CN115219420B - 一种飞秒时域微纳空间分辨多功能磁光仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞秒时域微纳空间分辨多功能磁光仪，该仪器的光路设计基于带有延迟线的泵浦探测时间分辨光路，并在该光路上设置多个指定开放位置，在开放位置处插入不同的模块化部件，一台仪器可实现飞秒脉宽测量、时间分辨磁光克尔效应磁性薄膜以及磁性微纳器件测量和太赫兹时域光谱测量四种功能，能对低维磁性体系和量子体系、拓扑体系和二维体系等多个前沿领域的微观粒子相互作用进行研究，尤其可实现对低维磁性纳米体系的微观自由度操控及其动力学性质的全面测量。本发明实现飞秒时域、微纳米分辨和多场模块化多功能泵浦探测磁光测量系统的集成化应用，对于飞秒激光时间分辨技术的高效率开发、多功能拓展及低成本应用具有指导意义。
Description
技术领域
本发明属于超快激光技术领域，具体涉及一种飞秒时域微纳空间分辨多功能磁光仪。
背景技术
超短脉冲激光是激光发展的一个重要分支。到目前为止，超短脉冲的脉宽量级经历了纳秒、皮秒、飞秒、阿秒四个阶段。在商业产品中所能得到的最短脉冲就是飞秒脉冲，它具有极高的分辨率和超快的速度，可作为极短的时间探针去探测自然界或者科研实验室中发生的各种化学反应和物理过程。
精确测量飞秒激光的脉宽大小是应用飞秒激光技术的关键。自相关法常用于测量超短脉冲激光的脉冲宽度，对于自相关法测量飞秒脉宽的光路通常有共线自相关光路和非共线自相关光路两种方式。传统的自相关法测量飞秒激光的脉宽使用的是非线性晶体，但是非线性晶体不仅价格昂贵，而且给测量增加了时间成本和操作难度。在实际操作过程中，由于需要滤去通过非线性晶体中的非倍频光部分，因此需要增加棱镜等分光器件，这极大地增加了测量的复杂性；此外，由于产生的倍频光信号强度非常低，若背景光处理不当，普通的探测器件在测量倍频信息时会受到影响，这也为得到测量结果增加了难度。近年来研制出的双光子吸收二极管不但可以使得两束入射激光相干，产生非线性效应，而且与非线性晶体相比，成本更为低廉；此外，使用双光子吸收二极管在简化实验装置的同时，由于二极管的接收面积较大，接收方便简洁，降低了调节和操作的复杂性。目前也有相关的专利文献进行了报道，如中国专利CN107436197A公开的自动测量飞秒激光脉宽的自相关仪，使用了倍频晶体进行自相干，矩阵CCD来检测并通过电脑处理去除背景信号，但是此种方法的测量成本较高，且装置较为复杂；中国专利CN101900608A公开的超短脉冲激光自相关仪，使用了双光子吸收探测器作为信号采集系统，将强度自相关和条纹分辨自相关结合在了一起，虽然提升了测量范围，但却只能测量飞秒激光器振荡级或放大级一级的脉宽，对于飞秒激光市场上常规使用的飞秒激光放大器，一般都同时具有振荡级和放大级，现有的商用自相关仪不能实现两级脉宽测量。
飞秒自相关仪的基本光路不仅可以用于飞秒脉宽测量这一基本用途，在基于非共线的自相关光路系统中，对分束出的其中一条光进行衰减即可实现泵浦-探测实验装置。在研究超快过程的时间分辨激光测量技术中，最为重要和常见的是泵浦-探测技术。泵浦-探测技术可以对物质内部发生的动力学过程进行追踪和探测，被广泛应用于化学、生物医学、材料等多个学科的研究中。在泵浦-探测实验的过程中，一束脉冲激光经过分束器变成两束，其中能量较高的称为泵浦光，能量较低的称为探测光。强光对样品进行泵浦，使其基态粒子数发生变化从而引起样品状态的改变，同时使用弱光作为“探针”来探测这种变化，通过可调光学延时平台改变两束光脉冲到达样品的时间，可以得到样品激发状态的相关特性随时间的变化关系。泵浦-探测技术不仅可用于研究样品对光反射和透射的变化，光诱导吸收的改变测量，还可以用于物质激发态载流子动力学过程的研究。利用非共线自相关光路系统研究光与物质相互作用研究所涉及到的超快光学测量仪器包括：时间分辨的磁光克尔效应仪，太赫兹时域光谱仪及瞬态吸收光谱仪等。时间分辨的磁光克尔效应仪被广泛应用于超快光磁相互作用以及自旋动力学研究领域，其可应用于现代化磁存储中，相较于目前传统的磁存储读写速度(～百皮秒量级)，时间分辨的磁光克尔效应可实现飞秒时域的自旋操控，在超快磁存储领域有很大的潜力；太赫兹时域光谱仪基于太赫兹电磁波辐射，可通过研究材料在太赫兹波段的光谱获取关于材料自身的物理化学信息，通过特征频率对物质结构、物性进行分析和鉴定，被广泛应用于太赫兹探测等工业和科研用途；从研究应用而言，对时间分辨超快光学测量仪器的使用往往都会涉及到上述的一个甚至几个功能的应用。据QYResearch公司发布的数据显示，包括飞秒自相关仪、微纳聚焦磁光克尔效应仪、太赫兹时域光谱仪等在内的光学仪器市场在欧美Newport、Thorlabs、Femtochrome、Quantumdesign、Coherent、APE、Femto Easy等公司，其生产的商业产品，都只具备单一功能，且价格昂贵。相对而言国内企业在多个仪器领域内仍属于起步阶段。目前我国具有较强自主研发能力的只有大恒光电、先锋科技等公司的太赫兹时域光谱仪和飞秒自相关仪等也无法实现一机多用，不具备多种测量功能。因此，如何实现飞秒激光技术领域时间分辨光学测量仪器实现一机多用，例如：一台机器能完成泵浦探测、飞秒脉宽测量、时间分辨磁光克尔效应测量、太赫兹时域光谱测量等功能，实现高效低成本使用，成为本领域技术人员的研究热点和难点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种飞秒时域微纳空间分辨多功能磁光仪，以解决上述背景技术中提出的问题。
技术方案：一种飞秒时域微纳空间分辨多功能磁光仪，由前置光路系统和非共线光路系统组成，其特征在于：所述前置光路系统在分束镜的一侧，沿光路传播方向依次经过全反镜一、装配全反镜的高精度手动翻转光学调整架、衰减片一进入非共线光路系统；激光经透射反射比为1:9的半透半反镜被分为两束，反射激光被光挡挡住，透射激光依次经过高精度手动翻转光学调整架、衰减片一进入非共线光路系统，激光进入非共线光路系统经过分束镜被分为两束相互垂直的激光，一束激光沿光路传播方向依次经过延迟线装置、全反镜二、连续衰减片一、开放位置一聚焦透镜一和开放位置二入射到开放位置三；另一束激光依次经过连续衰减片二、全反镜三、全反镜四、全反镜五、开放位置四和聚焦透镜二入射到开放位置三，开放位置五位于开放位置二左侧，可视化装置一位于全反镜二和全反镜五的中间。
进一步的，基于所述非共线光路系统，在开放位置三添加部件一，部件一由光电探测器置于二维调节架上并整体固定在小光学面板上进行了封装，光电探测器内部电路设置了两个反馈电阻选择性实现1倍和1000倍两种放大倍数，外部设置了开关用于切换两种放大倍数。
进一步的，基于所述非共线光路系统，在开放位置一增加部件二、开放位置四增加部件三、开放位置三增加部件四、开放位置五增加部件五，部件二沿光路传播方向设有斩波器一，部件三沿光路传播方向依次设有连续衰减片三、和起偏器一，部件四包括电磁铁以及位于电磁铁两磁极中间的样品架一，并为部件一预留了位置，样品架一包含两种样品杆设计：样品杆顶部为垂直于杆中心轴的平面和与杆中心轴夹角为102°的倾斜面，部件五沿光路传播方向依次设有微聚焦透镜一、高精度手动翻转光学调整架二、四分之一波片、沃拉斯顿棱镜、聚焦透镜三和光平衡探测器，所述微聚焦透镜一的一侧设有可视化装置二，在本模块功能拓展中，需将部件五中的微聚焦透镜一移除。
进一步的，在上述光路系统的基础上，移除非共线光路中的聚焦透镜一和聚焦透镜二，将开放位置四的部件三更换为部件六，将开放位置五处部件五中的微聚焦透镜放回原位。部件六沿光路传播方向依次设有连续衰减片四、分束棱镜、起偏器二、微聚焦透镜二，分束棱镜一侧设有全反镜六和白光光源。
部件五中的微聚焦透镜一和部件六中的微聚焦透镜二可根据需要同时选用配套自设计长度为5cm镜筒安装50倍长焦显微物镜实现横向分辨率～800纳米。
进一步的，基于所述非共线光路系统，在开放位置一增加部件七、开放位置四增加部件八、开放位置二增加部件五并将部件五中的微聚焦透镜一移除。
所述的部件七沿光路传播方向依次设有斩波器二、电光晶体碲化锌一、离轴抛物镜一和离轴抛物镜二、样品架二、离轴抛物镜三和离轴抛物镜四及电光晶体碲化锌二，所述样品架二位于离轴抛物镜三和离轴抛物镜四之间的焦点处，所述离轴抛物镜一和离轴抛物镜四之间设有全反镜七，部件八沿光路传播方向依次设有连续衰减片五和全反镜八。
本发明的技术效果和优点：
本发明的一种飞秒时域微纳空间分辨多功能磁光仪，在该仪器的指定开放位置添加不同的集成化部件，仪器可拓展为测量飞秒脉宽的自相关系统、时间分辨磁光克尔效应(薄膜型)以及(微纳器件型)两个系统和太赫兹时域光谱系统，一台仪器可实现四种飞秒时间分辨功能测量，能对低维磁性体系和量子体系、拓扑体系和二维体系等多个前沿领域的微观粒子相互作用进行研究，尤其可实现对低维磁性纳米体系的微观自由度操控及其动力学性质的全面测量。本发明实现了飞秒时域、微纳米分辨和多场模块化多功能泵浦探测磁光测量系统的集成化、低成本应用。
附图说明
图1为本发明的总体光路结构图；
图2为本发明的部件二的光路结构图；
图3为本发明的部件三的光路结构图；
图4为本发明的部件四的光路结构图；
图5为本发明的部件五的光路结构图；
图6为本发明的部件六的光路结构图；
图7为本发明的部件七的光路结构图；
图8为本发明的部件八的光路结构图；
图9为使用本发明的时间分辨磁光克尔效应(薄膜型)模块，对CoFeB合金薄膜测量测得的(a)退磁曲线和(b)磁化进动曲线；
图10为使用本发明的时间分辨磁光克尔效应(微纳器件型)模块，对CoFeB多层微纳结构进行测量测得的超快退磁曲线，插图为可视化装置观察到的Hall bar结构图，中心点示意激光位置；
图11为使用本发明的太赫兹时域光谱模块，对磁性异质结构Ta(3)/Co20Fe60B20(20)/Pt(3)/Ta(3)，(单位：nm)进行太赫兹探测测量得到的太赫兹时域光谱图；
图中：1、分束镜；2、延迟线装置；3、全反镜二；4、连续衰减片一；5、开放位置一；6、聚焦透镜一；7、开放位置二；8、连续衰减片二；9、全反镜三；10、全反镜四；11、全反镜五；12、开放位置四；13、聚焦透镜二；14、开放位置三；15、开放位置五；16、可视化装置一；17、全反镜一；18、高精度手动翻转光学调整架一；19、衰减片一；20、透射反射比为1:9的半透半反镜；21、光挡；22、斩波器一；23、连续衰减片三；24、起偏器一；25、样品架一；26、电磁铁；27、微聚焦透镜一；28、可视化装置二；29、高精度手动翻转光学调整架二；30、四分之一波片；31、沃拉斯顿棱镜；32、聚焦透镜三；33、光平衡探测器；34、连续衰减片四；35、分束棱镜；36、起偏器二；37、微聚焦透镜二；38、白光光源；39、全反镜六；40、斩波器二；41、电光晶体碲化锌一；42、离轴抛物镜一；43、离轴抛物镜二；44、离轴抛物镜三；45、离轴抛物镜四；46、样品架二；47、电光晶体碲化锌二；48、全反镜七；49、连续衰减片五；50、全反镜八。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
本发明的总体光路结构如图1所示，部件二、三、四、五、六、七、八分别如图2-图8所示，使用本发明对飞秒激光器的脉宽进行测量，测量时可直接将部件一放置于开放位置三14处，若仪器中已经在开放位置三14处放置了部件四，也可以通过旋转部件四的外部手柄将磁极间距调大，将部件一放到部件四的预留位置。当调整高精度手动翻转光学调整架一18镜面与光学平台面平行时，可测量放大级的1kHz激光脉宽，此时将探测器开关拨向左边，电路内部放大倍数为1000倍；当高精度手动翻转光学调整架一18镜面调至与光学平台垂直时，测量的是振荡级80MHz的放大级激光脉宽，此时将探测器的开关拨向右边，电路内部放大倍数为1。调节底部的一维调节架平移探测器，并使用可视化装置一16观察，使两束激光的光斑在光电二极管的光敏区重合，设定延迟线装置2步进电机的扫描距离及扫描步长，并将探测器与锁相放大器通过BNC线连接，将得到非线性信号最终传输到计算机程序。
使用本发明的时间分辨磁光克尔模块对磁性材料的超快退磁和磁化进动过程进行测量，样品为使用磁控溅射仪在Si衬底上生长的CoFeB合金薄膜，测量时按照如下步骤进行：
步骤一：在仪器中的开放位置一5放置部件二，在开放位置四12放置部件三，在开放位置三14放置部件四，在开放位置五15放置部件五；部件的位置已经在原始的光学平台上预留了线框和螺丝孔，线框的大小与部件大小相吻合，使用配套螺丝将部件与原始光学平台进行固定即可实现部件的安装；
步骤二：调整高精度手动翻转光学调整架一18镜面与光学平台面平行，使1kHz激光进入非共线光路；调节连续衰减片二8，使经过衰减片二8的光强度衰减为经过延迟线2光强度的1/100；调节部件二的斩波器一22，使泵浦光频率为108Hz；
步骤三：测量超快退磁时，将待测样品放置在部件四的样品架一25上，样品杆顶部选择平面设计；测量磁化进动过程时，样品杆顶部选用杆中心轴夹角为102°的倾斜面设计，并调整部件五的位置，其位置也在光学平台已上用线框标出，两种测量方式下，均调节通过调节三维样品架最终使反射光进入部件五的进光孔；
步骤四：通过可视化装置16观察，调节全反镜二3,使两束激光的光斑中心完全重合，设定延迟线装置2步进电机的扫描距离为30000μm、扫描步长100μm以及电磁铁施加磁场大小为5kOe，将扫描过程中探测器采集到的信号通过锁相放大器传输到计算机程序处理即可得到样品的超快退磁和磁化进动曲线，测量结果如图9所示。
使用本发明的微聚焦磁光克尔模块可对磁性纳米结构样品的超快过程进行测量，样品可使用磁控溅射、分子束外延等仪器生长，经过光刻及刻蚀处理，最终得到度Co20Fe60B20的Hall bar样品，测量时按照如下步骤进行：
步骤一：将聚焦透镜一6和聚焦透镜二13移除，在仪器中的开放位置四12放置部件六，在开放位置三14放置部件四，在开放位置五15放置部件五，在开放位置一5放置部件二；部件的位置已经在原始的光学平台上预留了线框和螺丝孔，线框的大小与部件大小相吻合，使用配套螺丝将模块与原始光学平台进行固定即可实现部件的安装；
步骤二：调整高精度手动翻转光学调整架一18镜面与光学平台面平行，使1kHz激光进入非共线光路，调节连续衰减片二8，使经过衰减片二8的光强度衰减为经过延迟线2光强度的1/100；调节部件二的斩波器22，使泵浦光频率为108Hz；
步骤三：将待测样品放置在部件四的样品架一25上，通过调节三维样品架，最终使反射光进入部件五的进光孔，将部件五的高精度手动翻转光学调整架二29调至镜面与光学平台垂直，调节部件五的微聚焦透镜一27和部件六的微聚焦透镜二37两个二维调节架，使之到样品的直线距离恰好为工作焦距，通过部件五的可视化装置28观察，使探测光斑聚焦到样品结构，并可调整聚焦位置。可视化装置观察到的样品表面信息如图10插图所示；
步骤四：调整部件五的高精度手动翻转光学调整架二29与光学平台平行，通过原光学平台可视化装置16观察，调节全反镜二3,使泵浦光和探测光的光斑中心完全重合，设定延迟线装置2步进电机的扫描距离为30000μm、扫描步长100μm以及电磁铁施加磁场大小为5kOe，将扫描过程中探测器采集到的信号通过锁相放大器传输到计算机程序处理即可得到样品的超快退磁曲线，本例中磁性纳米结构样品测量结果如图10所示。
使用本发明的太赫兹时域光谱模块可对薄膜材料进行太赫兹探测。本例中的样品为使用磁控溅射仪器在蓝宝石衬底上生长的Ta(3)/Co20Fe60B20(20)/Pt(3)/Ta(3)，(单位：nm)多层薄膜，测量时按照如下步骤进行：
步骤一：将聚焦透镜一6和聚焦透镜一13拿掉，在仪器中的开放位置四12放置部件八，在开放位置二7放置部件五，在开放位置一5放置部件七，部件的位置已经在原始的光学平台上预留了线框和螺丝孔，线框的大小与部件大小相吻合，使用配套螺丝将模块与原始光学平台进行固定即可实现部件的安装；
步骤二：调节连续衰减片二8，使经过衰减片二8的光强度衰减为经过延迟线2光强度的1/100；
步骤三：移除部件五的微聚焦透镜一27，并将部件五的高精度手动翻转光学调整架二29调至与光学平台平行，将待测样品放置到部件七中的样品架二46上；
步骤四：设定延迟线装置2步进电机的扫描距离、扫描步长等参数，将扫描过程中探测器采集到的信号通过锁相放大器传输到计算机程序处理即可得到样品的太赫兹曲线，如图11所示。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选内容而已，并不用于限制本发明。
Claims (8)
1.一种飞秒时域微纳空间分辨多功能磁光仪，由前置光路系统和非共线光路系统组成，其特征在于：所述前置光路系统在分束镜（1）的一侧，由全反镜一（17）、装配全反镜的高精度手动翻转光学调整架（18）、衰减片一（19）、半透半反镜（20）、光挡（21）组成，沿光路传播方向依次经过全反镜一（17）、装配全反镜的高精度手动翻转光学调整架（18）、衰减片一（19）进入非共线光路系统，所述非共线光路系统在分束镜（1）的另一侧，光学元件分布在分束镜（1）左右两侧，左侧依次设有延迟线装置（2）、全反镜二（3）、连续衰减片一（4）、开放位置一（5）聚焦透镜一（6）和开放位置二（7）、开放位置三（14）和开放位置五（15），开放位置五（15）位于开放位置二（7）左侧，右侧依次设有连续衰减片二（8）、全反镜三（9）、全反镜四（10）、全反镜五（11）、开放位置四（12）和聚焦透镜二（13），激光进入非共线光路系统经过分束镜（1）被分为两束相互垂直的激光，一束激光沿光路传播方向依次经过延迟线装置（2）、全反镜二（3）、连续衰减片一（4）、开放位置一（5）、聚焦透镜一（6）和开放位置二（7）入射到开放位置三（14）；另一束激光依次经过连续衰减片二（8）、全反镜三（9）、全反镜四（10）、全反镜五（11）、开放位置四（12）和聚焦透镜二（13）入射到开放位置三（14），可视化装置一（16）位于全反镜二（3）和全反镜五（11）的中间，在所述开放位置可插入模块化部件一、二、三、四、五、六、七和八，仪器可实现飞秒脉宽测量、时间分辨磁光克尔效应磁性薄膜以及磁性微纳器件测量和太赫兹时域光谱测量四种功能。
2.根据权利要求1所述的一种飞秒时域微纳空间分辨多功能磁光仪，其特征在于：在开放位置三（14）添加部件一，可实现飞秒自相关脉宽测量功能，部件一由光电探测器置于二维调节架上并整体固定在小光学面板上进行了封装，光电探测器内部电路设置了两个反馈电阻选择性实现1倍和1000倍两种放大倍数，外部设置了开关用于切换两种放大倍数。
3.根据权利要求1所述的一种飞秒时域微纳空间分辨多功能磁光仪，其特征在于：在开放位置一（5）增加部件二、开放位置四（12）增加部件三、开放位置三（14）增加部件四、开放位置五（15）增加部件五，可实现所述时间分辨磁光克尔效应磁性薄膜测量功能。
4.根据权利要求3所述的一种飞秒时域微纳空间分辨多功能磁光仪，其特征在于：部件二设有斩波器一（22），部件三依次设有连续衰减片三（23）、和起偏器一（24），部件四依次设有电磁铁（26）以及位于电磁铁（26）两磁极中间的样品架一（25），以及设有预留位置可插入部件一，样品架一（25）包含两种样品杆设计：样品杆顶部为垂直于杆中心轴的平面和与杆中心轴夹角为102°的倾斜面，部件五依次设有微聚焦透镜一（27）、高精度手动翻转光学调整架二（29）、四分之一波片（30）、沃拉斯顿棱镜（31）、聚焦透镜三（32）和光平衡探测器（33），所述微聚焦透镜一（27）的一侧设有可视化装置二（28）。
5.根据权利要求4所述的一种飞秒时域微纳空间分辨多功能磁光仪，其特征在于：移除聚焦透镜一（6）和聚焦透镜二（13），将开放位置四（12）的部件三更换为部件六，将开放位置五（15）处插入部件五，可实现时间分辨磁光克尔效应磁性微纳器件测量功能。
6.根据权利要求5所述的一种飞秒时域微纳空间分辨多功能磁光仪，其特征在于：部件六依次设有连续衰减片四（34）、分束棱镜（35）、起偏器二（36）、微聚焦透镜二（37），分束棱镜（35）一侧设有全反镜六（39）和白光光源（38）。
7.根据权利要求1所述的一种飞秒时域微纳空间分辨多功能磁光仪，其特征在于：将聚焦透镜一（6）和聚焦透镜二（13）拿掉，在开放位置一（5）增加部件七、开放位置四（12）增加部件八、开放位置二（7）增加部件五并将部件五中的微聚焦透镜一（27）移除，可实现太赫兹时域光谱测量功能，其中，部件五依次设有微聚焦透镜一（27）、高精度手动翻转光学调整架二（29）、四分之一波片（30）、沃拉斯顿棱镜（31）、聚焦透镜三（32）和光平衡探测器（33），所述微聚焦透镜一（27）的一侧设有可视化装置二（28）。
8.根据权利要求7所述的一种飞秒时域微纳空间分辨多功能磁光仪，其特征在于：所述的部件七依次设有斩波器二（40）、电光晶体碲化锌一（41）、离轴抛物镜一（42）和离轴抛物镜二（43）、样品架二（46）、离轴抛物镜三（44）和离轴抛物镜四（45）及电光晶体碲化锌二（47），所述样品架二（46）位于离轴抛物镜三（44）和离轴抛物镜四（45）之间，所述离轴抛物镜一（42）和离轴抛物镜四（45）之间设有全反镜七（48），部件八依次设有连续衰减片五（49）和全反镜八（50）。
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