激光器，基于波形发生器的第二电脉冲触发第二激光器，基于波形发生器的预设调制频率调制延迟时间，其中，脉冲延迟器与波形发生器同步，即二者处在同一个参考时钟内。需要指出的是，除脉冲延迟器外，可以实现延迟的方式有很多，脉冲延时电路是能使脉冲信号延迟一定时间的电路。延迟脉冲信号的办法很多，除了可用电子电路实现之外，电缆、仿真线、超声延迟线和电荷耦合器件等也都可以用来延迟脉冲信号。波形发生器对延迟时间的调制是通过输出特定电脉冲波形序列，触发激光器，使得激光脉冲延迟时间有特定频率的调制，需要指出的是，能实现电脉冲频率调制的电路有很多，脉冲频率调制技术的英文全称为Pulsefrequency modulation，其缩写为PFM，调制信号的频率随输入信号幅值而变化，其占空比不变。
在本说明书一些实施例中，基于第一电脉冲和第二电脉冲的重复频率F，施加预设调频范围为f的方波对第二电脉冲进行调频，第二电脉冲调频后的重复频率在F+f与F-f之间变化,其中，F>1000f，方波的切换频率为F0。由于频率变化，延迟时间会逐步累积。
结合图4，在本说明书一些实施例中，调频后第二电脉冲偏离正常序列的时间的最小值和最大值分别为Δtd和nΔtd，其中n＝F/F0，第二电脉冲偏离正常序列的时间呈线性变化，延迟时间基于奇谐函数f(t)变化。进一步解释如下：调频造成的脉冲偏离正常序列的最小时间为1/F-1/(F+f)及1/(F-f)-1/F，在F>>f前提下，可近似认为两部分绝对值相等，记为Δtd。调频造成的脉冲偏离正常序列的最大时间为nΔtd，n＝F/F0。在半个周期内，调频造成的脉冲偏离正常序列的时间在0和最大值之间线性变化。延迟时间的变化表现为奇谐函数，记作f(t)。奇谐函数f(t)与Δtd相关。
结合图4，在本说明书一些实施例中，基于扫描隧道显微镜获取隧穿电流，以隧穿电流为源信号，锁相放大器参考方波的切换频率F0，提取奇谐函数f(t)中与方波的波形完全相同的只含奇次谐波的分量fod(t)，对只含奇次谐波的分量fod(t)依次进行一阶近似、泰勒公式展开和积分处理后，获取包含载流子动力学信号的电流信号，具体解释如下：奇谐函数f(t)可分解为奇函数fod(t)、偶函数fev(t)，延迟时间的变化函数f(t)会体现在隧穿电流中，不同时刻到达样品的激光会有激发效率的区别，从而影响隧穿电流的大小，以隧穿电流为源信号，锁相放大器参考的频率正是延迟时间调制的方波。该方波和f(t)中的奇函数fod(t)分量波形完全相同，通过锁相放大器，可以将fod(t)分量提取出来。奇谐函数f(t)与Δtd相关。记Δt＝nΔtd*2/Π，设置Δt→0，进行一阶近似后则依据泰勒公式展开，锁相放大器输出为dIph/dt，经过积分后就可以得到包含载流子动力学信号的Iph(t)。如图3所示，隧穿电流的图像提供了原子尺度的空间信息(如图3(a)所示)，借助该实施例得到的隧穿电流中随延迟时间变化的曲线dIph/dt(如图3(b)所示)，经过积分后就可以得到包含载流子动力学信号的Iph(t)。从测试结果中看，本技术解决了激光热效应的干扰，可以实现原子尺度上的纳秒动力学过程探测，且借助于锁相放大技术，具有高信噪比。
在本说明书一些实施例中，第一激光器包括Q开关激光器，第二激光器包括Q开关激光器，Q开关激光器的谐振腔内设置有Q开关调制器。第一激光器和第二激光器包括纳秒激光器或皮秒激光器。Q开关纳秒激光器在谐振器之内增加一个Q开关调制器，把能量储存在谐振器里，在需要的时候再释放出来，从而产生了超过输入电流功率的脉冲。因此Q开关激光器相较于调制器外置的激光器而言，效率更高，获得的单脉冲能量更大。此外，在一些其他实施例中，基于本发明的实施例的方案，而后只需将纳秒激光器换做皮秒激光激光器即可获得皮秒级的时间分辨率。
如图2所示，本说明书一些实施例中还提供了一种实现原子尺度激光泵浦探测的装置，该装置包括：
延迟时间调节模块201，用于调节第一激光器发射的第一激光脉冲和第二激光器发射的第二激光脉冲之间的延迟时间；
延迟时间调制模块202，用于基于预设调制频率调制延迟时间；
合束准直模块203，用于合束准直第一激光脉冲和第二激光脉冲并照射待探测物；
隧穿电流信号探测模块204，用于探测被照射的待探测物的隧穿电流信号；
信号提取模块205，用于基于预设调制频率提取隧穿电流信号中的与延迟时间相关的微弱信号。
在本说明书一些实施例中，延迟时间调节模块，包括脉冲延迟器；延迟时间调制模块，包括波形发生器；基于脉冲延迟器的第一电脉冲触发第一激光器，基于波形发生器的第二电脉冲触发第二激光器，基于波形发生器的预设调制频率调制延迟时间。合束准直模块，包括按预定次序连接的偏光器、分束器、滤光器、半波片和棱镜；
隧穿电流信号探测模块，包括扫描隧道显微镜，扫描隧道显微镜获取隧穿电流；
信号提取模块以隧穿电流为源信号，锁相放大器参考方波的切换频率F0，提取谐函数f(t)中与方波的波形完全相同的只含奇次谐波的分量fod(t)，对只含奇次谐波的分量fod(t)依次进行一阶近似、泰勒公式展开和积分处理后，获取包含载流子动力学信号的电流信号。
在实际的应用环境中，本发明实施例的硬件构成主要包含三部分，如图5所示，激光器单元(激光器单元包括两台纳秒脉冲激光器及其电学触发单元，一台负责调节延迟时间的的脉冲延迟器，另一台为调制延迟时间的波形发生器,且脉冲延迟器与波形发生器同步，即二者处在同一个参考时钟内)，STM单元(扫描隧道显微镜单元包括可用来探测隧穿电流中的全部功能单元)，信号提取单元(信号提取单元包括锁相放大器以及数据采集卡)。两束激光脉冲经过光路合束准直之后，照射到STM针尖可探测的样品局部。锁相放大器参考波形发生器调制的频率，将隧穿电流中与激光延迟时间相关的信号提取出来。由于采用延迟时间调制的方式，激光对STM探测系统的热效应干扰被消除，借助锁相放大器，微弱的信号被从大电流及噪声背底中提取出来。作为信号源的电流保证了空间分辨率，激光脉冲宽度决定了时间分辨率，因此该技术可实现原子级别纳秒时间尺度动力学过程的探测。
虽然上文描述的过程流程包括以特定顺序出现的多个操作，但是，应当清楚了解，这些过程可以包括更多或更少的操作，这些操作可以顺序执行或并行执行(例如使用并行处理器或多线程环境)。本发明是参照根据本发明实施例的方法的流程图和/或方框图来描述的。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法实施例而言，由于其基本相似于装置实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见装置实施例的部分说明即可。以上仅为本说明书的实施例而已，并不用于限制本说明书。对于本领域技术人员来说，本说明书可以有各种更改和变化。凡在本说明书的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种实现原子尺度激光泵浦探测的方法，其特征在于，所述方法包括：
调节第一激光器发射的第一激光脉冲和第二激光器发射的第二激光脉冲之间的延迟时间；
基于预设调制频率调制所述延迟时间；
合束准直所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲并照射待探测物；
探测被照射的所述待探测物的隧穿电流信号；
基于所述预设调制频率提取所述隧穿电流信号中的与所述延迟时间相关的信号。
2.根据权利要求1所述的实现原子尺度激光泵浦探测的方法，其特征在于，
所述调节第一激光器发射的第一激光脉冲和第二激光器发射的第二激光脉冲之间的延迟时间，基于预设调制频率调制所述延迟时间，
具体包括：基于脉冲延迟器的第一电脉冲触发所述第一激光器，基于所述波形发生器的第二电脉冲触发所述第二激光器，基于波形发生器的预设调制频率调制所述延迟时间。
3.根据权利要求2所述的实现原子尺度激光泵浦探测的方法，其特征在于，
所述基于波形发生器的预设调制频率调制所述延迟时间，
具体包括，基于所述第一电脉冲和所述第二电脉冲的重复频率F，施加预设调频范围为f的方波对第二电脉冲进行调频，所述第二电脉冲调频后的重复频率在F+f与F-f之间变化,其中，F>1000f，所述方波的切换频率为F0。
4.根据权利要求3所述的实现原子尺度激光泵浦探测的方法，其特征在于，
调频后所述第二电脉冲偏离正常序列的时间的最小值和最大值分别为Δtd和nΔtd，其中n＝F/F0，所述第二电脉冲偏离正常序列的时间呈线性变化，所述延迟时间基于奇谐函数f(t)变化，所述奇谐函数f(t)与Δtd相关。
5.根据权利要求4所述的实现原子尺度激光泵浦探测的方法，其特征在于，
所述基于所述预设调制频率提取所述隧穿电流信号中的与所述延迟时间相关的信号，
具体包括，基于扫描隧道显微镜获取所述隧穿电流，以所述隧穿电流为源信号，锁相放大器参考所述方波的切换频率F0，提取所述奇谐函数f(t)中与所述方波的波形完全相同的只含奇次谐波的分量fod(t)，对所述只含奇次谐波的分量fod(t)依次进行一阶近似、泰勒公式展开和积分处理后，获取包含载流子动力学信号的电流信号。
6.根据权利要求1至5任一所述的实现原子尺度激光泵浦探测的方法，其特征在于，
所述第一激光器包括Q开关激光器，所述第二激光器包括Q开关激光器，所述Q开关激光器的谐振腔内设置有Q开关调制器。
7.根据权利要求6所述的实现原子尺度激光泵浦探测的方法，其特征在于，
所述第一激光器和所述第二激光器包括纳秒激光器或皮秒激光器。
8.一种实现原子尺度激光泵浦探测的装置，其特征在于，包括
延迟时间调节模块，用于调节第一激光器发射的第一激光脉冲和第二激光器发射的第二激光脉冲之间的延迟时间；
延迟时间调制模块，用于基于预设调制频率调制所述延迟时间；
合束准直模块，用于合束准直所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲并照射待探测物；
隧穿电流信号探测模块，用于探测被照射的所述待探测物的隧穿电流信号；
信号提取模块，用于基于所述预设调制频率提取所述隧穿电流信号中的与所述延迟时间相关的信号。
9.根据权利要求8所述的实现原子尺度激光泵浦探测的装置，其特征在于，
所述延迟时间调节模块，包括脉冲延迟器；
所述延迟时间调制模块，包括波形发生器；
基于脉冲延迟器的第一电脉冲触发所述第一激光器，基于所述波形发生器的第二电脉冲触发所述第二激光器，基于波形发生器的预设调制频率调制所述延迟时间。
10.根据权利要求9所述的实现原子尺度激光泵浦探测的装置，其特征在于，
所述合束准直模块，包括按预定次序连接的偏光器、分束器、滤光器、半波片和棱镜；
所述隧穿电流信号探测模块，包括扫描隧道显微镜，所述扫描隧道显微镜获取所述隧穿电流；
所述信号提取模块以所述隧穿电流为源信号，锁相放大器参考所述方波的切换频率F0，提取所述谐函数f(t)中与所述方波的波形完全相同的只含奇次谐波的分量fod(t)，对所述只含奇次谐波的分量fod(t)依次进行一阶近似、泰勒公式展开和积分处理后，获取包含载流子动力学信号的电流信号。
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