CN112485223A - 一种时空分辨瞬态吸收显微光谱测量装置 - Google Patents

一种时空分辨瞬态吸收显微光谱测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种时空分辨瞬态吸收显微光谱测量装置，飞秒激光器输出的飞秒激光经分光片分光后，分别进入泵浦光路与探测光路；泵浦激光和探测激光分别经激光性能调节模块调制后，进入显微光谱采集模块；探测激光经空间扫描模块的调节，在显微物镜上自左至右逐点扫过泵浦激光；在探测激光空间扫描的每一个空间位点，通过时间扫描模块调节探测激光与泵浦激光的时间延迟；信号探测模块记录探测激光的微分反射信号，生成时空分辨的瞬态吸收显微光谱。本发明定量控制泵浦和探测激光脉冲聚焦在样品上的时空相对位置，实现光生载流子浓度扩散输运过程的直接观测。

Description

一种时空分辨瞬态吸收显微光谱测量装置
技术领域
本发明属于光学无损检测技术领域，尤其涉及一种时空分辨瞬态吸收显微光谱测量装置。
背景技术
飞秒激光瞬态吸收光谱可以测量半导体材料中光生载流子的注入与激发态弛豫快速过程，其中基态弛豫过程的时间分辨测量可以用来获得光生载流子的寿命信息。由于激光焦斑的高斯空间分布，光生载流子经飞秒激光激发后，将形成与激发焦斑相对应的高斯空间分布。也就是说，光生载流子经瞬态激发后，在空间上存在浓度梯度，其带间复合的快速过程还将伴随空间上的扩散输运过程。观测光生载流子的时空扩散过程，可以获得光生载流子的扩散系数这一本征半导体参数，对半导体光电子器件的设计和构筑具有重要意义。然而，目前商业化的飞秒激光瞬态吸收光谱系统，往往只有时间分辨功能，缺乏观测光生载流子扩散输运过程的能力。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种时空分辨瞬态吸收显微光谱测量装置，通过调节探测激光在样品上的焦斑位置，实现探测激光焦斑相对于泵浦激光焦斑的空间扫描；进而测出探测激光微分反射信号，在每一个空间扫描位置上的样品瞬态吸收时间依赖信号，实现光生载流子扩散输运过程的时空分辨观测。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种时空分辨瞬态吸收显微光谱测量装置，包括飞秒激光器、飞秒激光性能调控模块、时间扫描模块、空间扫描模块、显微光谱采集模块、信号探测模块；飞秒激光器输出的飞秒激光经分光片分光后，分别进入泵浦光路与探测光路；泵浦激光和探测激光的波长分别经激光性能调节模块调制后，进入显微光谱采集模块；探测激光经空间扫描模块的调节，在显微物镜上自左至右逐点扫过泵浦激光；在探测激光空间扫描的每一个空间位点，通过时间扫描模块调节探测激光与泵浦激光的时间延迟；信号探测模块记录探测激光的微分反射信号，生成时空分辨的瞬态吸收显微光谱。
进一步地，激光性能调节模块中通过光子晶体光纤超连续谱对探测激光波长进行拓展，通过BBO晶体对泵浦激光进行倍频。
进一步地，时间扫描模块包括回射镜和线性位移台，用于探测激光脉冲与泵浦激光脉冲时间延迟的控制。
进一步地，空间扫描模块采用促动器调节位于显微物镜前的探测激光反射镜的倾角，实现探测激光焦斑在样品上的空间扫描。
进一步地，促动器通过计算机控制促动控制器调节。
进一步地，信号探测模块包括平衡光电探测器，探测激光入射到样品后的反射成分经滤波片导入平衡光电探测器的一个探头；采用分光片将入射到显微物镜之前的探测激光分光，并导入到平衡光电探测器的另一个探头上。
进一步地，信号探测模块还包括锁相放大器。
进一步地，显微光谱采集模块包括显微物镜和样品三维位移台，用于实现激光与样品位置的对准。
进一步地，显微光谱采集模块还包括成像CCD，用于实时观察探测激光焦斑的空间运动。
有益效果：本发明定量控制泵浦和探测激光脉冲聚焦在样品上的时空相对位置，实现光生载流子浓度扩散输运过程的直接观测。本发明可以解决飞秒激光瞬态吸收光谱无法同时在时间和空间上直接观测半导体材料光生载流子扩散过程的问题，有助于评估半导体材料的扩散系数等本征光电性能参数。
附图说明
图1是本发明时空分辨瞬态吸收显微光谱测量装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，本发明所述的时空分辨瞬态吸收显微光谱测量装置，包括飞秒激光器1、飞秒激光性能调控模块2、时间扫描模块3、空间扫描模块4、显微光谱采集模块5、信号探测模块6。
飞秒激光性能调控模块2包括光子晶体光纤21、BBO晶体22；时间扫描模块3包括回射镜31、线性位移台32；空间扫描模块4包括促动器41、探测激光反射镜42、促动控制器43；显微光谱采集模块5包括显微物镜51、成像CCD52、样品三维位移台53；信号探测模块6包括平衡光电探测器61、锁相放大器62。
飞秒激光器1输出的飞秒激光经分光片7分光后，分别进入泵浦光路与探测光路；泵浦激光和探测激光分别经激光性能调节模块2调制后，进入显微光谱采集模块5。探测激光焦斑聚焦在泵浦激光焦斑的左侧，探测激光焦斑经空间扫描模块4的调节，可以在显微物镜51上，自左至右逐点扫过泵浦激光焦斑。在探测激光焦斑空间扫描的每一个空间位点，通过时间扫描模块3调节探测激光脉冲与泵浦激光脉冲的时间延迟。信号探测模块6负责记录探测激光的微分反射信号，发送给计算机，生成时空分辨的瞬态吸收显微光谱。同时，通过成像CCD52实时观察探测激光焦斑的空间运动。
飞秒激光器1用于产生单色飞秒激光；经分光片7分光后，分别进入泵浦光路与探测光路；激光性能调节模块2中通过光子晶体光纤21对探测激光进行性能调节，通过BBO晶体22对泵浦激光进行性能调节。
探测激光经滤波片8，实现探测激光波长的调谐；然后经时间扫描模块3和空间扫描模块4，进入显微光谱采集模块5。
时间扫描模块3采用回射镜31和线性位移台32的组合，实现探测激光脉冲与泵浦激光脉冲时间延迟的控制。空间扫描模块4采用促动器41，精密调节位于显微物镜51前的探测激光反射镜42的倾角，实现探测激光在样品上焦斑的空间扫描。促动器41通过计算机控制促动控制器43来调节。
显微光谱采集模块5采用由显微物镜51、样品三维位移台53、成像CCD52的组合，实现激光焦斑与样品位置的对准。同时，由样品反射的探测激光被系统重新收集。信号探测模块6由双探头平衡光电探测器61、锁相放大器62组成，通过计算机程序实现微分反射信号的采集和存储。
本发明装置将一束泵浦飞秒激光和一束探测飞秒激光，通过显微光学系统垂直聚焦到样品的同一点；探测激光入射到样品后的反射成分经滤波片8，被导入平衡光电探测器61的一个探头；采用分光片7将入射到显微物镜之前的部分探测激光分光，并导入到平衡光电探测器61的另一个探头上。采用平衡探测器和锁相放大手段，提高探测激光微分反射信号的信噪比。
通过由促动器控制的探测激光反射镜42，精确调节探测激光沿水平方向的倾角，定量控制探测激光焦斑在样品上的空间位置。进而，在水平方向上，使探测激光焦斑逐点扫描过泵浦激光焦斑；在探测激光焦斑的每一个空间扫描位点，通过线性位移台32控制探测激光脉冲与泵浦激光脉冲的时间延迟，记录探测激光微分反射信号的时间分辨光谱，获得光生载流子浓度的时空演化过程。
以下通过实施例测量多层二硫化钼样品的光生载流子时空分辨瞬态吸收信号，对本发明进行具体说明。
选用飞秒激光泵浦探测系统，激光器为重复频率80MHz的钛宝石飞秒激光器1，脉宽约100fs，输出波长为800nm；采用数值孔径0.4的显微物镜；采用锁相放大探测提高信噪比；光学斩波器调制泵浦激光，斩波频率约为4kHz；锁相放大器选用SR830。
使用机械剥离在石英衬底上制备一个约10nm厚的多层二维化钼样品，选择400nm飞秒激光作为泵浦，660nm飞秒激光作为探测。
将泵浦、探测激光合束后聚焦在多层二维化钼样品上表面；同时，显微物镜收集反射的探测激光，并将其聚焦到平衡光电探测器的一个探头上；采用光学分束器将入射到显微物镜之前的部分探测激光分光，经可调光学衰减片后并聚焦到平衡光电探测的另一个探头上。
将泵浦和探测激光功率分别调到20uW和5uW，并使二者光斑在空间上互相重合聚焦在样品的同一位置；将泵浦激光挡住，对探测激光进行光学斩波，通过调节光学衰减片使得SR830电压读数趋于零，实现平衡探测；将泵浦激光引入光路，并对泵浦激光进行光学斩波；通过光学延迟线进行时间扫描，观测获得因光生载流子的注入，导致的探测激光微分反射信号。进一步，通过优化泵浦和探测激光的准直、聚焦等条件，将探测激光微分反射信号调至最强。
在此基础上，设置探测激光反光镜上压电促动器的扫描步距，通过计算机控制程序调节压电促动器，并通过CCD成像程序实时观察探测激光焦斑的空间运动；将探测激光焦斑移动至泵浦激光焦斑的左侧，使泵浦探测焦斑在空间上不重合。
通过计算机程序，使探测激光焦斑由左向右逐点扫描通过泵浦激光焦斑，并在每一个空间扫描位点，进行探测激光脉冲时间延迟扫描；通过程序控制实现该步骤的依次循环，实现光生载流子所诱导的探测激光微分反射信号的时空扫描测量。
最后，采用显微镜矫正标尺对探测激光空间扫描步距进行校准，获得压电促动器空间扫描位点间隔对应的实际空间距离；通过光速和光程差的关系，计算出时间扫描相邻两点对应的实际时间延迟，获得时空分辨的半导体材料瞬态吸收光谱。

Claims (9)

1.一种时空分辨瞬态吸收显微光谱测量装置，其特征在于，包括飞秒激光器(1)、飞秒激光性能调控模块(2)、时间扫描模块(3)、空间扫描模块(4)、显微光谱采集模块(5)、信号探测模块(6)；
飞秒激光器(1)输出的飞秒激光经分光片(7)分光后，分别进入泵浦光路与探测光路；泵浦激光和探测激光分别经激光性能调节模块(2)调制后，进入显微光谱采集模块(5)；
探测激光经空间扫描模块(4)的调节，在显微物镜上自左至右逐点扫过泵浦激光；在探测激光空间扫描的每一个空间位点，通过时间扫描模块(3)调节探测激光与泵浦激光的时间延迟；信号探测模块(6)记录探测激光的微分反射信号，生成时空分辨的瞬态吸收显微光谱。
2.根据权利要求1所述的时空分辨瞬态吸收显微光谱测量装置，其特征在于，激光性能调节模块(2)中通过光子晶体光纤(21)超连续谱拓展探测激光波长，通过BBO晶体(22)倍频过程获得短波长的泵浦激光。
3.根据权利要求1所述的时空分辨瞬态吸收显微光谱测量装置，其特征在于，时间扫描模块(3)包括回射镜(31)和线性位移台(32)，用于探测激光脉冲与泵浦激光脉冲时间延迟的控制。
4.根据权利要求1所述的时空分辨瞬态吸收显微光谱测量装置，其特征在于，空间扫描模块(4)采用促动器(41)调节位于显微物镜(51)前的探测激光反射镜(42)的倾角，实现探测激光焦斑在样品上的空间扫描。
5.根据权利要求4所述的时空分辨瞬态吸收显微光谱测量装置，其特征在于，促动器(41)通过计算机控制促动控制器(43)调节。
6.根据权利要求1所述的时空分辨瞬态吸收显微光谱测量装置，其特征在于，信号探测模块(6)包括平衡光电探测器(61)，探测激光入射到样品后的反射成分经滤波片(8)导入平衡光电探测器(61)的一个探头；采用分光片(7)将入射到显微物镜之前的探测激光分光，并导入到平衡光电探测器(61)的另一个探头上。
7.根据权利要求6所述的时空分辨瞬态吸收显微光谱测量装置，其特征在于，信号探测模块(6)还包括锁相放大器(62)。
8.根据权利要求1所述的时空分辨瞬态吸收显微光谱测量装置，其特征在于，显微光谱采集模块(5)包括显微物镜(51)和样品三维位移台(53)，用于实现激光与样品位置的对准。
9.根据权利要求1所述的时空分辨瞬态吸收显微光谱测量装置，其特征在于，显微光谱采集模块(5)还包括成像CCD(52)，用于实时观察探测激光焦斑的空间运动。
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