CN111638387B - 一种基于双位移台的stm动态响应检测***及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于双位移台的STM动态响应检测***及方法，脉冲选择器触发分频器生成阶跃式信号；第一光束反射装置设有在阶跃式信号驱动下进行阶跃式位置变动的微动压电直线位移台；光束汇聚装置将第一光束反射装置反射的探测光和第二光束反射装置反射的泵浦光汇聚至探针下的材料；设于第一光束反射装置的长程直线位移台对探测光和泵浦光到达材料的时间差调整，微动压电直线位移台设于长程直线位移台；锁相放大器将阶跃式信号作为参考信号对针尖隧道电流信号锁相放大以确定STM动态响应结果；微动压电直线位移台的调制频率为脉冲选择器频率的二分之一，微动压电直线位移台与脉冲选择器之间相位锁定并可调。上述方案能实现对STM动态响应的可靠检测。

Description

一种基于双位移台的STM动态响应检测***及方法

技术领域

本发明涉及光谱技术领域，特别涉及一种基于双位移台的STM动态响应检测***及方法。

背景技术

从1981年出现扫描隧道显微镜(STM)以来，以原子量级的材料电子态结构研究为主导的纳米材料科学、微纳结构器件和新型纳米设计等领域获得巨大进步，为人类认识纳米尺度电子态和量子化效应提供强有力的手段。该技术利用了量子隧穿效应，通过在半导体或金属材料表面几个埃高度位置的一个探针上，施加可变偏压，当探针的电位与材料原子的能级或能带匹配时，电子会穿越真空势垒，隧穿到材料原子的能级上形成隧道电流。由于隧道电流与针尖离材料表面高度成指数衰减关系，从而获得了超级的原子尺度空间分辨能力。这一分辨能力为人类理解和掌握单分子、纳米结构和低维材料提供了有用的信息。但仅仅获得稳态或亚动态的信息，还不能让人们充分了解材料的微观行为。所有材料体系的构成单元(原子、分子、离子和基团)在受到扰动或起到功能化行为时，都是处于动态的过程中，它们电子态的动力学才是器件和材料工作的真实响应，也决定材料特性的重要因素，所以在STM上获得时间分辨的测试成为了一项重要的技术探索。

局限于电子器件响应时间，利用电调制的时间分辨STM只能使得时间分辨率达到微秒量级。为了获得纳秒乃至皮秒、飞秒时域的微观结构响应，激光泵浦探测技术与STM结合被提出来，开始的技术是利用激光诱导电极产生一个超快的电信号脉冲，本质上还是对电调制的一种改进，并未主动光诱导材料微观动态改变。2010年日本科研人员提出了光泵浦-探测STM设计方案，并发表了相应系列的半导体材料动态STM测试结果,图1是他们所采用的技术设计路径，其他后来的研究人员也基本沿用了这种实验设计路线。这是现在通行的光泵浦-探测STM的测试技术。该技术的基本设计思路是采用同步输出的两个飞秒激光脉冲束，两路脉冲序列的输出频率一样，其中一路激光脉冲序列有跳模，跳模可选j个脉冲间隔。两路激光束通过一个位移延迟器来调节到达探针尖端样品上的时间间隔Td，这一时间间隔可以连续调整，从而借两脉冲时间间隔Td对STM探针隧道电流的影响，以了解材料原子对光响应时间变化的动力学过程。但STM隧道电流的提取是在真实动力学过程响应曲线上，选择某个时刻与延后(j/f)时间后的那个时刻的数值差来作为某个时刻的STM动态响应信号，一般这个延后时间最小在十几个ns，这样若材料的电子态动力学响应时间在纳米范围，得到的时间分辨STM信号曲线是一个时间差的动态变化，不能取得真正的动力学过程响应曲线，如图2所示，材料响应曲线实际是图2中的曲线a，而这种技术给出的则是ΔI随Td移动的变化曲线。而且这样的曲线所给出的时间常数，如响应的寿命是没有物理上的意义的。它只能作为其它测试技术的辅助验证，而且还无法定量。

在上述图1的探测结构设计之前，还有以下一类设计：首先是时间分辨的STM整体在空气环境下操作，这样STM探针电流受到多重因素影响，如空气离子与气体分子离化，电子与气体分子的散射等都会在探针电流上诱导出背景信号和噪音。即使将该设计装置移植到真空腔体中，该设计也不可避免的由于脉冲正弦调制锁模的带来了***相位的不确定性。这种正弦调制锁模在稳态连续激光输出的情况下，是一种极佳的设计，可以高效地提高信噪比。但很遗憾，在光泵浦-探测时间分辨STM的测试中，必须采用飞秒脉冲激光，单脉冲的持续时间只有几十飞秒(10^-15s)。在激光脉冲的重复频率特定的情况下，在一个正弦周期调制时间曲线上，真实的信号不是按正弦曲线时间连续变化，而只是数个点，大部分时间点是空白。这些点时间在正弦曲线上的相位并未必有效锁定，就是说一个周期上的点和下一个周期上的点不在一个相位上，如图3所示，由于相位的漂移，带来信号的不稳定和噪音的增强，特别是对应STM针尖的隧道电流，这种相位浮动，直接决定了无法获得可靠的信息。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于双位移台的STM动态响应检测***及方法，能够实现对STM动态响应的可靠检测。其具体方案如下：

第一方面，本申请公开了一种基于双位移台的STM动态响应检测***，包括飞秒激光器、脉冲选择器、分束镜、第一光束反射装置、第二光束反射装置、光束汇聚装置、STM探针、针尖电流检测装置、锁相放大器、分频器以及长程直线位移台；其中，

所述脉冲选择器，用于对所述飞秒激光器发射的飞秒脉冲激光进行脉冲选择，以出射相应的飞秒脉冲激光，并向所述分频器发送触发信号，以触发所述分频器生成阶跃式信号；

所述分束镜，用于基于所述脉冲选择器出射的飞秒脉冲激光，产生探测光和泵浦光；

所述第一光束反射装置包括与所述分频器连接的并且在所述阶跃式信号的驱动下进行阶跃式位置变动的微动压电直线位移台，用于通过设置在所述微动压电直线位移台的第一逆向反射器对所述分束镜出射的探测光进行反射；

所述第二光束反射装置，用于对所述分束镜出射的泵浦光进行反射；

所述光束汇聚装置，用于将所述第一光束反射装置反射的探测光和所述第二光束反射装置反射的泵浦光汇聚至位于所述STM探针下的实验材料；

设置在所述第一光束反射装置上的所述长程直线位移台，用于对探测光和泵浦光到达所述实验材料的时间差进行调整控制，并且，所述微动压电直线位移台设置于所述长程直线位移台上；

所述针尖电流检测装置，用于检测所述STM探针的针尖隧道电流信号；

所述锁相放大器分别与所述分频器和所述针尖电流检测装置连接，用于将所述阶跃式信号作为参考信号，对所述针尖隧道电流信号进行锁相放大处理，并将得到的锁相放大信号传输至计算机***，以便所述计算机***根据所述锁相放大信号确定STM动态响应结果；

并且，所述微动压电直线位移台的调制频率为所述脉冲选择器的频率的二分之一，所述微动压电直线位移台与所述脉冲选择器之间的相位锁定并且可调。

可选的，所述飞秒激光器的波长在690至1020纳米之间可调谐，所述分频器的输出相位在0至180度之间可调，并且，所述微动压电直线位移台的位移幅度在1至100微米之间可调。

可选的，所述分频器生成的所述阶跃式信号为用于驱动所述微动压电直线位移台在进行所述阶跃式位置变动的过程中均在每个位移端点停留预设时长的信号。

可选的，所述分频器生成的所述阶跃式信号为用于将所述分束镜出射的探测光在被所述第一逆向反射器作用时的第一逆向反射器位置控制在所述位移端点的信号。

可选的，所述第二光束反射装置，包括：

倍频晶体，用于对所述分束镜出射的泵浦光进行倍频，得到倍频光；

滤除模块，用于滤除所述倍频晶体出射的所述倍频光中的长波段成分，得到滤除后激光；

第二逆向反射器以及宽谱带半波片，其中，所述第二逆向反射器用于对所述滤除后激光进行反射以得到相应的反射光束，并且，该反射光束经由所述宽谱带半波片传输至所述光束汇聚装置。

可选的，所述倍频晶体为偏硼酸钡晶体，所述滤除模块包括带通滤波片或格兰棱镜。

可选的，所述光束汇聚装置，包括：

用于对探测光进行透射以及对泵浦光进行反射的双色镜，以使得探测光和泵浦光同轴重合；

平面反射镜以及凹面反射镜，其中，所述平面反射镜用于将同轴重合后的探测光和泵浦光反射至所述凹面反射镜，然后通过所述凹面反射镜将探测光和泵浦光汇聚至位于所述STM探针下的实验材料。

可选的，与所述长程直线位移台相对的位置区域上还设有一组或多组反射镜，以控制光线在所述长程直线位移台与所述一组或多组反射镜之间进行往返。

可选的，所述分束镜为采用融石英材料制备的分束镜。

第二方面，本申请公开了一种基于双位移台的STM动态响应检测方法，应用于前述公开的基于双位移台的STM动态响应检测***，包括：

通过脉冲选择器对飞秒激光器发射的飞秒脉冲激光进行脉冲选择，以出射相应的飞秒脉冲激光，并向分频器发送触发信号，以触发所述分频器生成阶跃式信号；

通过分束镜并基于所述脉冲选择器出射的飞秒脉冲激光，产生探测光和泵浦光；

通过设置在第一光束反射装置上的微动压电直线位移台的第一逆向反射器对所述分束镜出射的探测光进行反射，其中，所述微动压电直线位移台在所述阶跃式信号的驱动下进行阶跃式位置变动；

通过第二光束反射装置对所述分束镜出射的泵浦光进行反射；

通过光束汇聚装置将所述第一光束反射装置反射的探测光和所述第二光束反射装置反射的泵浦光汇聚至位于所述STM探针下的实验材料；

通过针尖电流检测装置检测所述STM探针的针尖隧道电流信号；

通过分别与所述分频器和所述针尖电流检测装置连接的锁相放大器，将所述阶跃式信号作为参考信号，对所述针尖隧道电流信号进行锁相放大处理，并将得到的锁相放大信号传输至计算机***，以便所述计算机***根据所述锁相放大信号确定STM动态响应结果；

并且，所述微动压电直线位移台的调制频率为所述脉冲选择器的频率的二分之一，所述微动压电直线位移台与所述脉冲选择器之间的相位锁定并且可调，所述第一光束反射装置上还设有用于对探测光和泵浦光到达所述实验材料的时间差进行调整控制的长程直线位移台，并且，所述微动压电直线位移台设置于所述长程直线位移台上。

本申请中，基于双位移台的STM动态响应检测***，包括飞秒激光器、脉冲选择器、分束镜、第一光束反射装置、第二光束反射装置、光束汇聚装置、STM探针、针尖电流检测装置、锁相放大器、分频器以及长程直线位移台；其中，所述脉冲选择器，用于对所述飞秒激光器发射的飞秒脉冲激光进行脉冲选择，以出射相应的飞秒脉冲激光，并向所述分频器发送触发信号，以触发所述分频器生成阶跃式信号；所述分束镜，用于基于所述脉冲选择器出射的飞秒脉冲激光，产生探测光和泵浦光；所述第一光束反射装置包括与所述分频器连接的并且在所述阶跃式信号的驱动下进行阶跃式位置变动的微动压电直线位移台，用于通过设置在所述微动压电直线位移台的第一逆向反射器对所述分束镜出射的探测光进行反射；所述第二光束反射装置，用于对所述分束镜出射的泵浦光进行反射；所述光束汇聚装置，用于将所述第一光束反射装置反射的探测光和所述第二光束反射装置反射的泵浦光汇聚至位于所述STM探针下的实验材料；设置在所述第一光束反射装置上的所述长程直线位移台，用于对探测光和泵浦光到达所述实验材料的时间差进行调整控制，并且，所述微动压电直线位移台设置于所述长程直线位移台上；所述针尖电流检测装置，用于检测所述STM探针的针尖隧道电流信号；所述锁相放大器分别与所述分频器和所述针尖电流检测装置连接，用于将所述阶跃式信号作为参考信号，对所述针尖隧道电流信号进行锁相放大处理，并将得到的锁相放大信号传输至计算机***，以便所述计算机***根据所述锁相放大信号确定STM动态响应结果；并且，所述微动压电直线位移台的调制频率为所述脉冲选择器的频率的二分之一，所述微动压电直线位移台与所述脉冲选择器之间的相位锁定并且可调。

可见，本申请的上述技术方案实质上是采用了基于单激光的脉冲空间光程调制锁相技术，将微动压电直线位移台的调制频率固定在激光脉冲选择器频率的二分之一，消除随机的调制频率引起离散点相位浮动。微动压电直线位移台的相位与脉冲选择器的相位锁定同时保证可优化调节，有利于增强响应信号，同时抑制噪音背景强度，通过上述技术方案能够有效解决STM针尖隧道电流在光泵浦-探测时间分辨诱导材料原子上电子态瞬态响应过程中发生的极弱小动态信号的检出和放大问题，同时利用本申请中的上述基于微动压电直线位移台的调制技术，实现通过位移调节控制时间轴差分微变量的效果，能够由此得到隧道电流的一阶微分运算，抑制缓变和稳态信号的响应度，以及通过本申请中设置在第一光束反射装置上的长程直线位移台实现了对探测光和泵浦光到达实验材料的时间差的调整控制。综上，本申请能够实现对STM动态响应的可靠检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为一种现有的光泵浦-探测STM技术方案示意图；

图2为基于现有技术的响应曲线与实际响应曲线的区别示意图；

图3为相位漂移的影响示意图；

图4为本申请公开的一种基于双位移台的STM动态响应检测***结构示意图；

图5为本申请公开的一种具体的基于双位移台的STM动态响应检测***结构示意图；

图6为信号间时序关系示意图；

图7和图8均为本申请公开的压电陶瓷的电压驱动模式示意图；

图9为本申请公开的一种基于双位移台的STM动态响应检测方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图4所示，本申请实施例公开了一种基于双位移台的STM动态响应检测***，包括飞秒激光器10、脉冲选择器11、分束镜12、第一光束反射装置13、第二光束反射装置14、光束汇聚装置15、STM探针16、针尖电流检测装置17、锁相放大器18、分频器19以及长程直线位移台20；其中，

所述脉冲选择器11，用于对所述飞秒激光器10发射的飞秒脉冲激光进行脉冲选择，以出射相应的飞秒脉冲激光，并向所述分频器19发送触发信号，以触发所述分频器19生成阶跃式信号；

所述分束镜12，用于基于所述脉冲选择器11出射的飞秒脉冲激光，产生探测光和泵浦光；

所述第一光束反射装置13包括与所述分频器19连接的并且在所述阶跃式信号的驱动下进行阶跃式位置变动的微动压电直线位移台，用于通过设置在所述微动压电直线位移台的第一逆向反射器对所述分束镜12出射的探测光进行反射；

所述第二光束反射装置14，用于对所述分束镜12出射的泵浦光进行反射；

所述光束汇聚装置15，用于将所述第一光束反射装置13反射的探测光和所述第二光束反射装置14反射的泵浦光汇聚至位于所述STM探针16下的实验材料；

设置在所述第一光束反射装置13上的所述长程直线位移台20，用于对探测光和泵浦光到达所述实验材料的时间差进行调整控制，并且，所述微动压电直线位移台设置于所述长程直线位移台20上；

所述针尖电流检测装置17，用于检测所述STM探针16的针尖隧道电流信号；

所述锁相放大器18分别与所述分频器19和所述针尖电流检测装置17连接，用于将所述阶跃式信号作为参考信号，对所述针尖隧道电流信号进行锁相放大处理，并将得到的锁相放大信号传输至计算机***，以便所述计算机***根据所述锁相放大信号确定STM动态响应结果；

并且，所述微动压电直线位移台的调制频率为所述脉冲选择器11的频率的二分之一，所述微动压电直线位移台与所述脉冲选择器11之间的相位锁定并且可调。

本实施例中，飞秒激光器10的飞秒脉冲激光经过脉冲选择器11的脉冲选择后，所形成的降频后的飞秒脉冲激光经过分束镜12产生强度较弱的长波段激光以及强度较强的短波段激光，以分别作为探测光和泵浦光；其中，探测光经由第一光束反射装置13反射后再通过光束汇聚装置15到达位于STM探针16下的实验材料，泵浦光经由第二光束反射装置14反射后再通过光束汇聚装置15到达位于STM探针16下的实验材料。然后，通过针尖电流检测装置17检测STM探针16的针尖隧道电流信号，并将检测到的针尖隧道电流信号传输至锁相放大器18。在本实施例中，所述脉冲选择器11向所述分频器19发送触发信号以触发所述分频器19生成阶跃式信号，第一光束反射装置13上的微动压电直线位移台在所述阶跃式信号的驱动下进行阶跃式位置变动，并且，微动压电直线位移台上设有用于对所述分束镜12出射的探测光进行反射的第一逆向反射器，另外，所述锁相放大器18将所述阶跃式信号作为参考信号以进行锁相放大处理。而且，本实施例中所述微动压电直线位移台的调制频率为所述脉冲选择器11的频率的二分之一，所述微动压电直线位移台与所述脉冲选择器11之间的相位锁定并且可调。另外，本实施例中在所述第一光束反射装置13上设置了所述长程直线位移台20，通过所述长程直线位移台20能够实现对探测光和泵浦光到达所述实验材料的时间差的调整控制。

由上可见，本实施例的基于双位移台的STM动态响应检测***中采用来单台飞秒激光器，将微动压电直线位移台的调制频率设置为所述脉冲选择器11的频率的二分之一，这样有利于消除随机的调制频率引起的离散点相位浮动，并且，本实施例中微动压电直线位移台与脉冲选择器11之间的相位锁定并且可调，有利于增强响应信号，同时抑制噪音背景强度。本实施例通过上述技术方案能够有效解决STM针尖隧道电流在光泵浦-探测时间分辨诱导材料原子上电子态瞬态响应过程中发生的极弱小动态信号的检出和放大问题，同时利用本申请中的上述基于微动压电直线位移台的调制技术，实现通过位移调节控制时间轴差分微变量的效果，能够由此得到隧道电流的一阶微分运算，抑制缓变和稳态信号的响应度，以及通过本申请中设置在第一光束反射装置上的长程直线位移台实现了对探测光和泵浦光到达实验材料的时间差的调整控制。综上，本申请实施例能够实现对STM动态响应的可靠检测。

参见图5所示，本申请实施例公开了一种具体的基于双位移台的STM动态响应检测***，包括飞秒激光器10、脉冲选择器11、分束镜12、第一光束反射装置13、第二光束反射装置14、光束汇聚装置15、STM探针16、针尖电流检测装置17、锁相放大器18、分频器19以及长程直线位移台20；其中，

所述脉冲选择器11，用于对所述飞秒激光器10发射的飞秒脉冲激光进行脉冲选择，以出射相应的飞秒脉冲激光，并向所述分频器19发送触发信号，以触发所述分频器19生成阶跃式信号；

所述分束镜12，用于基于所述脉冲选择器11出射的飞秒脉冲激光，产生探测光和泵浦光；

所述第一光束反射装置13包括与所述分频器19连接的并且在所述阶跃式信号的驱动下进行阶跃式位置变动的微动压电直线位移台130，用于通过设置在所述微动压电直线位移台130的第一逆向反射器131对所述分束镜12出射的探测光进行反射；

所述第二光束反射装置14，用于对所述分束镜12出射的泵浦光进行反射；

所述光束汇聚装置15，用于将所述第一光束反射装置13反射的探测光和所述第二光束反射装置14反射的泵浦光汇聚至位于所述STM探针16下的实验材料；

所述长程直线位移台20，设置在所述第一光束反射装置13上，用于对探测光和泵浦光到达所述实验材料的时间差进行调整控制，并且，所述微动压电直线位移台130设置于所述长程直线位移台20上；

所述针尖电流检测装置17，用于检测所述STM探针16的针尖隧道电流信号；

所述锁相放大器18分别与所述分频器19和所述针尖电流检测装置17连接，用于将所述阶跃式信号作为参考信号，对所述针尖隧道电流信号进行锁相放大处理，并将得到的锁相放大信号传输至计算机***，以便所述计算机***根据所述锁相放大信号确定STM动态响应结果；

并且，所述微动压电直线位移台130的调制频率为所述脉冲选择器11的频率的二分之一，所述微动压电直线位移台130与所述脉冲选择器11之间的相位锁定并且可调。

可以理解的是，本实施例中脉冲选择器、分频器以及微动压电直线位移台之间的时序信号关系可以根据实际需要进行确定。例如，图6示出了各信号之间的时序关系其中，分频器的频率为脉冲选择器的频率同步减半后得到的频率，相位调制从-90至90度，并且分频器的信号触发可以是基于上升沿的信号触发。

本实施例中，所述分束镜12具体是非等比例分束镜，用于产生垂直的两束光束，光束强度比可以为1:4，其中，弱光作为探测光，强光作为泵浦光。并且，作为探测光的弱光传输至由微动压电直线位移台130驱动的第一逆向反射器131，探测光的脉冲序列相邻的两个脉冲会在同步锁定微动逆向反射器反射后，光程形成一个特定的行程差，这个行程差只取决于微动压电直线位移台130中的压电陶瓷的外设驱动电压的极值，与逆向反射器的往复运动过程方式无关，通过调节分频器19的相位，保证探测光脉冲在逆向反射器作用时反射器的位置处于位移端点，而不是在变程的途中。

图5中，所述飞秒激光器10的波长在690至1020纳米之间可调谐，所述分频器19的输出相位在0至180度之间可调，并且，所述微动压电直线位移台130的位移幅度在1至100微米之间可调。

由上可见，本实施例中，微动压电直线位移台130的相位与脉冲选择器11的相位锁定同时保证可优化调节，相位调整范围从0到180度，优化的相位可以达到响应信号最大，同时抑制噪音背景强度。另外，本实施例中的微动压电直线位移台130的位移幅度在1至100微米之间可调、可控，也即时间差分可以在0.67fs至67fs之间进行调节，从而与锁相放大器18的输出放大信号之间形成可优化调整。

更具体的，本实施例中的飞秒激光器10的波长690至1020纳米之间可调谐、功率为1500mW、脉宽35fs、光谱宽度60nm左右、重频为82MHz，经过脉冲选择器11，重频在500Hz至1MHz调制。

本实施例中，所述分频器19生成的所述阶跃式信号为用于驱动所述微动压电直线位移台在进行所述阶跃式位置变动的过程中均在每个位移端点停留预设时长的信号，以保证在预设时长内检测出相应的一个完整脉冲。其中，所述预设时长不大于脉冲周期时间，具体可以是0.5至100微秒，通过上述位置停留操作，可以实现如图6所示的在上下两个线点有完整的脉冲覆盖，从而可以防止由于激光脉冲的输出时间间隔波动所引起的差分时间浮动。另外，可以理解的是，本实施例中当所述微动压电直线位移台在位移端点停留的时候，还需要进行相应的相位调节，以便检测出完整的脉冲。

本实施例中，所述分频器19生成的所述阶跃式信号为用于将所述分束镜12出射的探测光在被所述第一逆向反射器131作用时的第一逆向反射器位置控制在所述位移端点的信号，避免了在变程途中对探测光进行反射的情况出现。

可以理解的是，本实施例中的所述阶跃式信号包括周期方波信号或锯齿阶波信号。

本实施例中，所述第二光束反射装置14具体可以包括：

倍频晶体140，用于对所述分束镜12出射的泵浦光进行倍频，得到倍频光；

滤除模块141，用于滤除所述倍频晶体140出射的所述倍频光中的长波段成分，得到滤除后激光；

第二逆向反射器142以及宽谱带半波片143，其中，所述第二逆向反射器142用于对所述滤除后激光进行反射以得到相应的反射光束，并且，该反射光束经由所述宽谱带半波片143传输至所述光束汇聚装置15。

其中，所述倍频晶体140具体可以BBO晶体(即偏硼酸钡晶体)，所述滤除模块141包括超快脉冲带通滤波片或格兰棱镜。可见，本实施例可以将激光倍频器前置在脉冲选择器11之前，增加一个带通滤波片或格兰棱镜分开基频光和倍频光，保持光路中的1/2波片，通过这一设计可以减少双色分束镜，只需使用常规超快脉冲分束镜，降低成本。并且，本实施例采用了可调谐加倍频激光，拓展了激光谱带，能够更好地满足对宽谱带的要求，***响应光谱可以覆盖400-900nm。

本实施例中，所述光束汇聚装置15具体可以包括：

用于对探测光进行透射以及对泵浦光进行反射的双色镜150，以使得探测光和泵浦光同轴重合；

平面反射镜151以及凹面反射镜152，其中，所述平面反射镜151用于将同轴重合后的探测光和泵浦光反射至所述凹面反射镜152，然后通过所述凹面反射镜152将探测光和泵浦光汇聚至位于所述STM探针16下的实验材料。

可以理解的是，本实施例中的双色镜150具体为超快脉冲双色镜，起到透长波段、高反短波段的效果。其次，本实施例中的平面反射镜151具体为超快宽频带平面反射镜。另外，本实施例由于采用凹面反射镜152进行光线汇聚，避免了色散汇聚元件的使用，有利于减少由于群速度色散带来的脉冲时间宽化现象。

本实施例中，所述第一光束反射装置13上设置了长程直线位移台20，用于对探测光和泵浦光到达所述实验材料的时间差进行调整控制。也即，本实施例中，两束激光到达材料表面的时间差由长程直线位移台20来改变。本实施例中，长程直线位移台20的行程可以设置为30cm，相当于2ns的时间范围，若时间需要更长的话，可以在长程直线位移台20对面增加一组或多组反射镜，以此实现光线在长程直线位移台20与上述各组反射镜之间的多次往返，从而实现4ns、8ns、16ns等的时间拓展。另外，本实施例在检测针尖电流时，长程直线位移台20保持位置不动。可以理解的是，为了实现对长程直线位移台20的控制，本实施例还需要设置用于控制长程直线位移台20移动的位移平台控制器21。

本实施例中，微动压电直线位移台130与长程直线位移台20控制同一路激光束脉冲的时间位移，随着长程直线位移调制的时间延迟不同，会产生到达针尖的激光脉冲时间序列的变化。这种情况下如果只设置了单组逆向反射器，则时间变化最大范围为2ns。为了保证驱动微动压电直线位移台130做阶跃式位置变动时，在阶跃端点位置，激光脉冲才到达逆向反射器上，则分频器19的输出相位不能固定。随着长程直线位移台20的线程移动，分频器19输出相位做线性前移或分段前移，例如脉冲选择器在500KHz时，长程直线位移在半程时，分频器19的相位前置1度。

进一步的，考虑到通过双位移台控制同一路激光束，一个长程运动，另一个短程运动时，单程运动的基准位会随着长程移动在不断变动，从而放大激光偏移幅度，为此，本实施例优先选用精度较高的位移器。

另外，本实施例通过所述微动压电直线位移台130以及所述长程直线位移台20，对同一路激光束脉冲进行控制，这样能够压缩光路空间，让设备变得更加紧凑，并且可以减少双路光束齐动造成的束斑波动幅度。

进一步的，所述分束镜12为采用低色散的融石英材料制备的分束镜，这样有利于减少由于群速度色散引起的脉冲时间宽化现象。

需要进一步指出的是，在本实施例中，微动压电直线位移台130需要保证逆向反射器位置做阶跃式变动，并在阶跃位置端点保持一定时间稳定不动，这样驱动压电陶瓷微动台的驱动器在电路设计时输出的电压随时间变化模式须为阶跃式，本实施例具体可以采用如图7和图8中所示的两种模式，其中，在两个端点电压波动小于10％的峰值。

另外，需要指出的是，本实施例中的技术方案能够适配于高真空STM***，由此避免背景不必要的散射和噪音，可以对应原子分辨量级的材料电子态的时间分辨STM。

可见，本实施例解决了现有技术中三个关键问题：1、现有的技术采用了脉冲模式选择的时间差调制(跳模)，但由于跳模的时间是特定且大时间差调制，得到的信号是混合了不同时刻的响应信息，实质上无法对动态过程做时间准确的解析，获得的时间分辨STM与材料原子的电子态的动力学过程是不对应的；2、现有技术采用的正弦位移调制时间差，面对脉冲激光序列，不能在相位上锁定，获得可靠的STM时间分辨信号的能力大大地打折扣，很难获得准确真实的信息。在实际的应用过程中，也基本被近期的使用者放弃了，只在十多年前有报道；3、现有的技术方案在可见与近红外区光谱范围，只是固定在特定的波长上，未能拓展激发诱导激光的谱带范围，不能适应广泛的材料体系。

为此，本申请实施例的技术方案针对双束超快脉冲激光诱导探测时间分辨STM动态微分响应，通过脉冲激光位移诱导针尖电流相位锁定，解决了离散极弱信号锁相技术提取的难题，采用位移调节控制时间轴差分微变量，控制时间差分分辨率Δt达到飞秒量级(10^-15s),且变化范围可控可调，如此可以获得在此时间差上的针尖隧道电流的差ΔI(t)，基于此可以用算法运算得到隧道电流动态变化的微分响应ΔI(t)/Δt。这一动态的响应时间函数，能与材料微观的动态过程相互对应，而且由于相位锁定，避免了因离散点的相位波动引起的锁相信号浮动产生的***噪音，这一设计会提升***的信噪比，提高时间分辨STM动态响应信号的可靠性，大幅改善现有设计方***度。

进一步的，参见图9所示，本申请实施例还相应公开了一种基于双位移台的STM动态响应检测方法，应用于前述公开的基于双位移台的STM动态响应检测***，包括：

步骤S11：通过脉冲选择器对飞秒激光器发射的飞秒脉冲激光进行脉冲选择，以出射相应的飞秒脉冲激光，并向分频器发送触发信号，以触发所述分频器生成阶跃式信号；

步骤S12：通过分束镜并基于所述脉冲选择器出射的飞秒脉冲激光，产生探测光和泵浦光；

步骤S13：通过设置在第一光束反射装置上的微动压电直线位移台的第一逆向反射器对所述分束镜出射的探测光进行反射，其中，所述微动压电直线位移台在所述阶跃式信号的驱动下进行阶跃式位置变动；

步骤S14：通过第二光束反射装置对所述分束镜出射的泵浦光进行反射；

步骤S15：通过光束汇聚装置将所述第一光束反射装置反射的探测光和所述第二光束反射装置反射的泵浦光汇聚至位于所述STM探针下的实验材料；

步骤S16：通过针尖电流检测装置检测所述STM探针的针尖隧道电流信号；

步骤S17：通过分别与所述分频器和所述针尖电流检测装置连接的锁相放大器，将所述阶跃式信号作为参考信号，对所述针尖隧道电流信号进行锁相放大处理，并将得到的锁相放大信号传输至计算机***，以便所述计算机***根据所述锁相放大信号确定STM动态响应结果；

并且，所述微动压电直线位移台的调制频率为所述脉冲选择器的频率的二分之一，所述微动压电直线位移台与所述脉冲选择器之间的相位锁定并且可调，所述第一光束反射装置上还设有用于对探测光和泵浦光到达所述实验材料的时间差进行调整控制的长程直线位移台，并且，所述微动压电直线位移台设置于所述长程直线位移台上。

其中，关于上述各个步骤更加具体的实施方式可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。

可见，本申请的上述技术方案实质上是采用了基于单激光的脉冲空间光程调制锁相技术，将微动压电直线位移台的调制频率固定在激光脉冲选择器频率的二分之一，消除随机的调制频率引起离散点相位浮动。微动压电直线位移台的相位与脉冲选择器的相位锁定同时保证可优化调节，有利于增强响应信号，同时抑制噪音背景强度，通过上述技术方案能够有效解决STM针尖隧道电流在光泵浦-探测时间分辨诱导材料原子上电子态瞬态响应过程中发生的极弱小动态信号的检出和放大问题，同时利用本申请中的上述基于微动压电直线位移台的调制技术，实现通过位移调节控制时间轴差分微变量的效果，能够由此得到隧道电流的一阶微分运算，抑制缓变和稳态信号的响应度，以及通过本申请中设置在第一光束反射装置上的长程直线位移台实现了对探测光和泵浦光到达实验材料的时间差的调整控制。综上，本申请能够实现对STM动态响应的可靠检测。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种基于双位移台的STM动态响应检测***及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于双位移台的STM动态响应检测***，其特征在于，包括飞秒激光器、脉冲选择器、分束镜、第一光束反射装置、第二光束反射装置、光束汇聚装置、STM探针、针尖电流检测装置、锁相放大器、分频器以及长程直线位移台；其中，

所述脉冲选择器，用于对所述飞秒激光器发射的飞秒脉冲激光进行脉冲选择，以出射相应的飞秒脉冲激光，并向所述分频器发送触发信号，以触发所述分频器生成阶跃式信号；

所述分束镜，用于基于所述脉冲选择器出射的飞秒脉冲激光，产生探测光和泵浦光；

所述第一光束反射装置包括与所述分频器连接的并且在所述阶跃式信号的驱动下进行阶跃式位置变动的微动压电直线位移台，用于通过设置在所述微动压电直线位移台的第一逆向反射器对所述分束镜出射的探测光中相邻的两个脉冲进行反射；

所述第二光束反射装置，用于对所述分束镜出射的泵浦光进行反射；

所述光束汇聚装置，用于将所述第一光束反射装置反射的探测光和所述第二光束反射装置反射的泵浦光汇聚至位于所述STM探针下的实验材料；

设置在所述第一光束反射装置上的所述长程直线位移台，用于对探测光和泵浦光到达所述实验材料的时间差进行调整控制，并且，所述微动压电直线位移台设置于所述长程直线位移台上；

所述针尖电流检测装置，用于检测所述STM探针的针尖隧道电流信号；

所述锁相放大器分别与所述分频器和所述针尖电流检测装置连接，用于将所述阶跃式信号作为参考信号，对所述针尖隧道电流信号进行锁相放大处理，并将得到的锁相放大信号传输至计算机***，以便所述计算机***根据所述锁相放大信号确定STM动态响应结果；

并且，所述微动压电直线位移台的调制频率为所述脉冲选择器的频率的二分之一，所述微动压电直线位移台与所述脉冲选择器之间的相位锁定并且可调。

2.根据权利要求1所述的基于双位移台的STM动态响应检测***，其特征在于，所述飞秒激光器的波长在690至1020纳米之间可调谐，所述分频器的输出相位在0至180度之间可调，并且，所述微动压电直线位移台的位移幅度在1至100微米之间可调。

3.根据权利要求1所述的基于双位移台的STM动态响应检测***，其特征在于，所述分频器生成的所述阶跃式信号为用于驱动所述微动压电直线位移台在进行所述阶跃式位置变动的过程中均在每个位移端点停留预设时长的信号。

4.根据权利要求3所述的基于双位移台的STM动态响应检测***，其特征在于，所述分频器生成的所述阶跃式信号为用于将所述分束镜出射的探测光在被所述第一逆向反射器作用时的第一逆向反射器位置控制在所述位移端点的信号。

5.根据权利要求1所述的基于双位移台的STM动态响应检测***，其特征在于，所述第二光束反射装置，包括：

倍频晶体，用于对所述分束镜出射的泵浦光进行倍频，得到倍频光；

滤除模块，用于滤除所述倍频晶体出射的所述倍频光中的长波段成分，得到滤除后激光；

第二逆向反射器以及宽谱带半波片，其中，所述第二逆向反射器用于对所述滤除后激光进行反射以得到相应的反射光束，并且，该反射光束经由所述宽谱带半波片传输至所述光束汇聚装置。

6.根据权利要求5所述的基于双位移台的STM动态响应检测***，其特征在于，所述倍频晶体为偏硼酸钡晶体，所述滤除模块包括带通滤波片或格兰棱镜。

7.根据权利要求1所述的基于双位移台的STM动态响应检测***，其特征在于，所述光束汇聚装置，包括：

用于对探测光进行透射以及对泵浦光进行反射的双色镜，以使得探测光和泵浦光同轴重合；

平面反射镜以及凹面反射镜，其中，所述平面反射镜用于将同轴重合后的探测光和泵浦光反射至所述凹面反射镜，然后通过所述凹面反射镜将探测光和泵浦光汇聚至位于所述STM探针下的实验材料。

8.根据权利要求1所述的基于双位移台的STM动态响应检测***，其特征在于，与所述长程直线位移台相对的位置区域上还设有一组或多组反射镜，以控制光线在所述长程直线位移台与所述一组或多组反射镜之间进行往返。

9.根据权利要求1所述的基于双位移台的STM动态响应检测***，其特征在于，所述分束镜为采用融石英材料制备的分束镜。

10.一种基于双位移台的STM动态响应检测方法，其特征在于，应用于如权利要求1至9任一项所述的基于双位移台的STM动态响应检测***，包括：

通过脉冲选择器对飞秒激光器发射的飞秒脉冲激光进行脉冲选择，以出射相应的飞秒脉冲激光，并向分频器发送触发信号，以触发所述分频器生成阶跃式信号；

通过分束镜并基于所述脉冲选择器出射的飞秒脉冲激光，产生探测光和泵浦光；

通过设置在第一光束反射装置上的微动压电直线位移台的第一逆向反射器对所述分束镜出射的探测光中相邻的两个脉冲进行反射，其中，所述微动压电直线位移台在所述阶跃式信号的驱动下进行阶跃式位置变动；

通过第二光束反射装置对所述分束镜出射的泵浦光进行反射；

通过光束汇聚装置将所述第一光束反射装置反射的探测光和所述第二光束反射装置反射的泵浦光汇聚至位于所述STM探针下的实验材料；

通过针尖电流检测装置检测所述STM探针的针尖隧道电流信号；

通过分别与所述分频器和所述针尖电流检测装置连接的锁相放大器，将所述阶跃式信号作为参考信号，对所述针尖隧道电流信号进行锁相放大处理，并将得到的锁相放大信号传输至计算机***，以便所述计算机***根据所述锁相放大信号确定STM动态响应结果；

并且，所述微动压电直线位移台的调制频率为所述脉冲选择器的频率的二分之一，所述微动压电直线位移台与所述脉冲选择器之间的相位锁定并且可调，所述第一光束反射装置上还设有用于对探测光和泵浦光到达所述实验材料的时间差进行调整控制的长程直线位移台，并且，所述微动压电直线位移台设置于所述长程直线位移台上。

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