超快过程的探测装置制造方法及图纸

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。本发明专利技术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。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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rs=n1cosφ-(N22-n12sin2φ)1/2n1cosφ+(N22-n12sin2φ)1/2---(1)]]>rp=N22cosφ-(N22n12-n14sin2φ)1/2N22cosφ+(N22n12-n14sin2φ)1/2]]>这里rs和rp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Δϵ1=-nee2τ2m*(1+ω2τ2)ϵ0---(3)]]>Δϵ2=-(1ωτ)nee2τ2m*(1+ω2τ2)ϵ0]]>这里ne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.Kom，A.Franke-Wiekhorst，et.al.，Journal of Applied Physics，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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术具体的技术解决方案(请参见图2所示)如下一种超快过程的探测装置，其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二探测器(9)；而第二探针光则沿原探针光路照射样品(11)，并被第一、第二探测器(10、12)探测。所述的脉冲展宽器件(3)可由光栅对、棱镜对或高折射率的玻璃棒这些色散元件组成。所述的探测器可以是光电倍增管、光谱仪或能量计。所述的浦光脉冲展宽器件可以由光栅对、棱镜对或高折射率的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tin和tout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 β=tin8ln2---(5)]]>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 cos2β=1-(2πcωd-sinα)2---(6)]]>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，本专利技术的优点是本专利技术的泵浦-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，本专利技术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为本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：贾天卿，徐至展，段作梁，杨晓东，林礼煌，汪河洲，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]