二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测系统技术方案

本发明专利技术涉及一种二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测系统，属于全光学微观探测领域。本发明专利技术二极管激光器输出连续激光，用于激发钛宝石激光器，钛宝石激光器输出脉冲激光，被分束镜分成两束，用于激发倍频晶体和光纤连续激光器，倍频晶体输出的激光被输入到机械斩波器，机械斩波器输出的泵浦激光通过显微物镜后到达样品，光纤连续激光器输出的探测激光通过机械位移平台后，通过显微物镜后到达样品，样品的反射信号通过显微物镜和滤波片后到达光电探测器，样品的反射信号中泵浦激光被光电探测器前的滤波片滤去，光电探测器连接锁相放大器，锁相放大器连接机械斩波器。本发明专利技术实现了半导体光生载流子的瞬态光学探测。现了半导体光生载流子的瞬态光学探测。现了半导体光生载流子的瞬态光学探测。

【技术实现步骤摘要】
二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测系统


[0001]本专利技术属于全光学微观探测领域，具体涉及一种二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测系统。

技术介绍

[0002]载流子动力学过程对于很多应用而言，是非常重要的物理学过程。“载流子动力学过程”一般来讲可以被认为是，载流子在真实空间内的位移，能量的转移或者是电子和空穴同时消失。因为带电的载流子通常被人们赋予携带信息和能量的角色，所以载流子的输运过程能够直接的影响载流子的载体在实际应用中的表现。
[0003]因为载流子的输运过程非常迅速，常常发生在几个皮秒内，所以，非热力学平衡下载流子的输运过程的研究就要求实验系统具有非常高的时间分辨能力。到目前为止，被用于载流子输运过程研究的光学实验方法有瞬态光栅，空间分辨光致发光，以及超快激光泵浦探测技术。相比之下，基于超快激光的光学技术，因为其具有很高的时间分辨率，所以被当作是非热力学平衡下研究载流子动力学的标准工具。
[0004]本专利意在设计一种基于光反射的具有飞秒
‑
纳秒时间分辨率的、瞬时响应的二维半导体材料中的光生载流子的全光学探测系统。

技术实现思路

[0005](一)要解决的技术问题
[0006]本专利技术要解决的技术问题是如何提供一种二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测系统，以在飞秒—皮秒时间尺度下实现了对二维半导体材料中载流子动力学的探测。
[0007](二)技术方案
[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术提出一种二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测系统，该系统包括二极管激光器、钛宝石激光器、光纤连续激光器、倍频晶体(BBO)、机械斩波器、机械位移平台、显微物镜、滤波片、光电探测器和锁相放大器；
[0009]二极管激光器作为泵浦源输出连续激光，连续激光被用于激发钛宝石激光器，钛宝石激光器输出脉冲激光；
[0010]钛宝石激光器的出射激光将被分束镜分成两束，分别用于激发倍频晶体(BBO)和光纤连续激光器，由倍频晶体(BBO)和光纤连续激光器所产生的激光将分别被用作泵浦激光和探测激光；泵浦激光用于激发样品产生载流子；而探测激光的频率则被调节至和样品激子态能量所对应的频率一致；
[0011]倍频晶体(BBO)输出的激光被输入到机械斩波器，机械斩波器输出的泵浦激光通过显微物镜后到达样品；
[0012]光纤连续激光器输出的探测激光通过机械位移平台，通过线性位移改变了探测激光的光程，然后通过显微物镜后到达样品；
[0013]样品的反射信号通过显微物镜和滤波片后到达光电探测器，样品的反射信号中泵浦激光被光电探测器前的滤波片滤去，光电探测器连接锁相放大器，锁相放大器连接机械斩波器，锁相放大器根据机械斩波器的频率去分析测量得到的探测激光反射信号，并通过锁相得到泵浦激光和探测激光因为光程差而产生的相位差恒定时的探测激光反射信号R和R0，然后计算出差分反射信号R
‑
R0)/R0，其中，探测激光的反射光在没有泵浦激光激发二维半导体材料时的反射信号为R0，在有泵浦激光激发二维半导体材料时的反射信号为R。
[0014]进一步地，二极管激光器作为泵浦源输出532纳米的连续激光，输出功率为10瓦，连续激光被用于激发钛宝石激光器，钛宝石激光器可以输出650nm到950nm范围内的脉冲激光，输出功率在2瓦左右。
[0015]进一步地，钛宝石激光器通过锁模产生100fs、重复频率为80MHz的激光脉冲，两束激光脉冲之间的时间间隔为13纳秒，激光脉冲的带宽是连续可调的。
[0016]进一步地，倍频晶体(BBO)将输入激光的频率翻倍，从而满足实验特定波长的需求，倍频晶体可以根据实验的需求放置于实验系统中的任意位置。
[0017]进一步地，光纤连续激光器能够产生较宽的输出波长范围，其产生的激光波长会随着激发波长的变化而变化，范围在390到1050纳米之间。
[0018]进一步地，机械斩波器以2KHz的频率旋转，其扇叶将不断斩断泵浦激光，使泵浦激光时断时续。
[0019]进一步地，所述光电探测器为硅基光探测器，并将探测到的光信号转化为电信号，传入锁相放大器。
[0020]进一步地，泵浦激光和探测激光均通过显微物镜垂直汇聚在样品表面。
[0021]进一步地，该系统还包括相机，相机采集探测激光经样品反射后经过显微物镜后的反射光，以便观察样品，同时观察激光的焦点是否在样品表面。
[0022]进一步地，该系统还包括光学器件1
‑
8，其中，光学器件1
‑
4为半透半反镜，光学器件5
‑
8为反射镜；钛宝石激光器输出的激光经过半透半反镜1到达光纤连续激光器和倍频晶体，倍频晶体输出的激光经过反射镜6到达机械斩波器，机械斩波器输出的激光经过反射镜7和半透半反镜2到达显微物镜；光纤连续激光器输出的激光经过机械位移平台后，经反射镜5、半透半反镜4、3、2到达显微物镜；探测激光和泵浦激光经样品的反射光经过显微物镜后，经半透半反镜2、3、4到达滤波片，探测激光经样品后的反射光经过显微物镜后，经半透半反镜2、3、反射镜8到达相机。
[0023](三)有益效果
[0024]本专利技术提出一种二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测系统，本专利技术为经过实验验证，总结出的一种行之有效的探测系统。适用于二维尺度的半导体材料，利用超快激光飞秒级别的持续时间的特性，实现了半导体光生载流子的瞬态光学探测。该差分反射探测系统充分利用了钛宝石激光器产生的飞秒级别的脉冲激光，在飞秒—皮秒时间尺度下实现了对二维半导体材料中载流子动力学的探测；同时，由于采用全光学的探测手段，差分反射探测系统具有极强的普适性，是研究载流子动力学的理想工具。
附图说明
[0025]图1为本专利技术在探测系统当中脉冲激光光源模块的示意图；
[0026]图2为本专利技术差分反射探测系统的参考图。
具体实施方式
[0027]为使本专利技术的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。
[0028]基于上述问题，本专利技术意在设计一种基于光反射的具有飞秒
‑
纳秒时间分辨率的、及时响应的二维半导体材料中的光生载流子的全光学探测系统，该系统包括：二极管激光器、钛宝石激光器、光纤连续激光器、倍频晶体(BBO)、机械斩波器、机械位移平台、显微物镜、滤波片、光电探测器和锁相放大器，该系统还可以包括相机。
[0029]二极管激光器作为泵浦源输出532纳米的连续激光，输出功率为10瓦，连续激光被用于激发钛宝石激光器，钛宝石激光器可以输出650nm到950nm范围内的脉冲激光(在通入氮气的条件下可以改变输出激光的波长范围)，输出功率在2瓦左右。钛宝石激光器通过锁模产生100fs、重复频率为80MHz的激光脉冲，两束激光脉冲之间的时间间隔约为13纳秒。激光脉冲的带宽是连续可调的，一般情况下保持在10nm左右，脉冲激光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测系统，其特征在于，该系统包括二极管激光器、钛宝石激光器、光纤连续激光器、倍频晶体(BBO)、机械斩波器、机械位移平台、显微物镜、滤波片、光电探测器和锁相放大器；二极管激光器作为泵浦源输出连续激光，连续激光被用于激发钛宝石激光器，钛宝石激光器输出脉冲激光；钛宝石激光器的出射激光将被分束镜分成两束，分别用于激发倍频晶体(BBO)和光纤连续激光器，由倍频晶体(BBO)和光纤连续激光器所产生的激光将分别被用作泵浦激光和探测激光；泵浦激光用于激发样品产生载流子；而探测激光的频率则被调节至和样品激子态能量所对应的频率一致；倍频晶体(BBO)输出的激光被输入到机械斩波器，机械斩波器输出的泵浦激光通过显微物镜后到达样品；光纤连续激光器输出的探测激光通过机械位移平台，通过线性位移改变了探测激光的光程，然后通过显微物镜后到达样品；样品的反射信号通过显微物镜和滤波片后到达光电探测器，样品的反射信号中泵浦激光被光电探测器前的滤波片滤去，光电探测器连接锁相放大器，锁相放大器连接机械斩波器，锁相放大器根据机械斩波器的频率去分析测量得到的探测激光反射信号，并通过锁相得到泵浦激光和探测激光因为光程差而产生的相位差恒定时的探测激光反射信号R和R0，然后计算出差分反射信号(R
‑
R0)/R0，其中，探测激光的反射光在没有泵浦激光激发二维半导体材料时的反射信号为R0，在有泵浦激光激发二维半导体材料时的反射信号为R。2.如权利要求1所述的二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测系统，其特征在于，二极管激光器作为泵浦源输出532纳米的连续激光，输出功率为10瓦，连续激光被用于激发钛宝石激光器，钛宝石激光器可以输出650nm到950nm范围内的脉冲激光，输出功率在2瓦左右。3.如权利要求2所述的二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测系统，其特征在于，钛宝石激光器通过锁模产生100fs、重复频率为80MHz的激光脉冲，两束激光脉冲之间的时间间隔为13纳秒，激光脉冲的带宽是连续可调的。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：姚鹏，李昱江，杨林，王浩枫，
申请(专利权)人：北京计算机技术及应用研究所，
类型：发明
国别省市：