一种高重复频率的极紫外超快时间分辨光电能谱系统技术方案

一种高重复频率的极紫外超快时间分辨光电能谱系统，包括基于光纤啁啾脉冲放大的高重复频率超短脉冲激光系统，极紫外超短脉冲转换系统，光学参量转换系统及超短脉冲泵浦-探测光电能谱系统；超短脉冲激光系统，通过光纤啁啾脉冲放大技术实现高重复频率超短脉冲激光的输出，高重复频率的超短脉冲激光输出通过分束片一分为二，其中一部分作为泵浦光；另一部分通过光学参量转换系统产生可见-红外超短脉冲激光作为探测光；泵浦光和探测光共同进入超短脉冲泵浦-探测光电子能谱系统，通过探测光电子能谱系统中合束器入射至探测光电能谱系统的光能能谱测量仪；泵浦光和探测光合束器及光电子能谱仪均位于真空系统中。本发明专利技术能谱信号信噪比好，稳定性高。

【技术实现步骤摘要】

： 本专利技术涉及一种先进材料研究的光电能谱系统，特别涉及一种利用高重复频率的 极紫外超快时间分辨光电能谱系统。
技术介绍
： 光电能谱是基于光电效应，使用单色高能光子从样品上激发出光电子，利用产 生光电子的动能、强度和角分布等信息来研究原子、分子、凝聚相，尤其是固体表面的电子 能带结构 ，甚至能够了解原子核内层电子的运动情况。而当单色激发光从连续光变成脉 冲激光时，光电能谱就具有了时间分辨的功能，利用超短脉冲激光分辨出样品表面电子的 激发过程，能够在时间尺度上分辨出电子运动、复合，弛豫等超快动力学过程 ，为人类了 解新型材料、精密操控材料的生长、以及研究将来工业化应用提供了一种先进的研究手段。 以往，极紫外脉冲光源可通过同步辐射装置获得，但同步辐射设备占地面巨大， 成本极高，一般需要国家层面支持建设，而且同步辐射光源的脉宽一般在皮秒量级，时间分 辨的能力受到限制。近年来，随着固体飞秒脉冲激光技术的发展 ，以钛宝石作为增益介质 的高功率飞秒脉冲激光被用于激发惰性气体，产生极紫外激光高能量光子，从而在系统 结构及成本上，使得超快时间分辨的光电子能谱变得更实用化。 超快时间分辨光电能谱系统要求超短脉冲激光光源的重复频率较高，最好为 (lOOkHz-lMHz)m。因为重复频率越高，测量过程中的信噪比也就越好，空间电荷效应也能 被降低。另外，重复频率越高也能有效的减少数据采集时间。测量时间越短，过程对固体激 光器的稳定性，系统所处的环境（温度，湿度，振动）要求越低。更为关键的减少测量的时 间能防止样品本身的特性随着测量过程发生变化，干扰测量结果。 但是，目前使用的钛宝石高功率飞秒激光主要通过再生放大或多通放大来获得高 功率的脉冲激光，最高平均功率功率通常不超过10W。为了激发产生极紫外光子要求单脉 冲的能量接近~lmj，因此激光的重复频率被约束在几千赫兹（lkHz-lOkHz)量级。因此， 导致一次光电能谱数据测量需要花费很长的时间，动辄数天，甚至一周，不利于测试结果的 信噪比，系统的稳定性及测试的可靠性。并且这样的激光系统制造、维护难度高，价格昂贵。 因此，行业内急需开发一种低成本的，可靠性好的高重复频率极紫外超快时间分辨光电能 谱系统。 参考文献： Einstein,A. ,Ann.Physik31, 132 (1905). Brundle,C.R.andBaker,A.D.etal.Vol. 1,(AcademicPress,New York, 1977). GierzI,etal.Naturematerials, 2013, 12 (12) : 1119-1124. Bachrach，R.Z，etal·Vol. 1，（PlenumPress，NewYork，1992) · StricklandD,MourouGetal.Opticscommunicatio ns，1985, 55(6) :447-449. Krause J L, Schafer K J,Kulander K C. Physical Review Letters, 1992, 68 (24) : 3535. Hadrich S, Klenke A, Rothhardt J, e t al. Nature Photonics, 2014, 8(10):779-783。
技术实现思路
： 本专利技术目的，所要解决的技术问题是：针对当下高功率固体激光器激发产生极紫 外光子重复频率过低，导致光电能谱测量时间过长，且系统装置稳定性不高，不利于在一般 环境中应用等问题，本专利技术提供了一种高重复频率的极紫外超快时间分辨光电能谱系统装 置。 本专利技术技术方案，一种高重复频率的极紫外超快时间分辨光电能谱系统，包括：基 于光纤啁嗽脉冲放大的高重复频率超短脉冲激光系统，极紫外超短脉冲转换系统，光学参 量转换系统及超短脉冲栗浦-探测光电能谱系统；基于光纤啁嗽脉冲放大的高重复频率超 短脉冲激光系统，通过光纤啁嗽脉冲放大技术实现高重复频率超短脉冲激光的输出，高重 复频率的超短脉冲激光输出通过分束片一分为二，其中一部分输出通过极紫外超短脉冲转 换系统产生极紫外超短脉冲激光，作为栗浦光；另一部分输出通过光学参量转换系统产生 可见-红外超短脉冲激光，作为探测光；栗浦光和探测光共同进入超短脉冲栗浦-探测光电 子能谱系统，通过探测光电子能谱系统中合束器入射至探测光电能谱系统的光能能谱测量 仪； 所述基于光纤啁嗽脉冲放大的高重复频率超短脉冲激光系统包括超短脉冲锁模 振荡器，光纤脉冲展宽器，脉冲重复频率变换器，级联光纤放大器，脉冲压缩/整形器；所述 级联光纤放大器包括隔离器，增益光纤和栗浦源； 所述极紫外超短脉冲激光转换系统包括极紫外超短脉冲激光产生器以及极紫外 超短脉冲激光单色仪； 所述光学参量转换系统，通过非线性晶体将栗浦激光转换至紫外或红外波段； 所述超短脉冲栗浦-探测光电能谱系统包括：时间同步装置，栗浦光和探测光合 束器以及光电子能谱仪； 所述极紫外超短脉冲激光产生器，极紫外超短脉冲激光单色仪，栗浦光和探测光 合束器及光电子能谱仪均位于真空系统中。 进一步的，所述极紫外超短脉冲激光产生器将高能脉冲激光聚焦至特定惰性气体 产生极紫外脉冲激光，还包括激光聚焦器件，多维调整机构。 进一步的，所述极紫外超短脉冲激光单色仪包括分光光栅，或者滤波片，或者多层 镜，反射镜及其多维调整结构。 进一步的，所述栗浦光和探测光合束器包括反射镜，聚焦镜，多维调整机构。 所述光电能谱仪包括半球分析仪，飞行时间质谱仪等用于光电能谱的设备。 进一步的，真空系统包括：激光输入窗口，观察窗口，真空产生系统，真空测量系 统。 进一步的，所述光电能谱仪包括半球分析仪，飞行时间质谱仪等用于光电能谱的 设备。 本专利技术有益效果：本专利技术所提供的一种高重复频率的极紫外超快时间分辨光电能 谱系统有如下优势： 1、采用所述基于光纤啁嗽脉冲放大的高重复频率超短脉冲激光系统，本系统的激 光源能够提供100ΚΗz- 1MHz的重复频率，大大缩短能谱测量时间，提高能谱信号的信噪 比。 2、采用所述基于光纤啁嗽脉冲放大的高重复频率超短脉冲激光系统，用户可以调 节脉冲重复频率变换器自行改变脉冲重复频率。 3、采用所述基于光纤啁嗽脉冲放大的高重复频率超短脉冲激光系统，本系统能够 通过增加级联光纤放大器的级数，提高单脉冲能量。 4、采用所述的极紫外超短脉冲激光转换系统，本系统能够提供光谱和时间分辨率 较好的脉冲，进行光电能谱探测。 6、对比于其他采用传统固体激光器的光电探测系统，本系统提供了一种更加紧 凑，更加有效的装置，既节约成本，也减小占地面积，以便其在一般实验室的使用和推广。【附图说明】 图1为本专利技术一种高重复频率的极紫外超快时间分辨光电能谱系统的结构示意 图。 图2为本专利技术一种高重复频率的极紫外超快时间分辨光电能谱系统中真空系统 部分的结构示意图。 图3为根据本专利技术一种高重复频率的极紫外超快时间分辨光电能谱系统的实施 例中整个光电能谱系统的结构示意图。 图4为根据本专利技术一种高重复频率的极紫外超快时间分辨光电能谱系统的实施 例中基于光纤啁嗽脉冲放大的高重复频率超短脉冲激光系统的结构示意图。 图5为根据本专利技术一种高重复本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高重复频率的极紫外超快时间分辨光电能谱系统，包括：基于光纤啁啾脉冲放大的高重复频率超短脉冲激光系统，极紫外超短脉冲转换系统，光学参量转换系统及超短脉冲泵浦‑探测光电能谱系统；基于光纤啁啾脉冲放大的高重复频率超短脉冲激光系统，通过光纤啁啾脉冲放大技术实现高重复频率超短脉冲激光的输出，高重复频率的超短脉冲激光输出通过分束片一分为二，其中一部分输出通过极紫外超短脉冲转换系统产生极紫外超短脉冲激光，作为泵浦光；另一部分输出通过光学参量转换系统产生可见‑红外超短脉冲激光，作为探测光；泵浦光和探测光共同进入超短脉冲泵浦‑探测光电子能谱系统，通过探测光电子能谱系统中合束器入射至探测光电能谱系统的光能能谱测量仪；所述基于光纤啁啾脉冲放大的高重复频率超短脉冲激光系统包括超短脉冲锁模振荡器，光纤脉冲展宽器，脉冲重复频率变换器，级联光纤放大器，脉冲压缩/整形器；所述级联光纤放大器包括隔离器，增益光纤和泵浦源；所述极紫外超短脉冲激光转换系统包括极紫外超短脉冲激光产生器以及极紫外超短脉冲激光单色仪；所述光学参量转换系统，通过非线性晶体将泵浦激光转换至紫外或红外波段；所述超短脉冲泵浦‑探测光电能谱系统包括：时间同步装置，泵浦光和探测光合束器以及光电子能谱仪；所述极紫外超短脉冲激光产生器，极紫外超短脉冲激光单色仪，泵浦光和探测光合束器及光电子能谱仪均位于真空系统中。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黎遥，聂忠辉，徐永兵，埃德蒙特科，何亮，王枫秋，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32