CN1186621C - 超快过程的探测装置 - Google Patents

Abstract

一种超快过程的探测装置，其构成和位置关系如下：光源经过第一分光镜分成透射的泵浦光和反射的探针光，该泵浦光经过脉冲展宽器件和第一延时光路系统后，被第一全反光镜反射并经第一汇聚透镜垂直照射在被测样品上，该探针光经第二全反光镜和第三全反光镜后被第二汇聚透镜聚焦到样品上，在该探针光相对于样品的反射光路上设置有第一探测器，在该探针光通过样品的透射方向设有第二探测器，所述的泵浦光的脉冲宽度经脉冲展宽器件被展宽为探针光脉冲宽度的几倍、几十倍或几百倍，所述的探针光与泵浦光共焦。本发明主要实用于测量半导体和透明介质等块体材料和纳米结构材料在超短脉冲激光作用下的驰豫过程，尤其是还能够详细地测量激发过程。

Description

超快过程的探测装置

技术领域：

本发明涉及材料的超快过程测量，是一种超短脉冲激光作用下超快过程的探测装置，主要适用于测量半导体和透明介质等块体材料和纳米结构材料在超短脉冲激光作用下的超快过程，尤其是适用于测量激发过程。

背景技术：

泵浦-探针装置被广泛地用于测量半导体块体材料在飞秒、皮秒激光照射下的超快过程。九十年代中期开始，泵浦-探针装置又开始用于测量透明介质块体材料和纳米结构材料的超快过程。它主要通过测量材料的反射率、透射率和发光光谱的时间演化，研究材料的超快非线性光学响应，探索材料中电子、晶格的激发和驰豫机制。

通过测量反射率的变化研究激发态电子数密度演化的基本原理是介质材料的色散理论。材料的反射系数与折射系数的关系为

$r_s=\frac{n_1\cos \mathrm{\φ}-{(N_2^2-n_1^2{\sin }^2\mathrm{\φ})}^{1/2}}{n_1\cos \mathrm{\φ}+{(N_2^2-n_1^2{\sin }^2\mathrm{\φ})}^{1/2}}---\left(1\right)$

$r_p=\frac{N_2^2\cos \mathrm{\φ}-{(N_2^2{n}_1^2-n_1^4{\sin }^2\mathrm{\φ})}^{1/2}}{N_2^2\cos \mathrm{\φ}+{(N_2^2{n}_1^2-n_1^4{\sin }^2\mathrm{\φ})}^{1/2}}$

这里r_s和r_p分别是S波和P波的反射系数，n₁和N₂分别是入射媒质和被测样品的复折射率，φ是入射角。

样品介电常数的实部ε₁和虚部ε₂与样品折射率n和消光系数k的关系为

                ε₁＝n²-k²                                     (2)

                ε₂＝2nk

介电常数的改变量与导带电子数密度的关系为

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_1=-\frac{n_e{e}^2{\mathrm{\τ}}^2}{m^{*}(1+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\τ}}^2){\mathrm{\ϵ}}_0}---\left(3\right)$

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_2=-\left(\frac{1}{\mathrm{\ω\τ}}\right)\frac{n_e{e}^2{\mathrm{\τ}}^2}{m^{*}(1+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\τ}}^2){\mathrm{\ϵ}}_0}$

这里n_e为激发态电子的数密度，m^*为其有效质量，e为电子电荷，τ是电子-电子、电子-格点碰撞的时间常数，ε₀是真空介电常数，ω是激光的角频率。

根据公式(1～3)，只要测得S波和P波反射率的变化，就可以测得样品表面附近激发态电子数密度的时间演化。利用透射率的变化与激发态电子数密度成正比的特性，可以测得材料中导带电子的平均数密度和寿命等。

在超短脉冲激光作用下，材料的动力学行为可分为激光照射过程中的激发过程和激光脉冲过去后的驰豫过程。与驰豫过程相比，材料的激发过程更为重要，因为它不仅是材料整个动力学过程的一部分，同时还直接影响了后面的驰豫过程，是研究材料超快动力学行为的基础。飞秒激光作用下材料的激发过程，尤其是透明材料和宽带隙半导体和纳米结构材料的激发过程是一个复杂的非线性过程。基态电子的激发有多光子激发和碰撞激发等机制。所以，测量材料在超短脉冲激光作用下的激发过程是一个非常重要、急待解决的问题。

在先技术中(参见文献：A.Othonos，Journal of Applied Physics，Vol.83，P 1789，1998；T.Korn，A.Franke-Wiekhorst，et.al.，Journal of AppliedPhysics，Vol.91，P 2333，2002)将光源(一般为飞秒脉冲激光束)用分光镜分成泵浦光和探针光，然后经过延时光路将两束光共焦于被测样品上。由于在先技术中泵浦光和探针光的脉冲宽度是相同的，所以在泵浦光照射材料的时间间隔内，利用探针光只能测得一个时间可分辨的反射率(或透射率)，不能详细测量激发过程。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术中的不足，提供一种超快过程探测装置，它不仅能测量半导体和透明介质等块体材料和纳米结构材料在超短脉冲激光作用下的驰豫过程，尤其是还能够详细地测量激发过程。

本发明解决技术问题的基本构思(如图1所示)是：首先利用分光镜将光源分成泵浦光和探针光。探针光的脉冲宽度保持不变。利用色散元件将泵浦光脉冲宽度从几十飞秒展宽到几百飞秒、几个皮秒等。这样，在泵浦光作用于材料的时间间隔内可以测得几个、几十个甚至几百个时间可分辨的反射率(或透射率)，从而可以详细地测量材料的激发过程。

本发明具体的技术解决方案(如图2所示)如下：①这种超快过程的探测装置的构成和位置关系如下：光源1经过第一分光镜2分成透射的泵浦光和反射的探针光。该泵浦光经过脉冲展宽器件3和第一延时光路系统4后，被第一全反光镜5反射并经第一汇聚透镜7垂直照射在被测样品11上。该探针光经第二全反光镜15和第三全反光镜14后被第二汇聚透镜13聚焦到样品11上。在该探针光相对于样品11的反射光路上设置有第一探测器10，在该探针光通过样品11的透射方向设有第二探测器12。所述的泵浦光的脉冲宽度经脉冲展宽器件3被展宽为探针光脉冲宽度的几倍、几十倍或几百倍，所述的探针光与泵浦光共焦。

所述探针光路中位于第一分光镜2和第二全反光镜15之间设置有第二分光镜17，该第二分光镜17将探针光分成反射的第一探针光和透射的第二探针光。该第一探针光经第二延时光路系统16照射到第四全反光镜6，经第三汇聚透镜8以较小的入射角入射到样品11上。在第一探针光相对于样品11的反射光路上设置有第三探测器9；而第二探针光则沿原探针光路照射样品11，并被第一探测器10、第二探测器12探测。

所述的脉冲展宽器件3由光栅对、棱镜对或高折射率玻璃棒这些色散元件组成。

所述的探测器为光电倍增管、光谱仪或能量计。

所述的浦光脉冲展宽器件由光栅对、棱镜对或高折射率玻璃棒等色散元件组成。一个高斯脉冲经过色散元件前、后脉冲宽度比为

这里t_in和t_out分别是激光脉冲经过色散元件前、后的脉冲宽度，是激光的位相。这里

$\mathrm{\β}=\frac{t_{\mathrm{in}}}{8\ln 2}---\left(5\right)$

ω是激光的角频率。

采用两块平行摆放的光栅可以展宽脉冲，其群速度色散为

${\cos }^2\mathrm{\β}=1-{(\frac{2\mathrm{\πc}}{\mathrm{\ωd}}-\sin \mathrm{\α})}^2---\left(6\right)$

这里d为光栅的线间距，b为两块光栅的垂直距离，α和β分别为入射角和衍射角，c是真空中的光速。

如果采用平行的棱镜对展宽脉冲，其群速度色散为

这里L是两个棱镜之间的距离，δ是光线的偏折角，ω₀是激光束的中心角频率。

如果采用高折射率的玻璃棒作为色散元件，则其群速度色散为

这里n是材料折射率，g是玻璃棒的长度，λ是激光波长。

利用公式(4-8)可以计算泵浦光经过不同参数的色散元件后脉冲的宽度，结合具体被测量对象，用户可以选择色散元件。

与在先技术相比，本发明的优点是：本发明的泵浦-探针装置能够将泵浦光的脉冲宽度根据用户需要方便地展宽；在保证不降低时间分辨率的情况下，本发明装置应用的范围更为广泛。它不仅能测量半导体和透明介质等块体材料和纳米结构材料在超短脉冲激光作用下的驰豫过程，特别是还能够详细地测量激发过程。

附图说明

图1为泵浦光-探针光相对延迟时间和泵浦光脉冲宽度展宽的示意图。

图2为本发明超快过程探测装置最佳实施例的结构示意图。

图3为S波和P波探针光反射率随泵浦光照射时间变化的示意图。

具体实施方式

先请参阅图1和图2。图1是泵浦光-探针光相对延迟时间的示意图。时间为t，探针光脉冲01，在先技术中泵浦光脉冲02，本发明装置的泵浦光脉冲03。在先技术中泵浦光和探针光的脉冲宽度是相同的，不能仔细测量材料的激发过程。由图可见，本发明的泵浦光脉冲03是探针光脉冲01的几倍。我们还可以利用色散元件将泵浦光脉冲宽度在展宽成几十倍，甚至几百倍于探针光的脉冲宽度。

图2是本发明超快过程探测装置最佳实施例的结构示意图。其结构如下：飞秒激光脉冲光源1经过第一分光镜2分成透射的一束泵浦光(粗的虚线所示)和反射的探针光(细实线所示)。泵浦光经过脉冲展宽器件3和第一延时光路系统4后，被第一全反光镜5反射并经第一汇聚透镜7垂直照射到被测样品11上。探针光经过第二分光镜17分成反射的第一探针光和透射的第二探针光。第一探针光经第二延时光路系统16后照射到第二全反光镜6，经第二汇聚透镜8以较小的角度入射到样品11上。第二探针光经第三全反光镜15和第四全反光镜14后被第三汇聚透镜13聚焦到样品11上，入射角度一般比较大。两束探针光和泵浦光共焦。通过调节第二延时光路系统16使得两束探针光同时到达样品。通过调节第一延时光路系统4来改变泵浦光与探针光的相对时间，利用第三探测器9和第一探测器10分别测量第一探针光和第二探针光的反射率的时间演化，利用第二探测器12测量第一探针光透射率的演化。所述的探测器可以是光电倍增管。

本发明装置的使用过程举例说明如下：

首先利用自相关仪测量两束探针光到达样品表面的时间差，通过调节第二延时光路系统16(图2)，使得两束探针光同时、共焦于样品表面。泵浦光先经过脉冲展宽器件3(图2)，展宽后的脉冲宽度可以用自相关仪测量。泵浦光垂直照射到样品表面，且与探针光共焦。探针光的焦斑应小于泵浦光，这可以通过利用焦距较短的透镜或抛物反射镜实现。通过调节第一延时光路系统4(图2)改变泵浦光-探针光的相对时间，利用探测器9、10、12测量探针光的反射率和透射率的变化。根据公式(1-3)，研究材料中激发态电子数密度的演化，揭示材料激发的物理机制。为了使探测到的反射率的变化更灵敏地反映材料中激发态电子数密度的演化，可以利用偏振片改变光束的偏振方向，使第一探针光为S波，且以较小的角度入射(一般小于20度)。第二探针光为P波，以接近布儒斯特角入射。

以800nm、40fs的钛：蓝宝石激光照射石英玻璃为例，给出利用本发明的泵浦-探针装置测量材料激发过程的具体方案及理论结果。为了研究飞秒激光作用下透明介质中导带电子吸收激光能量的速率或碰撞电离等过程，泵浦光脉冲宽度应展宽到500-800fs，这样既可以保持飞秒激光与材料相互作用的基本特征，又远大于探针光的脉冲宽度，从而可以较详细地测量激发过程。这时，选择高折射率的玻璃棒可以很方便地展宽泵浦光脉冲。利用自相关仪测量的结果表明，用长15-20mm、型号为ZF7的玻璃棒可以把40飞秒、波长800nm的激光脉冲展宽到500-800飞秒，同时又较好地保持了脉冲的高斯波形。

第一探针光(S波)以15°的角度入射，第二探针光(P波)以55°的角度入射。泵浦光脉冲宽度展宽到800fs，样品表面泵浦光的聚焦强度调节到2.6J/cm²。两束探针光的反射率随泵浦光照射时间变化的理论结果如图3所示，这里以泵浦光脉冲的峰值到达样品表面作为时间零点。当泵浦光照射时间接近400飞秒时，S波探针光的反射率(如图3圆点所示)从3.7％开始下降并接近为零，然后迅速上升，最后接近50％。P波探针光的反射率(如图3金刚石点所示)在泵浦光照射时间超过400飞秒后也开始上升并到达40％左右。这里已考虑了导带电子吸收激光能量导致碰撞电离的影响。当不考虑碰撞电离时，S波和P波的反射率几乎不发生改变(分别如图3中的虚线和实线所示)。利用本发明的装置，通过测量S波和P波探针光反射率的变化，可以研究导带电子数密度的演化，进而揭示导带电子的光吸收和碰撞电离的物理机制。

Claims (5)

1.一种超快过程的探测装置，其特征在于其构成和位置关系如下：飞秒激光脉冲光源(1)经过第一分光镜(2)分成透射的泵浦光和反射的探针光，该泵浦光经过脉冲展宽器件(3)和第一延时光路系统(4)后，被第一全反光镜(5)反射并经第一汇聚透镜(7)垂直照射在被测样品(11)上，该探针光经第二全反光镜(15)和第三全反光镜(14)后被第二汇聚透镜(13)聚焦到样品(11)上，在该探针光相对于样品(11)的反射光路上设置有第一探测器(10)，在该探针光通过样品(11)的透射方向设有第二探测器(12)，所述的泵浦光的脉冲宽度经脉冲展宽器件(3)被展宽为探针光脉冲宽度的几倍、几十倍或几百倍，所述的探针光与泵浦光共焦。

2.根据权利要求1所述的超快过程探测装置，其特征在于它还在所述探针光路中位于第一分光镜(2)和第二全反光镜(15)之间设置有第二分光镜(17)，该第二分光镜(17)将探针光分成反射的第一探针光和透射的第二探针光，该第一探针光经第二延时光路系统(16)照射到第四全反光镜(6)，经第三汇聚透镜(8)以较小的入射角入射到样品(11)上，在第一探针光相对于样品(11)的反射光路上设置有第三探测器(9)；而第二探针光则沿原探针光路照射样品(11)，并被第一探测器(10)、第二探测器(12)探测。

3.根据权利要求1或2所述的超快过程探测装置，其特征在于所述的脉冲展宽器件(3)由光栅对、棱镜对或高折射率玻璃棒组成。

4.根据权利要求1或2所述的超快过程探测装置，其特征在于所述的探测器是光电倍增管、光谱仪或能量计。

5、根据权利要求3所述的超快过程探测装置，其特征在于所述的探测器是光电倍增管、光谱仪或能量计。

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