CN116519142A - 一种用三维拓扑绝缘体薄膜进行偏振探测的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用三维拓扑绝缘体薄膜进行偏振探测的方法。该方法通过用三维拓扑绝缘体(Bi0.8Sb0.2)2Te3薄膜作为偏振探测器件，通过转动探测器件获得不同激光入射角下的光电流，然后通过对比多次测试下计算测得光电流与参考光电流的比值，唯一确定所探测激光的偏振状态。其原理为，通过转动四分之一波片可获得不同偏振状态下的光电流，接着用通过公式拟合可获得圆偏振光和线偏振光的光电流参考值，通过对比相反入射角下测得的光电流与参考光电流的比值确定唯一相同的偏振状态，且可通过背栅电压调节探测器件的性能兼顾圆偏振状态和线偏振状态的探测，以确定探测到的激光的偏振状态，计算得出斯托克斯参数。
Description
技术领域
本发明涉及偏振探测技术领域，特别是一种用三维拓扑绝缘体薄膜进行偏振探测的方法。
背景技术
拓扑绝缘体不同于一般金属或绝缘体，其独特的物理使其在自旋电子学、量子计算等领域有着潜在的应用前景，现如今在这些领域中备受人们关注。(Bi0.8Sb0.2)2Te3是一种三维拓扑绝缘体材料，其独特之处在于具有受拓扑保护的无带隙表面态，这样的表面态具有时间反演对称性，其中的电子为自旋动量方向锁定的狄拉克电子。这样性质的表面态使得材料能很大程度地抑制非磁性杂质的散射，故其表面电子具有极高的电子迁移率。这使得三维拓扑绝缘体材料在量子计算和新型自旋电子器件等领域都有着很好的应用前景。
通常，我们可以利用圆偏振光致电流技术(记作CPGE)作为研究三维拓扑绝缘体的自旋极化光电流信号的有效手段，可通过圆偏振光电流的探测反映入射激光的圆偏振状态。而利用线偏振光致电流技术(记作LPGE)也能探测三维拓扑绝缘体中的线偏振光电流信号，同理可通过线偏振光电流的探测反映入射激光的线偏振状态。从而最后得出包含待测光全部偏振状态信息的斯托克斯参数。
然而，现在的问题是，在使用三维拓扑绝缘体探测入射激光的偏振状态时，同时存在CPGE和LPGE以及光子拖曳效应电流，使得自旋极化光电流的成分变得复杂，需要通过转动四分之一波片对入射激光产生光电流进行拟合分析以提取圆偏振和线偏振的光电流信号得出激光的偏振状态。由此可见仅运用以上两常用技术使用三维拓扑绝缘体进行偏振探测仍需要运用大量光学元件的辅助的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用三维拓扑绝缘体薄膜进行偏振探测的方法，即通过转动探测器件获得不同激光入射角下的光电流，然后通过对比多次测试下计算测得光电流与参考光电流的比值唯一确定所探测激光的偏振状态的技术。以实现方便，成本低，探测结果准确。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用三维拓扑绝缘体薄膜进行偏振探测的方法，用于探测的拓扑绝缘体(Bi0.8Sb0.2)2Te3生长于SrTiO3衬底上；具体步骤如下：
步骤S1：在拓扑绝缘体(Bi0.8Sb0.2)2Te3样品上用磁控溅射生长10nm的钛电极，用电子束蒸发镀100nm的金电极，电极为边长为0.5mm的正方形电极，电极间距约为2.5mm，用银浆涂覆衬底表面制成背栅电极；
步骤S2：用1064nm的激光作为激发光源，让激光通过斩波器、起偏器、四分之一波片，垂直照射在样品上两电极连线中点的位置；光斑直径小于两电极间距；起偏器的偏振方向与四分之一波片的快轴方向平行。
步骤S3：将样品置于变温杜瓦瓶中，将激光照射于样品中心，通过转动样品，改变激光入射方向与样品法线方向的夹角θ；在两正负相反的入射角±θ角上从0度到360度转动四分之一波片，以5度为一个步长，将每一个四分之一波片角度下的光电流通过电流放大器和锁相放大器进行放大，并通过数据采集卡对放大后的光电流进行采集；
步骤S4：将其中一个入射角下的光电流用符合(Bi0.8Sb0.2)2Te3的点群对称性C3v对称的偏振光电流的公式进行拟合，可提取得到偏振相关的圆偏振光电流和线偏振光电流，光电流拟合公式如下：
其中，是四分之一波片转动的角度，Jtotal是测得的总光电流，C是圆偏振光引起的圆偏振光电流信号，L1和L2是线偏振光引起的线偏振光电流信号，D是由于热电效应和光伏效应引起的背景光电流；
步骤S5：用静电计施加背栅电压，改变背栅电压调节三维拓扑绝缘体偏振探测器件的性能，测得不同背栅电压下±θ入射角下的总光电流，通过步骤S4中的公式(1)提取出不同背栅电压下的圆偏振光电流信号C、线偏振光电流信号L1和L2以及偏振无关光电流信号D；
步骤S6：从步骤S5中通过公式(1)拟合实验数据提取出的圆偏振光电流信号C和线偏振光电流信号L1和L2中算出不同背栅电压下的|C|/(|C|+|L1|+|L2|)。将|C|/(|C|+|L1|+|L2|)作为纵坐标，背栅电压作为横坐标作图，找出|C|/(|C|+|L1|+|L2|)最大时对应的背栅电压，记为VG1(±θ入射角对应的是VG1相同的，因此只需要在+θ入射角下确定VG1)。将背栅电压为VG1下在+θ入射角下测得的总光电流记为算出背栅电压为VG1在+θ入射角不同四分之一波片转角下的圆偏振光电流分量，即/>其中C1是背栅电压为VG1在+θ入射角时通过公式(1)拟合得到的圆偏振光电流信号C。将背栅电压为VG1下在+θ入射角下通过公式(1)拟合得到的D记为/>将背栅电压为VG1下在-θ入射角下测得的总光电流记为算出背栅电压为VG1在-θ入射角不同四分之一波片转角下的圆偏振光电流分量，即其中C2是背栅电压为VG1在-θ入射角时通过公式(1)拟合得到的圆偏振光电流信号C。将背栅电压为VG1下在-θ入射角下通过公式(1)拟合得到的D记为/>
找出|C|/(|C|+|L1|+|L2|)为零或接近于零时对应的背栅电压，记为为VG2(±θ入射角对应的是VG2相同的，因此只需要在+θ入射角下确定VG2)。将背栅电压为VG2下在+θ入射角下测得的总光电流记为算出背栅电压为VG2在+θ入射角不同四分之一波片转角下的线偏振光电流分量，即/>其中L13是背栅电压为VG2在+θ入射角时通过公式(1)拟合得到的线偏振光电流信号L1。将背栅电压为VG2下在+θ入射角下通过公式(1)拟合得到的D记为/>将背栅电压为VG2下在-θ入射角下测得的总光电流记为/>算出背栅电压为VG2在-θ入射角不同四分之一波片转角下的线偏振光电流分量，即/>其中L14是背栅电压为VG2在-θ入射角时通过公式(1)拟合得到的线偏振光电流信号L1。将背栅电压为VG2下在-θ入射角下通过公式(1)拟合得到的D记为/>
步骤S7：将背栅电压调节至VG1，此时为圆偏振探测模式。将待测激光采用步骤S3中的入射角±θ分别入射到样品上，测得此时的总光电流分别为+θ入射角下的和-θ入射角下的/>将步骤S6中测得的总光电流/>与圆偏振光电流分量/>和偏振无关光电流/>之和/>的比值，即以/>作为参考光电流，计算+θ入射角下测量光电流、参考光电流的比值/>和/>以及-θ入射角下测量光电流、参考光电流的比值/>和/>以 这些比值作为极径，以不同偏振相位角/>作为极角，绘制不同偏振状态下的/> 比值的极坐标图，在+θ下的极坐标图像中找出比值和/>共同的交点所对应的偏振相位角，同时在-θ下的极坐标图像中找出比值/>和/>共同的交点所对应的偏振相位角，最后找出±θ入射角下唯一共同确定的偏振相位角α，即为待测激光的圆偏振状态；
步骤S8：将背栅电压调节至VG2，此时为线偏振探测模式。将待测激光采用步骤S3中的入射角±θ分别入射到样品上，测得此时的总光电流分别为+θ入射角下的和-θ入射角下的/>计算由步骤S6中测得的总光电流/>与获得的线偏振光电流分量和偏振无关光电流/> 之和/>的比值，即以作为参考光电流，计算+θ入射角下测量光电流、参考光电流的比值/>和/>以及-θ入射角下测量光电流、参考光电流的比值/>和/>以/> 这些比值作为极径，以不同偏振相位角/>作为极角，绘制不同偏振状态下该比值的极坐标图，对比+θ下的极坐标图像找出比值/>和共同的比值所对应的偏振相位角，同时对比-θ下的极坐标图像找出比值和/>共同的比值所对应的偏振相位角，最后找出±θ入射角下唯一共同确定的偏振相位角ψ，即为待测激光的线偏振状态。
步骤S9：用功率计测得激光功率A2，由步骤S7测得的椭圆偏振角α、由步骤S8测得方位角ψ分别代入下面的斯托克斯参数的公式计算可获得全部斯托克斯参数。
S0＝A2 (2)
S1＝A2cos2ψcos2α (3)
S2＝A2sin2ψcos2α (4)
S3＝A2sin2α (5)
其中S0、S1、S2和S3为斯托克斯参数的四个分量。将A2代入公式(2)中可得出斯托克斯参数S0，将A2、α和ψ代入公式(3)、公式(4)中可得出斯托克斯参数S1、S2，将A2和α代入公式(5)中可得出斯托克斯参数S3。计算得出全部斯托克斯参数的数值，即得出待测光的全部偏振状态信息。
在一较佳的实施例中：步骤S1中所述三维拓扑绝缘体材料(Bi0.8Sb0.2)2Te3用分子束外延MBE设备生长，薄膜的厚度为7nm。
在一较佳的实施例中：步骤S3中所述变温杜瓦瓶的温度固定为77K。
在一较佳的实施例中：步骤S3中激光的入射角±θ设为设为60度到20度间的任一个角度。
在一较佳的实施例中：步骤S7中所述圆偏振探测模式的背栅电压VG1为-30V。
在一较佳的实施例中：步骤S8中所述线偏振探测模式的背栅电压VG2为260V。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：测量结果准确，简洁高效，可行性高，有利于日后推广应用。
附图说明
图1是本发明优选实施例的实验光路示意图。
图2是本发明优选实施例中激光入射角θ为30°时由步骤S3和步骤S4测试得到的y轴方向光电流随四分之一波片转角的变化曲线。其中，小圆圈为实验数据，实线为采用公式(1)的拟合曲线，虚线为提取出其他偏振光电流的曲线。
图3是本发明优选实施例中不同背栅电压下测得不同的总光电流，并利用公式(1)拟合实验数据提取出圆偏振光电流信号，计算得到不同背栅电压下圆偏振光电流信号在所有偏振光电流信号中占比|C|/(|C|+|L1|+|L2|)。
图4为本发明优选实施例中拓扑绝缘体(Bi0.8Sb0.2)2Te3作为偏振探测器，在圆偏振探测模式的背栅电压VG1下，通过相反入射角下光电流之比探测入射光圆偏振状态的极坐标图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式；如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种用三维拓扑绝缘体薄膜进行偏振探测的方法，参考图1至4，所用于探测的拓扑绝缘体(Bi0.8Sb0.2)2Te3生长于SrTiO3衬底上；三维拓扑绝缘体材料(Bi0.8Sb0.2)2Te3用MBE设备生长；所述方法提出了根据提取出拓扑绝缘体(Bi0.8Sb0.2)2Te3的参考光电流进行偏振探测的方法，具体步骤如下：
步骤S1：在拓扑绝缘体(Bi0.8Sb0.2)2Te3样品上用磁控溅射生长10nm的钛电极，用电子束蒸发镀100nm的金电极，电极为边长为0.5mm的正方形电极，电极间距约为2.5mm，用银浆涂覆衬底表面制成背栅电极。
步骤S2：用1064nm的激光作为激发光源，让激光通过斩波器、起偏器、四分之一波片，垂直照射在样品上两电极连线中点的位置。光斑直径小于两电极间距。起偏器的偏振方向与四分之一波片的快轴方向平行。
步骤S3：将样品置于变温杜瓦瓶中，将激光照射于样品中心，通过转动样品，改变激光入射方向与样品法线方向的夹角θ；在两正负相反的±θ角上从0度到360度转动四分之一波片，以5度为一个步长，将每一个四分之一波片角度下的光电流通过电流放大器和锁相放大器进行放大，并通过数据采集卡对放大后的光电流进行采集。
步骤S4：将其中一个入射角下的光电流用符合(Bi0.8Sb0.2)2Te3的点群对称性C3v对称的偏振光电流的公式进行拟合，可提取得到偏振相关的圆偏振光电流和线偏振光电流，光电流拟合公式如下：
其中，是四分之一波片转动后周期性改变的偏振相位角，Jtotal是测得的总光电流，C是圆偏振光引起的圆偏振光电流信号，L1和L2是线偏振光引起的线偏振光电流信号，D是由于热电效应和光伏效应引起的背景光电流。
步骤S5：用静电计施加背栅电压，改变背栅电压调节三维拓扑绝缘体偏振探测器件的性能，测得不同背栅电压下±θ入射角下的总光电流，通过步骤S4中的公式(1)提取出不同背栅电压下的圆偏振光电流信号C、线偏振光电流信号L1和L2以及偏振无关光电流信号D；
步骤S6：从步骤S5中通过公式(1)拟合实验数据提取出的圆偏振光电流信号C和线偏振光电流信号L1和L2中算出不同背栅电压下的|C|/(|C|+|L1|+|L2|)。将|C|/(|C|+|L1|+|L2|)作为纵坐标，背栅电压作为横坐标作图，找出|C|/(|C|+|L1|+|L2|)最大时对应的背栅电压，记为VG1(±θ入射角对应的是VG1相同的，因此只需要在+θ入射角下确定VG1)。将背栅电压为VG1下在+θ入射角下测得的总光电流记为算出背栅电压为VG1在+θ入射角不同四分之一波片转角下的圆偏振光电流分量，即/>其中C1是背栅电压为VG1在+θ入射角时通过公式(1)拟合得到的圆偏振光电流信号C。将背栅电压为VG1下在+θ入射角下通过公式(1)拟合得到的D记为/>将背栅电压为VG1下在-θ入射角下测得的总光电流记为算出背栅电压为VG1在-θ入射角不同四分之一波片转角下的圆偏振光电流分量，即其中C2是背栅电压为VG1在-θ入射角时通过公式(1)拟合得到的圆偏振光电流信号C。将背栅电压为VG1下在-θ入射角下通过公式(1)拟合得到的D记为/>
找出|C|/(|C|+|L1|+|L2|)为零或接近于零时对应的背栅电压，记为为VG2
(±θ入射角对应的是VG2相同的，因此只需要在+θ入射角下确定VG2)。将背栅电压为VG2下在+θ入射角下测得的总光电流记为算出背栅电压为VG2在+θ入射角不同四分之一波片转角下的线偏振光电流分量，即/>其中L13是背栅电压为VG2在+θ入射角时通过公式(1)拟合得到的线偏振光电流信号L1。将背栅电压为VG2下在+θ入射角下通过公式(1)拟合得到的D记为/>将背栅电压为VG2下在-θ入射角下测得的总光电流记为算出背栅电压为VG2在-θ入射角不同四分之一波片转角下的线偏振光电流分量，即其中L14是背栅电压为VG2在-θ入射角时通过公式(1)拟合得到的线偏振光电流信号L1。将背栅电压为VG2下在-θ入射角下通过公式(1)拟合得到的D记为/>
步骤S7：将背栅电压调节至VG1，此时为圆偏振探测模式。将待测激光采用步骤S3中的入射角±θ分别入射到样品上，测得此时的总光电流分别为+θ入射角下的和-θ入射角下的/>将步骤S6中测得的总光电流/>与圆偏振光电流分量/>和偏振无关光电流/>之和/>的比值，即以/>作为参考光电流，计算+θ入射角下测量光电流、参考光电流的比值/>和以及-θ入射角下测量光电流、参考光电流的比值/>和以/> 这些比值作为极径，以不同偏振相位角/>作为极角，绘制不同偏振状态下的 比值的极坐标图，在+θ下的极坐标图像中找出比值/>和/>共同的交点所对应的偏振相位角，同时在-θ下的极坐标图像中找出比值/>和/>共同的交点所对应的偏振相位角，最后找出±θ入射角下唯一共同确定的偏振相位角α，即为待测激光的圆偏振状态；
步骤S8：将背栅电压调节至VG2，此时为线偏振探测模式。将待测激光采用步骤S3中的入射角±θ分别入射到样品上，测得此时的总光电流分别为+θ入射角下的和-θ入射角下的/>计算由步骤S6中测得的总光电流/>与获得的线偏振光电流分量和偏振无关光电流/> 之和/>的比值，即以作为参考光电流，计算+θ入射角下测量光电流、参考光电流的比值/>和/>以及-θ入射角下测量光电流、参考光电流的比值/>和/>以/> 这些比值作为极径，以不同偏振相位角/>作为极角，绘制不同偏振状态下该比值的极坐标图，对比+θ下的极坐标图像找出比值/>和共同的比值所对应的偏振相位角，同时对比-θ下的极坐标图像找出比值和/>共同的比值所对应的偏振相位角，最后找出±θ入射角下唯一共同确定的偏振相位角ψ，即为待测激光的线偏振状态。
步骤S9：用功率计测得激光功率A2，由步骤S7测得的椭圆偏振角α、由步骤S8测得方位角ψ分别代入下面的斯托克斯参数的公式计算可获得全部斯托克斯参数。
S0＝A2 (2)
S1＝A2cos2ψcos2α (3)
S2＝A2sin2ψcos2α (4)
S3＝A2sin2α (5)
其中S0、S1、S2和S3为斯托克斯参数的四个分量。将A2代入公式(2)中可得出斯托克斯参数S0，将A2、α和ψ代入公式(3)、公式(4)中可得出斯托克斯参数S1、S2，将A2和α代入公式(5)中可得出斯托克斯参数S3。计算得出全部斯托克斯参数的数值，即得出待测光的全部偏振状态信息。
在本实施例中，步骤S1中所述三维拓扑绝缘体材料(Bi0.8Sb0.2)2Te3用分子束外延设备生长，薄膜的厚度为7nm。
在本实施例中，步骤S3中所述变温杜瓦瓶的温度固定为77K，激光的入射角θ设为30°，-θ设为-30°。
在本实施例中，所述步骤S5中所测量不同背栅电压下的不同背栅电压下的圆偏振光电流信号和线偏振光电流信号，所设置的激光入射角是30°，所施加的背栅电压范围是-200V至260V。所述步骤S7中圆偏振探测模式的背栅电压VG1为-30V，所述步骤S8中圆偏振探测模式的背栅电压VG2为260V。
在本实施例中，如图1所示样品是用分子束外延生长技术在SrTiO3衬底上生长的(Bi0.8Sb0.2)2Te3薄膜，薄膜厚度约为7nm。采用的1064nm的激光器光功率为110mW，光斑直接约为1mm。激光依次通过斩波器、起偏器、四分之一波片，然后照射在样品的两电极连线的中点上。斩波器的频率为229Hz。
图2为本发明实施例的采用厚度为7nm的(Bi0.8Sb0.2)2Te3薄膜在77K下由1064nm激光激发下产生的光电流随四分之一波片转角的变化曲线、公式拟合曲线以及拟合得到的圆偏振光电流(C)、线偏振光电流(L1和L2)和偏振无关电流(D)。入射角为30度。1064nm的激光照射在样品表面上的光功率是110mW。其中的空心圆圈为实验测得的数据，实线为采用公式(1)进行拟合得到的拟合曲线。通过拟合，我们可以得到圆偏振光电流C、线偏振光电流L1、L2和偏振无关电流D。
由于可通过背栅调节三维拓扑绝缘体上、下表面态的化学势，所以我们可在不同背栅电压下测得不同的总光电流，并利用公式(1)拟合实验数据提取出圆偏振光电流信号，计算不同背栅电压下圆偏振光电流信号在所有偏振光电流信号中占比|C|/(|C|+|L1|+|L2|)如图3所示。可见，在背栅电压为-200V至260V范围内，此占比在背栅电压设为-30V时达到最大值，将该对应电压记为VG1，在背栅电压设为260V时达到最小值，将该对应电压记为VG2。即可知，在背栅电压设为VG1时，该薄膜器件的圆偏振响应度最高；而当背栅电压设为VG2时，该薄膜器件的圆偏振光电响应最低，且低至可忽略，即可认为此时仅存在线偏振光电响应。
由于激光的偏振状态一般同时包括圆偏振部分和线偏振部分，如果能分别单独探测激光的圆偏振状态及线偏振状态，即可测得激光的全部偏振状态。所以对于此方法采用的器件，将背栅电压调节至VG1时获得最大圆偏振光电响应，可将探测器件调至圆偏振探测模式，即圆偏振光电信号在所有偏振光电流信号中占比最大，亦是圆偏振状态探测最精准的模式。由于相反入射角下圆偏振光电流和线偏振光电流，都会引起探测光电流与光电流参考值的比值在激光偏振状态以外的偏振状态发生改变，所以不同偏振状态下测得总光电流与该偏振状态下圆偏振光电流或线偏振光电流的理论值之比也会发生改变，而对比正负相反入射角下的探测值、理论值之比，即可由两种情况下唯一相同的比值确定此激光的偏振状态。测得此时的总光电流分别为+θ入射角下的和-θ入射角下的/>将步骤S6中测得的总光电流/>与通过公式(1)拟合实验数据提取出的圆偏振光电流/> 和偏振无关光电流/>之和/>的比值，即以作为参考光电流，计算+θ入射角下测量光电流、参考光电流的比值/>和/>以及-θ入射角下测量光电流、参考光电流的比值/>和/>以/> 这些比值作为极径，以不同偏振相位角/>作为极角，绘制不同偏振状态下的该比值的极坐标图如图4所示，对比+θ下的极坐标图像找出比值/>和/>共同的比值所对应的偏振相位角，同时对比-θ下的极坐标图像找出比值/>和/>共同的比值所对应的偏振相位角，最后找出±θ入射角下唯一共同确定的偏振相位角α，以确定待测激光的圆偏振状态。
同理可将背栅电压调节至VG2时，探测器件被调至线偏振探测模式，圆偏振光电信号在所有偏振光电流信号中占比最小至可忽略，即是线偏振状态探测最精准的模式。将待测激光采用步骤S3中的入射角±θ分别入射到样品上，测得此时的总光电流分别为+θ入射角下的和-θ入射角下的/>将步骤S6中通过公式(1)拟合实验数据提取出的线偏振光电流/>和偏振无关光电流/>之和/>即以/> 作为参考光电流，计算+θ入射角下测量光电流、参考光电流的比值/>和/>以及-θ入射角下测量光电流、参考光电流的比值/>和以/> 这些比值作为极径，以不同偏振相位角/>作为极角，绘制不同偏振状态下该比值的极坐标图，对比+θ下的极坐标图像找出比值/>和/>共同的比值所对应的偏振相位角，同时对比-θ下的极坐标图像找出比值/>和/>共同的比值所对应的偏振相位角，最后找出±θ入射角下唯一共同确定的偏振相位角ψ，以确定待测激光的线偏振状态。
所以，在得出由圆偏振探测模式确定的圆偏振状态所对应的偏振相位角即椭圆偏振角α，以及由线偏振探测模式确定的线偏振状态所对应的偏振相位角即方位角ψ之后，将激光光功率110mW对应的振幅A2代入步骤S9的公式(2)中可得出斯托克斯参数S0，将A2、α和ψ代入步骤S9的公式(3)、公式(4)中可得出斯托克斯参数S1、S2，将A2和α代入步骤S9的公式(5)中可得出斯托克斯参数S3。计算得出全部斯托克斯参数的数值，即得出待测光的全部偏振状态信息。从上述实施例中可以看出，本实施例的实现比较方便，简洁高效，测量较为准确。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (6)
1.一种用三维拓扑绝缘体薄膜进行偏振探测的方法，其特征在于，用于探测的拓扑绝缘体(Bi0.8Sb0.2)2Te3生长于SrTiO3衬底上；具体步骤如下：
步骤S1：在拓扑绝缘体(Bi0.8Sb0.2)2Te3样品上用磁控溅射生长10nm的钛电极，用电子束蒸发镀100nm的金电极，电极为边长为0.5mm的正方形电极，电极间距约为2.5mm，用银浆涂覆衬底表面制成背栅电极；
步骤S2：用1064nm的激光作为激发光源，让激光通过斩波器、起偏器、四分之一波片，垂直照射在样品上两电极连线中点的位置；光斑直径小于两电极间距；起偏器的偏振方向与四分之一波片的快轴方向平行；
步骤S3：将样品置于变温杜瓦瓶中，将激光照射于样品中心，通过转动样品，改变激光入射方向与样品法线方向的夹角θ；在两正负相反的入射角±θ角上从0度到360度转动四分之一波片，以5度为一个步长，将每一个四分之一波片角度下的光电流通过电流放大器和锁相放大器进行放大，并通过数据采集卡对放大后的光电流进行采集；
步骤S4：将其中一个入射角下的光电流用符合(Bi0.8Sb0.2)2Te3的点群对称性C3v对称的偏振光电流的公式进行拟合，可提取得到偏振相关的圆偏振光电流和线偏振光电流，光电流拟合公式如下：
其中，是四分之一波片转动的角度，Jtotal是测得的总光电流，C是圆偏振光引起的圆偏振光电流信号，L1和L2是线偏振光引起的线偏振光电流信号，D是由于热电效应和光伏效应引起的背景光电流；
步骤S5：用静电计施加背栅电压，改变背栅电压调节三维拓扑绝缘体偏振探测器件的性能，测得不同背栅电压下±θ入射角下的总光电流，通过步骤S4中的公式(1)提取出不同背栅电压下的圆偏振光电流信号C、线偏振光电流信号L1和L2以及偏振无关光电流信号D；
步骤S6：从步骤S5中通过公式(1)拟合实验数据提取出的圆偏振光电流信号C和线偏振光电流信号L1和L2中算出不同背栅电压下的|C|/(|C|+|L1|+|L2|)；将|C|/(|C|+|L1|+|L2|)作为纵坐标，背栅电压作为横坐标作图，找出|C|/(|C|+|L1|+|L2|)最大时对应的背栅电压，记为VG1(±θ入射角对应的是VG1相同的，因此只需要在+θ入射角下确定VG1)；将背栅电压为VG1下在+θ入射角下测得的总光电流记为算出背栅电压为VG1在+θ入射角不同四分之一波片转角下的圆偏振光电流分量，即/>其中C1是背栅电压为VG1在+θ入射角时通过公式(1)拟合得到的圆偏振光电流信号C。将背栅电压为VG1下在+θ入射角下通过公式(1)拟合得到的D记为/>将背栅电压为VG1下在-θ入射角下测得的总光电流记为/>算出背栅电压为VG1在-θ入射角不同四分之一波片转角下的圆偏振光电流分量，即/>其中C2是背栅电压为VG1在-θ入射角时通过公式(1)拟合得到的圆偏振光电流信号C。将背栅电压为VG1下在-θ入射角下通过公式(1)拟合得到的D记为/>
找出|C|/(|C|+|L1|+|L2|)为零或接近于零时对应的背栅电压，记为为VG2(±θ入射角对应的是VG2相同的，因此只需要在+θ入射角下确定VG2)；将背栅电压为VG2下在+θ入射角下测得的总光电流记为算出背栅电压为VG2在+θ入射角不同四分之一波片转角下的线偏振光电流分量，即/>其中L13是背栅电压为VG2在+θ入射角时通过公式(1)拟合得到的线偏振光电流信号L1。将背栅电压为VG2下在+θ入射角下通过公式(1)拟合得到的D记为/>将背栅电压为VG2下在-θ入射角下测得的总光电流记为/>算出背栅电压为VG2在-θ入射角不同四分之一波片转角下的线偏振光电流分量，即/>其中L14是背栅电压为VG2在-θ入射角时通过公式(1)拟合得到的线偏振光电流信号L1。将背栅电压为VG2下在-θ入射角下通过公式(1)拟合得到的D记为/>
步骤S7：将背栅电压调节至VG1，此时为圆偏振探测模式；将待测激光采用步骤S3中的入射角±θ分别入射到样品上，测得此时的总光电流分别为+θ入射角下的和-θ入射角下的/>将步骤S6中测得的总光电流/>与圆偏振光电流分量/>和偏振无关光电流/>之和/>的比值，即以/>作为参考光电流，计算+θ入射角下测量光电流、参考光电流的比值/>和/>以及-θ入射角下测量光电流、参考光电流的比值/>和/>以 这些比值作为极径，以不同偏振相位角/>作为极角，绘制不同偏振状态下的/> 比值的极坐标图，在+θ下的极坐标图像中找出比值和/>共同的交点所对应的偏振相位角，同时在-θ下的极坐标图像中找出比值/>和/>共同的交点所对应的偏振相位角，最后找出±θ入射角下唯一共同确定的偏振相位角α，即为待测激光的圆偏振状态；
步骤S8：将背栅电压调节至VG2，此时为线偏振探测模式；将待测激光采用步骤S3中的入射角±θ分别入射到样品上，测得此时的总光电流分别为+θ入射角下的和-θ入射角下的/>计算由步骤S6中测得的总光电流/>与获得的线偏振光电流分量/>和偏振无关光电流/> 之和/>的比值，即以/>作为参考光电流，计算+θ入射角下测量光电流、参考光电流的比值/>和/>以及-θ入射角下测量光电流、参考光电流的比值/>和/>以 这些比值作为极径，以不同偏振相位角/>作为极角，绘制不同偏振状态下该比值的极坐标图，对比+θ下的极坐标图像找出比值/>和/>共同的比值所对应的偏振相位角，同时对比-θ下的极坐标图像找出比值/>和/>共同的比值所对应的偏振相位角，最后找出±θ入射角下唯一共同确定的偏振相位角ψ，即为待测激光的线偏振状态；
步骤S9：用功率计测得激光功率A2，由步骤S7测得的椭圆偏振角α、由步骤S8测得方位角ψ分别代入下面的斯托克斯参数的公式计算可获得全部斯托克斯参数；
S0＝A2(2)
S1＝A2cos2ψcos2α(3)
S2＝A2sin2ψcos2α(4)
S3＝A2sin2α(5)
其中S0、S1、S2和S3为斯托克斯参数的四个分量；将A2代入公式(2)中可得出斯托克斯参数S0，将A2、α和ψ代入公式(3)、公式(4)中可得出斯托克斯参数S1、S2，将A2和α代入公式(5)中可得出斯托克斯参数S3；计算得出全部斯托克斯参数的数值，即得出待测光的全部偏振状态信息。
2.根据权利要求1所述的一种用三维拓扑绝缘体薄膜进行偏振探测的方法，其特征在于：步骤S1中所述三维拓扑绝缘体材料(Bi0.8Sb0.2)2Te3用分子束外延设备生长，薄膜的厚度为7nm。
3.根据权利要求1所述的一种用三维拓扑绝缘体薄膜进行偏振探测的方法，其特征在于：步骤S3中所述变温杜瓦瓶的温度固定为77K。
4.根据权利要求1所述的一种用三维拓扑绝缘体薄膜进行偏振探测的方法，其特征在于：步骤S3中激光的入射角θ设为60度到20度间的任一个角度。
5.根据权利要求1所述的一种用三维拓扑绝缘体薄膜进行偏振探测的方法，其特征在于：步骤S7中所述圆偏振探测模式的背栅电压VG1为-30V。
6.根据权利要求1所述的一种用三维拓扑绝缘体薄膜进行偏振探测的方法，其特征在于：步骤S8中所述线偏振探测模式的背栅电压VG2为260V。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117928399A (zh) * | 2024-03-22 | 2024-04-26 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | 基于偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量装置及方法 |
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2023
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| CN117928399A (zh) * | 2024-03-22 | 2024-04-26 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | 基于偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量装置及方法 |
| CN117928399B (zh) * | 2024-03-22 | 2024-05-28 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | 基于偏振光成像的同轴热电偶绝缘层厚度测量装置及方法 |
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