CN115541534A - 一种瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***及方法 - Google Patents

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CN115541534A CN202211355910.2A CN202211355910A CN115541534A CN 115541534 A CN115541534 A CN 115541534A CN 202211355910 A CN202211355910 A CN 202211355910A CN 115541534 A CN115541534 A CN 115541534A
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Abstract

本发明属于超快光谱技术领域，具体涉及一种瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***及方法，其中瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***包括：飞秒激光器、第一分光器、泵浦脉冲调节组件、探测脉冲调节组件、第二分光器、合束器、聚焦及成像装置、第三分光器、光谱测量装置和偏振测量装置。所述瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***可同时测量瞬态吸收光谱与磁光偏振。

Description

一种瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***及方法
技术领域
本发明属于超快光谱技术领域，涉及一种瞬态吸收光谱与磁光偏振并行测量***及方法。
背景技术
传统光电子学与磁学和自旋电子学的结合使得磁阻器件、磁光开关器件、自旋发光器件、自旋霍尔器件等新型磁性光电器件得到了广泛的关注和应用。其中，对材料性质的探索是磁性光电器件结构设计和性能检验的基础。与传统电学手段相比，光学检测手段可兼具非接触、无损、高灵敏度、高时间分辨的优势，能够同时获得材料内部的光电和磁学特性，因而被广泛应用于磁性材料的状态表征中。
超快光学检测技术是研究材料和器件内部微观动力学机理的常用工具，其中瞬态吸收光谱和瞬态磁光偏振能够分别反映磁性材料内部载流子和自旋动力学过程，便于电磁器件的结构设计、机理分析和性能检验。近年来，人们在Cr I3、NiPS3等二维范德华磁性材料中发现，光激发下自旋动力学过程通常与光生载流子动力学过程相互耦合。因此，相关材料和器件机理的研究需要同时获悉其内部的瞬态吸收和磁光偏振响应。而在传统的超快光学检测***中，单次测量只能获取两者之一，瞬态吸收和磁光偏振信号常常需要在不同时间、不同批次的测量下获取。这不仅浪费了大量的时间，还会引入很大的测量误差。并且，考虑到材料和器件在飞秒激光长时间辐照下的状态变化，不同批次获取的瞬态信号还可能会存在不一致的现象。
目前二维光电及磁性材料在超快光学检测，特别是同时完成瞬态吸收光谱和瞬态磁光偏振的测试内容方面存在需求，传统的泵浦探测技术已不能完全满足测量需要。因此，针对不同材料的测试需求，研究找到集瞬态吸收光谱和磁光偏振探测能力为一体的超快光学检测***及方法有着非常重要的意义。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的无法同时测量瞬态吸收光谱与磁光偏振的缺陷，从而提供一种瞬态吸收光谱与磁光偏振并行测量***及方法。
本发明提供一种瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***，包括：飞秒激光器、第一分光器、泵浦脉冲调节组件、探测脉冲调节组件、第二分光器、合束器、聚焦及成像装置、第三分光器、光谱测量装置和偏振测量装置；所述泵浦脉冲调节组件包括：泵浦光参量放大器和泵浦光耦入和耦出单元，所述泵浦光参量放大器用于调节泵浦光的参量；所述泵浦光耦入和耦出单元用于泵浦光的耦入和耦出；所述探测脉冲调节组件包括探测光参量放大器和脉冲延迟装置，所述探测光参量放大器用于调节探测光的参量；所述脉冲延迟装置用于调节探测光的光程；所述偏振测量装置包括自所述第三分光器反射的光路中依次设置的第三半波片、偏振分束器和平衡光电探测器；聚焦及成像装置包括显微物镜；所述第一分光器用于将飞秒激光器发射的激光分束为探测光和泵浦光；所述泵浦脉冲调节组件用于接收所述第一分光器分出的泵浦光；所述探测脉冲调节组件用于接收所述第一分光器分出的探测光；所述第二分光器用于反射探测脉冲调节组件出射的部分探测光作为探测参考光，所述第二分光器还用于透射探测脉冲调节组件出射的部分探测光；所述合束器用于将第二分光器透射的探测光和泵浦脉冲调节组件出射的泵浦光进行准直和合束；所述显微物镜用于将泵浦光和探测光共聚焦入射至样品表面、以及对样品表面的形貌和光斑聚焦情况微区成像；所述合束器还适于将反射样品表面反射的反馈光透射至所述第二分光器；所述第二分光器还用于反射反馈光至第三分光器；所述第三分光器将所述第二分光器反射的反馈光分为两路分别进入光谱测量装置和偏振测量装置。
可选的，所述泵浦脉冲调节组件还包括：自所述泵浦光参量放大器至所述泵浦光耦入和耦出单元的光路上依次设置的第一偏振片、第一半波片、第一反射镜以及自所述泵浦光耦入和耦出单元至所述合束器的光路上依次设置的斩波器和泵浦光强调节器；所述斩波器的频率至少高于所述泵浦光耦入和耦出单元的开关频率两个数量级。
可选的，所述泵浦光耦入和耦出单元为光快门。
可选的，所述探测脉冲调节组件还包括自所述探测光参量放大器至所述脉冲延迟装置的光路上依次设置的探测光强调节器、第一聚焦透镜、光学非线性晶体和第二聚焦透镜、以及自所述脉冲延迟装置至所述第二分光器的光路上依次设置的第二偏振片和第二半波片；所述第一聚焦透镜和第二聚焦透镜配合所述光学非线性晶体使得第二聚焦透镜出射的探测光为超连续谱白光。
可选的，所述脉冲延迟装置包括第二反射镜、第三反射镜和一维位移台；所述第二反射镜、第三反射镜位于所述一维位移台上；所述第二反射镜用于将从所述第二聚焦透镜射出的探测光反射至所述第三反射镜；所述第三反射镜用于将所述第二反射镜反射出的探测光反射至所述第二偏振片。
可选的，所述聚焦及成像装置还包括待测样品台，所述显微物镜位于所述合束器至待测样品台之间的光路中。
可选的，所述聚焦及成像装置还包括：可移除分光镜、第四分光器、照明光源、准直透镜和相机；所述可移除分光镜适于选择位于所述合束器至所述显微物镜之间的光路中或者从所述合束器至所述显微物镜的光路中移出；所述第四分光器位于所述可移除分光镜至所述相机之间的光路中；所述准直透镜位于所述照明光源和所述第四分光器之间的光路中；所述第四分光器用于将所述照明光源发出的照明光反射至可移除分光镜；当所述可移除分光镜选择位于所述合束器至所述显微物镜之间的光路中时，所述可移除分光镜适于将探测光和泵浦光透射至所述显微物镜以及将照明光反射至所述显微物镜，所述可移除分光镜还适于将部分所述反馈光反射至所述第四分光器并将部分反馈光透射至合束器；所述第四分光器还用于透射所述可移除分光镜反射的部分反馈光至所述相机。
可选的，所述光谱测量装置包括光纤装置以及与所述光纤装置电连接的光谱仪；所述光纤装置包括第一光纤耦合器和第一光纤，所述第一光纤耦合器用于将所述探测参考光耦合到所述第一光纤中；所述光纤装置还包括第二光纤耦合器和第二光纤，所述第二光纤耦合器用于将所述探测光耦合到所述第二光纤中；所述光谱仪用于将所述第一光纤传输的探测参考光的信号进行采集并将所述探测参考光的光谱进行输出；所述光谱仪还用于将所述第二光纤传输的参考光的信号进行采集并将所述探测光的光谱进行输出。
可选的，所述偏振测量装置还包括所述第三分光器至所述第三半波片光路中的窄带滤光片以及与所述平衡光电探测器电学连接的锁相放大器。
可选的，还包括：测控计算机，所述测控计算机用于控制所述脉冲延迟装置、泵浦光耦入和耦出单元、光谱测量装置、偏振测量装置及所述聚焦及成像装置。
本发明还提供一种瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量方法，采用以上所述的瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***，包括：步骤S1：将样品固定在样品台上；步骤S2：打开飞秒激光器，飞秒激光器发射的激光分束为探测光和泵浦光；泵浦脉冲调节组件接收所述第一分光器分出的泵浦光；探测脉冲调节组件接收所述第一分光器分出的探测光；所述第二分光器反射探测脉冲调节组件出射的部分探测光作为探测参考光，所述第二分光器透射探测脉冲调节组件出射的部分探测光；步骤S3：根据样品的材料性质，泵浦光参量放大器调整泵浦光的中心波长和脉宽，探测光参量放大器调整探测光的中心波长和脉宽；步骤S4：脉冲延迟装置调整探测光的光程直至泵浦光和探测光同时到达样品，此时，确定脉冲延迟装置的基准位置，光谱测量装置测试第三分光器传输的光的瞬态吸收光谱信号为最大值；步骤S5：泵浦光耦入和耦出单元将泵浦光耦出光路，调整第三半波片和偏振分束器直至平衡探测器的输出信号为0；步骤S6：所述脉冲延迟装置调整探测光的光程直至探测光具有测试光程且泵浦光和探测光具有测试延迟时间t；在测试延迟时间t以及泵浦光耦入和耦出单元将泵浦光耦入的条件下，光谱测量装置测试第三反光器传输的反馈光的第一光强R(t)，耦光谱测量装置测试探测参考光的第二光强Rf(t)，偏振测量装置输出差分光强ΔI；步骤S7：泵浦光耦入和耦出单元将泵浦光耦出以及探测光具有所述测试光程条件下，光谱测量装置测试第三反光器传输的反馈光的第三光强R0(t)，光谱测量装置测试探测参考光的第四光强Rf0(t)；步骤S8：根据第一光强R(t)、第二光强Rf(t)、第三光强R0(t)和第四光强Rf0(t)获取瞬态吸收光谱信号；根据差分光强ΔI获取瞬态磁光偏振信号Δθ。
可选的，所述探测脉冲调节组件还包括自所述探测光参量放大器至所述脉冲延迟装置的光路上依次设置的探测光强调节器、第一聚焦透镜、光学非线性晶体和第二聚焦透镜、以及自所述脉冲延迟装置至所述第二分光器的光路上依次设置的第二偏振片和第二半波片；所述瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量方法还包括：在步骤S3之后且在步骤S4之前，通过探测光强调节器调整第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，使得第一聚焦透镜和第二聚焦透镜配合所述光学非线性晶体使得第二聚焦透镜出射的探测光为超连续谱白光；在步骤S5之前，将窄带滤光片放置在第三分光器和第三半波片之间的光路中。
可选的，瞬态吸收光谱信号ΔR(t)＝lg(R(t)×Rf0(t)/Rf(t)/R0(t))；瞬态磁光偏振信号Δθ正比于ΔI。
可选的，执行多次步骤S6，多次步骤S6中的测试光程不同、测试延迟时间t不同，获取多次步骤S6测试的第一光强的平均值
Figure BDA0003919899580000051
第二光强的平均值
Figure BDA0003919899580000052
第三光强的平均值
Figure BDA0003919899580000053
和第四光强的平均值
Figure BDA0003919899580000054
瞬态吸收光谱信号的平均值
Figure BDA0003919899580000055
Figure BDA0003919899580000056
正比于
Figure BDA0003919899580000057
本发明技术方案具有以下有益效果：本发明技术方案提供的瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***，所述第一分光器用于将飞秒激光器发射的激光分束为探测光和泵浦光；所述泵浦脉冲调节组件用于接收所述第一分光器分出的泵浦光；所述探测脉冲调节组件用于接收所述第一分光器分出的探测光；所述第二分光器用于反射探测脉冲调节组件出射的部分探测光作为探测参考光，所述泵浦脉冲调节组件可以获取瞬态吸收光谱，所述探测脉冲调节组件可以测试磁光偏振效应，因此所述瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***可以实现在同一个时间延迟下可并行完成偏振和光谱探测，不仅节约了测量时间，也避免了瞬态光学测试中重复多次测量带来的不确定性。因此，所述瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***可同时测量瞬态吸收光谱与磁光偏振。
进一步的，所述偏振测量装置还包括所述第三分光器至所述第三半波片光路中的窄带滤光片以及与所述平衡光电探测器电学连接的锁相放大器。使得所述瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***能够探测到偏振旋转角的光谱响应曲线。
进一步的，所述光谱测量装置包括光纤装置以及与所述光纤装置电连接的光谱仪，所述瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***在光谱探测中采用光纤装置收集探测光和探测参考光，保证了光路的稳定性，同时探测参考光的引入可消除由于探测光抖动导致的测量误差，极大提升了信噪比。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。
图1为本发明一实施例提供的瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***的结构示意图；
图2(a)为本发明一实施例提供的瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***中泵浦光耦入和耦出单元的工作频率示意图；
图2(b)为本发明一实施例提供的瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***中斩波器对泵浦光进行调制的信号示意图；
图2(c)为本发明一实施例提供的瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***中泵浦光在斩波器的调制作用下的光谱；
图2(d)为本发明一实施例提供的瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***获取的第一光强R(t)、第二光强Rf(t)、第三光强R0(t)和第四光强Rf0(t)示意图；
图2(e)为本发明一实施例提供的瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***获取的差分光强ΔI的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本实施例提供一种瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***，参考图1，包括：飞秒激光器1、第一分光器2、泵浦脉冲调节组件、探测脉冲调节组件、第二分光器5、合束器6、聚焦及成像装置、第三分光器8、光谱测量装置和偏振测量装置；所述泵浦脉冲调节组件包括：泵浦光参量放大器31和泵浦光耦入和耦出单元32，所述泵浦光参量放大器31用于调节泵浦光的参量；所述泵浦光耦入和耦出单元32用于泵浦光的耦入和耦出；所述探测脉冲调节组件包括探测光参量放大器41和脉冲延迟装置42，所述探测光参量放大器41用于调节探测光的参量；所述脉冲延迟装置42用于调节探测光的光程；所述偏振测量装置包括自所述第三分光器8反射的光路中依次设置的第三半波片101、偏振分束器102和平衡光电探测器103；聚焦及成像装置包括显微物镜71。
所述第一分光器2用于将飞秒激光器发射的激光分束为探测光和泵浦光；所述泵浦脉冲调节组件用于接收所述第一分光器2分出的泵浦光；所述探测脉冲调节组件用于接收所述第一分光器2分出的探测光；所述第二分光器5用于反射探测脉冲调节组件出射的部分探测光作为探测参考光，所述第二分光器5还用于透射探测脉冲调节组件出射的部分探测光；所述合束器6用于将第二分光器5透射的探测光和泵浦脉冲调节组件出射的泵浦光进行准直和合束；所述显微物镜71用于将泵浦光和探测光共聚焦入射至样品表面、以及对样品表面的形貌和光斑聚焦情况微区成像；所述合束器6还适于将反射样品表面反射的反馈光透射至所述第二分光器5；所述第二分光器5还用于反射反馈光至第三分光器8；所述第三分光器8将所述第二分光器5反射的反馈光分为两路分别进入光谱测量装置和偏振测量装置。
本实施例提供的瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***，所述第一分光器用于将飞秒激光器发射的激光分束为探测光和泵浦光；所述泵浦脉冲调节组件用于接收所述第一分光器分出的泵浦光；所述探测脉冲调节组件用于接收所述第一分光器分出的探测光；所述第二分光器用于反射探测脉冲调节组件出射的部分探测光作为探测参考光，所述泵浦脉冲调节组件可以获取瞬态吸收光谱，所述探测脉冲调节组件可以测试磁光偏振效应，因此所述瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***可以实现在同一个时间延迟下可并行完成偏振和光谱探测，不仅节约了测量时间，也避免了瞬态光学测试中重复多次测量带来的不确定性。因此，所述瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***可同时测量瞬态吸收光谱与磁光偏振。
在一个实施例中，所述显微物镜具备宽光谱和微区测量的能力。在一个实施例中，所述飞秒激光器1包括激光活性材料为Yb3+：KGd(WO4)2(Yb:KGW)的飞秒激光器，所述飞秒激光器具有固定的输出功率、脉宽和重复频率，重复频率在105赫兹量级。
在一个实施例中，所述第一分光器2为半透半反镜，所述第二分光器5为半透半反镜，所述合束器6为二向色镜，所述合束器6对探测光所在波段进行透射，对泵浦光所在波段进行反射。
在一个实施例中，第一分光器2将飞秒激光器发射的部分激光投射至所述泵浦脉冲调节组件，第一分光器2将飞秒激光器发射的部分激光反射至探测脉冲调节组件。在另一个实施例中，第一分光器2将飞秒激光器发射的部分激光反射至所述泵浦脉冲调节组件，第一分光器2将飞秒激光器发射的部分激光投射至探测脉冲调节组件。
在一个实施例中，所述瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***还包括：测控计算机12，所述测控计算机12用于控制所述脉冲延迟装置42、泵浦光耦入和耦出单元32、光谱测量装置、偏振测量装置及所述聚焦及成像装置。测控计算机12用于瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***软硬件的自动控制以及信号的接收和处理。
在一个实施例中，所述泵浦脉冲调节组件还包括：自所述泵浦光参量放大器31至所述泵浦光耦入和耦出单元32的光路上依次设置的第一偏振片33、第一半波片34、第一反射镜35以及自所述泵浦光耦入和耦出单元32至所述合束器6的光路上依次设置的斩波器36和泵浦光强调节器37。
在一个实施例中，所述斩波器36的频率至少高于所述泵浦光耦入和耦出单元32的开关频率两个数量级，使得斩波器36和泵浦光耦入和耦出单元32两者不会产生频率互扰。例如，所述斩波器36的频率至少高于所述泵浦光耦入和耦出单元32的开关频率的100倍。
在一个实施例中，所述泵浦光耦入和耦出单元32为光快门。
所述泵浦光参量放大器31用于调节泵浦光的中心波长和脉宽；所述第一偏振片33用于调节泵浦光的线偏振度使得泵浦光达到较高的线偏振度；所述第一半波片34用于调节泵浦光的偏振方向；所述第一反射镜35用于将泵浦光从所述第一半波片34反射至所述泵浦光耦入和耦出单元32；所述泵浦光强调节器37用于调节泵浦光的光强；所述斩波器36用于泵浦光频率的二次调制。
所述测控计算机12控制所述泵浦光耦入和耦出单元32和所述斩波器36实现泵浦光自身的开关，所述泵浦光耦入和耦出单元32配合光谱测量装置获得有/无泵浦光下探测光的光谱变化。
在一个实施例中，所述探测脉冲调节组件还包括自所述探测光参量放大器41至所述脉冲延迟装置42的光路上依次设置的探测光强调节器43、第一聚焦透镜44、光学非线性晶体45和第二聚焦透镜46以及自所述脉冲延迟装置42至所述第二分光器5的光路上依次设置的第二偏振片47和第二半波片48。
在一个实施例中，所述脉冲延迟装置42包括第二反射镜421、第三反射镜422和一维位移台423。所述第二反射镜421和所述第三反射镜422位于所述一维位移台423上。所述第二反射镜421用于将从所述第二聚焦透镜46射出的探测光反射至所述第三反射镜422；所述第三反射镜422用于将所述第二反射镜421反射出的探测光反射至所述第二偏振片47。
在一个实施例中，所述光学非线性晶体45包括蓝宝石、氟化钙；在其他实施例中，所述光学非线性晶体还可以包括其他晶体。
所述探测光参量放大器41用于调整探测光的中心波长和脉宽；所述第一聚焦透镜44和第二聚焦透镜46配合所述光学非线性晶体45使得第二聚焦透镜46出射的探测光为超连续谱白光；所述探测光强调节器43用于调节探测光的强度。使得所述第一聚焦透镜44、光学非线性晶体45和所述第二聚焦透镜46输出超连续谱白光的光谱通过探测光参量放大器41进行调节。第一聚焦透镜44和所述第二聚焦透镜46用于提升探测光的功率密度并将所述超连续谱白光进行准直；所述脉冲延迟装置42用于调节探测光的光程以使得探测光到达样品表面的时刻和泵浦光到达样品表面的时刻之间的间隔，具体的，在泵浦光和探测光同源同频的情况下，通过测控计算机精确调整一维位移台的位置以改变探测光的光程，其中，同频是指同一个脉冲频率。所述第二偏振片47用于使探测光成为高线偏振度的光；所述第二半波片48用于调整探测光的偏振方向。
在一个实施例中，所述聚焦及成像装置还包括待测样品台72，所述显微物镜71位于所述合束器6至待测样品台72之间的光路中。
在一个实施例中，所述聚焦及成像装置还包括：可移除分光镜73、第四分光器74、照明光源75、准直透镜76和相机77；所述可移除分光镜73适于选择位于所述合束器6至所述显微物镜71之间的光路中或者从所述合束器6至所述显微物镜71的光路中移出；所述第四分光器74位于所述可移除分光镜73至所述相机77之间的光路中；所述准直透镜76位于所述照明光源75和所述第四分光器74之间的光路中。
所述第四分光器74用于将所述照明光源75发出的照明光反射至可移除分光镜73；当所述可移除分光镜选择位于所述合束器至所述显微物镜之间的光路中时，所述可移除分光镜73适于将探测光和泵浦光透射至所述显微物镜71以及将照明光反射至所述显微物镜71，所述可移除分光镜73还适于将部分所述反馈光反射至所述第四分光器74并将部分反馈光透射至合束器；所述第四分光器74还用于透射所述可移除分光镜73反射的部分反馈光至所述相机77。
在一个实施例中，所述显微物镜71包括反射式物镜。所述显微物镜71可实现对所述探测光、泵浦光和照明光的聚焦作用，还可以收集反馈光，所述显微物镜能够避免宽谱的探测光、泵浦光和照明光出现啁啾展宽、自相位调制等效应。
在一个实施例中，可移除分光镜73为半透半反镜。
在一个实施例中，所述待测样品台72用于承载样品并及对承载样品的位置进行调整；在一个实施例中，所述待测样品台72由三轴可调位移台和固定装置构成，所述固定装置位于所述三轴可调位移台上。所述固定装置上用于承载样品，所述三轴可调位移台对固定装置的位置进行调整。所述测控计算机用于控制三轴可调位移台对待测样品台72的位置实现高精度限位和定位。
在一个实施例中，所述照明光源75用于提供照明光源，所述准直透镜76用于对照明光源进行准直，所述相机77用于接收所述第四分光器74透射的部分反馈光以及接收泵浦光和探测光共聚焦状态与待测样品的表面形貌形成的图像。
在一个实施例中，所述光谱测量装置包括光纤装置以及与所述光纤装置电连接的光谱仪；所述光纤装置包括第一光纤耦合器911和第一光纤912，所述第一光纤耦合器911用于将所述探测参考光耦合到所述第一光纤912中；所述光纤装置还包括第二光纤耦合器921和第二光纤922，所述第二光纤耦合器921用于将所述探测光耦合到所述第二光纤922中；所述光谱仪91用于将所述第一光纤912传输的探测参考光的信号进行采集并将所述探测参考光的光谱进行输出；所述光谱仪91还用于将所述第二光纤922传输的探测光的信号进行采集并将所述探测光的光谱进行输出。
所述瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***在光谱探测中采用光纤装置收集探测光和探测参考光，保证了光路的稳定性，同时探测参考光的引入可消除由于探测光抖动导致的测量误差，极大提升了信噪比。
在一个实施例中，所述光谱仪91的探测器包括阵列电荷耦合器件或者阵列互补金属氧化物半导体。
在一个实施例中，所述偏振测量装置包括自所述第三分光器8反射的光路中依次设置的第三半波片101、偏振分束器102和平衡光电探测器103，所述偏振测量装置还包括所述第三分光器8至所述第三半波片101光路中的窄带滤光片104以及与所述平衡光电探测器103电学连接的锁相放大器105。使得所述瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***能够探测到偏振旋转角的光谱响应曲线。
在一个实施例中，所述斩波器36配合光谱测量装置和锁相放大器105获得有/无泵浦光下探测光的偏振变化。
所述窄带滤光片104用于筛选出反馈光在选定波长以外的多余宽谱成分以及分离出反馈光的光谱中的准单色光以进行偏振探测；所述偏振分束器102用于正交线偏振分量在空间上的分离；所述第三半波片101用于在泵浦-探测零延迟前调节调整反馈光的偏振方向以及用于平衡探测器的初始归零；所述平衡光电探测器103用于探测不同偏振分量的光强。所述平衡光电探测器103和所述锁相放大器105用于探测所述反馈光信号和再生。
在一个实施例中，所述偏振分束器102包括沃拉斯顿棱镜，所述偏振分束器102分离出的两个正交偏振光的强度相等。
在一个实施例中，所述测控计算机与所述锁相放大器105连接，所述测控计算机控制所述锁相放大器105的积分时间和平均次数，并控制所述锁相放大器105处理传回的反馈光的电信号。
在一个实施例中，所述测控计算机还控制所述光谱测量装置中的光谱仪、所述偏振测量装置中的平衡光电探测器103以及所述聚焦及成像装置中的相机和待测样品台。所述测控计算机接收并显示所述相机接收的部分反馈光的光学信息以及待测样品的表面形貌图像。所述测控计算机还可以实现高精度控制所述待测样品台的限位和定位。
本发明另一实施例还提供一种瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量方法，采用以上所述的瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***，包括以下步骤：
步骤S1：将样品固定在样品台上；
步骤S2：打开飞秒激光器，飞秒激光器发射的激光分束为探测光和泵浦光；泵浦脉冲调节组件接收所述第一分光器分出的泵浦光；探测脉冲调节组件接收所述第一分光器分出的探测光；所述第二分光器反射探测脉冲调节组件出射的部分探测光作为探测参考光，所述第二分光器透射探测脉冲调节组件出射的部分探测光；
步骤S3：根据样品的材料性质，泵浦光参量放大器调整泵浦光的中心波长和脉宽，探测光参量放大器调整探测光的中心波长和脉宽；
步骤S4：脉冲延迟装置调整探测光的光程直至泵浦光和探测光同时到达样品，此时，确定脉冲延迟装置的基准位置，光谱测量装置测试第三分光器传输的光的瞬态吸收光谱信号为最大值；
步骤S5：泵浦光耦入和耦出单元将泵浦光耦出光路，调整第三半波片和偏振分束器直至平衡探测器的输出信号为0；
步骤S6：所述脉冲延迟装置调整探测光的光程直至探测光具有测试光程且泵浦光和探测光具有测试延迟时间t；在测试延迟时间t以及泵浦光耦入和耦出单元将泵浦光耦入的条件下，光谱测量装置测试第三反光器传输的反馈光的第一光强R(t)，耦光谱测量装置测试探测参考光的第二光强Rf(t)，偏振测量装置输出差分光强ΔI；
步骤S7：泵浦光耦入和耦出单元将泵浦光耦出以及探测光具有所述测试光程条件下，光谱测量装置测试第三反光器传输的反馈光的第三光强R0(t)，光谱测量装置测试探测参考光的第四光强Rf0(t)；
步骤S8：根据第一光强R(t)、第二光强Rf(t)、第三光强R0(t)和第四光强Rf0(t)获取瞬态吸收光谱信号；根据差分光强ΔI获取瞬态磁光偏振信号Δθ。
在一个实施例中，所述探测脉冲调节组件还包括自所述探测光参量放大器至所述脉冲延迟装置的光路上依次设置的探测光强调节器、第一聚焦透镜、光学非线性晶体和第二聚焦透镜、以及自所述脉冲延迟装置至所述第二分光器的光路上依次设置的第二偏振片和第二半波片。
所述瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量方法还包括：在步骤S3之后且在步骤S4之前，通过探测光强调节器调整第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，使得第一聚焦透镜和第二聚焦透镜配合所述光学非线性晶体使得第二聚焦透镜出射的探测光为超连续谱白光；在步骤S5之前，将窄带滤光片放置在第三分光器和第三半波片之间的光路中。
瞬态吸收光谱信号ΔR(t)＝lg(R(t)×Rf0(t)/Rf(t)/R0(t))；瞬态磁光偏振信号Δθ正比于ΔI。
在一个实施例中，执行多次步骤S6，多次步骤S6中的测试光程不同、测试延迟时间t不同，获取多次步骤S6测试的第一光强的平均值
Figure BDA0003919899580000131
第二光强的平均值
Figure BDA0003919899580000132
第三光强的平均值
Figure BDA0003919899580000133
和第四光强的平均值
Figure BDA0003919899580000134
瞬态吸收光谱信号的平均值
Figure BDA0003919899580000135
Figure BDA0003919899580000136
正比于
Figure BDA0003919899580000137
平衡探测器在斩波器和锁相放大器的同步作用下直接获得与探测光偏振方向改变量成线性关系的差分光强ΔI。
在一个实施例中，所述瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量方法，在测量过程中，泵浦光耦入和耦出单元以1赫兹量级的开关频率工作，周期性地遮挡泵浦光，参考图2(a),图2(a)为所述泵浦光耦入和耦出单元的工作频率，斩波器以102赫兹量级的频率工作，并在泵浦光耦入和耦出单元打开的情况下对泵浦光产生调制作用,参考图2(b)，图2(b)为斩波器对泵浦光进行调制的信号示意图。飞秒激光源的重频在105量级，重频在105量级的光源相对于低频调制可近似看作连续光，参考图2(c),图2(c)为泵浦光在斩波器的调制作用下的光谱；在光谱测量时，在泵浦光耦入和耦出单元将泵浦光的耦入和耦出的情况下，分别获得第一光强R(t)、第二光强Rf(t)、第三光强R0(t)和第四光强Rf0(t)，参考图2(d)，图2(d)为第一光强R(t)、第二光强Rf(t)、第三光强R0(t)和第四光强Rf0(t)示意图；对于偏振测量，在泵浦光耦入和耦出单元将泵浦光的耦入的情况下，通过锁相放大器锁定斩波器频率得到ΔI，参考图2(e)，图2(e)为差分光强ΔI的示意图。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (13)

1.一种瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***，其特征在于，包括：飞秒激光器、第一分光器、泵浦脉冲调节组件、探测脉冲调节组件、第二分光器、合束器、聚焦及成像装置、第三分光器、光谱测量装置和偏振测量装置；所述泵浦脉冲调节组件包括：泵浦光参量放大器和泵浦光耦入和耦出单元，所述泵浦光参量放大器用于调节泵浦光的参量；所述泵浦光耦入和耦出单元用于泵浦光的耦入和耦出；所述探测脉冲调节组件包括探测光参量放大器和脉冲延迟装置，所述探测光参量放大器用于调节探测光的参量；所述脉冲延迟装置用于调节探测光的光程；所述偏振测量装置包括自所述第三分光器反射的光路中依次设置的第三半波片、偏振分束器和平衡光电探测器；聚焦及成像装置包括显微物镜；
所述第一分光器用于将飞秒激光器发射的激光分束为探测光和泵浦光；所述泵浦脉冲调节组件用于接收所述第一分光器分出的泵浦光；所述探测脉冲调节组件用于接收所述第一分光器分出的探测光；所述第二分光器用于反射探测脉冲调节组件出射的部分探测光作为探测参考光，所述第二分光器还用于透射探测脉冲调节组件出射的部分探测光；所述合束器用于将第二分光器透射的探测光和泵浦脉冲调节组件出射的泵浦光进行准直和合束；所述显微物镜用于将泵浦光和探测光共聚焦入射至样品表面、以及对样品表面的形貌和光斑聚焦情况微区成像；所述合束器还适于将反射样品表面反射的反馈光透射至所述第二分光器；所述第二分光器还用于反射反馈光至第三分光器；所述第三分光器将所述第二分光器反射的反馈光分为两路分别进入光谱测量装置和偏振测量装置。
2.根据权利要求1所述的瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***，其特征在于，所述泵浦脉冲调节组件还包括：自所述泵浦光参量放大器至所述泵浦光耦入和耦出单元的光路上依次设置的第一偏振片、第一半波片、第一反射镜以及自所述泵浦光耦入和耦出单元至所述合束器的光路上依次设置的斩波器和泵浦光强调节器；
所述斩波器的频率至少高于所述泵浦光耦入和耦出单元的开关频率两个数量级；
优选的，所述泵浦光耦入和耦出单元为光快门。
3.根据权利要求1所述的瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***，其特征在于，所述探测脉冲调节组件还包括自所述探测光参量放大器至所述脉冲延迟装置的光路上依次设置的探测光强调节器、第一聚焦透镜、光学非线性晶体和第二聚焦透镜、以及自所述脉冲延迟装置至所述第二分光器的光路上依次设置的第二偏振片和第二半波片；
所述第一聚焦透镜和第二聚焦透镜配合所述光学非线性晶体使得第二聚焦透镜出射的探测光为超连续谱白光。
4.根据权利要求3所述的瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***，其特征在于，所述脉冲延迟装置包括第二反射镜、第三反射镜和一维位移台；所述第二反射镜、第三反射镜位于所述一维位移台上；
所述第二反射镜用于将从所述第二聚焦透镜射出的探测光反射至所述第三反射镜；
所述第三反射镜用于将所述第二反射镜反射出的探测光反射至所述第二偏振片。
5.根据权利要求1所述的瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***，其特征在于，所述聚焦及成像装置还包括待测样品台，所述显微物镜位于所述合束器至待测样品台之间的光路中。
6.根据权利要求5所述的瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***，其特征在于，所述聚焦及成像装置还包括：可移除分光镜、第四分光器、照明光源、准直透镜和相机；所述可移除分光镜适于选择位于所述合束器至所述显微物镜之间的光路中或者从所述合束器至所述显微物镜的光路中移出；所述第四分光器位于所述可移除分光镜至所述相机之间的光路中；所述准直透镜位于所述照明光源和所述第四分光器之间的光路中；
所述第四分光器用于将所述照明光源发出的照明光反射至可移除分光镜；当所述可移除分光镜选择位于所述合束器至所述显微物镜之间的光路中时，所述可移除分光镜适于将探测光和泵浦光透射至所述显微物镜以及将照明光反射至所述显微物镜，所述可移除分光镜还适于将部分所述反馈光反射至所述第四分光器并将部分反馈光透射至合束器；所述第四分光器还用于透射所述可移除分光镜反射的部分反馈光至所述相机。
7.根据权利要求1所述的瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***，其特征在于，所述光谱测量装置包括光纤装置以及与所述光纤装置电连接的光谱仪；
所述光纤装置包括第一光纤耦合器和第一光纤，所述第一光纤耦合器用于将所述探测参考光耦合到所述第一光纤中；
所述光纤装置还包括第二光纤耦合器和第二光纤，所述第二光纤耦合器用于将所述探测光耦合到所述第二光纤中；
所述光谱仪用于将所述第一光纤传输的探测参考光的信号进行采集并将所述探测参考光的光谱进行输出；所述光谱仪还用于将所述第二光纤传输的参考光的信号进行采集并将所述探测光的光谱进行输出。
8.根据权利要求1所述的瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***，其特征在于，所述偏振测量装置还包括所述第三分光器至所述第三半波片光路中的窄带滤光片以及与所述平衡光电探测器电学连接的锁相放大器。
9.根据权利要求1所述的瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***，其特征在于，还包括：测控计算机，所述测控计算机用于控制所述脉冲延迟装置、泵浦光耦入和耦出单元、光谱测量装置、偏振测量装置及所述聚焦及成像装置。
10.一种瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量方法，采用如权利要求1至9任意一项所述的瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量***，其特征在于，包括：
步骤S1：将样品固定在样品台上；
步骤S2：打开飞秒激光器，飞秒激光器发射的激光分束为探测光和泵浦光；泵浦脉冲调节组件接收所述第一分光器分出的泵浦光；探测脉冲调节组件接收所述第一分光器分出的探测光；所述第二分光器反射探测脉冲调节组件出射的部分探测光作为探测参考光，所述第二分光器透射探测脉冲调节组件出射的部分探测光；
步骤S3：根据样品的材料性质，泵浦光参量放大器调整泵浦光的中心波长和脉宽，探测光参量放大器调整探测光的中心波长和脉宽；
步骤S4：脉冲延迟装置调整探测光的光程直至泵浦光和探测光同时到达样品，此时，确定脉冲延迟装置的基准位置，光谱测量装置测试第三分光器传输的光的瞬态吸收光谱信号为最大值；
步骤S5：泵浦光耦入和耦出单元将泵浦光耦出光路，调整第三半波片和偏振分束器直至平衡探测器的输出信号为0；
步骤S6：所述脉冲延迟装置调整探测光的光程直至探测光具有测试光程且泵浦光和探测光具有测试延迟时间t；在测试延迟时间t以及泵浦光耦入和耦出单元将泵浦光耦入的条件下，光谱测量装置测试第三反光器传输的反馈光的第一光强R(t)，耦光谱测量装置测试探测参考光的第二光强Rf(t)，偏振测量装置输出差分光强ΔI；
步骤S7：泵浦光耦入和耦出单元将泵浦光耦出以及探测光具有所述测试光程条件下，光谱测量装置测试第三反光器传输的反馈光的第三光强R0(t)，光谱测量装置测试探测参考光的第四光强Rf0(t)；
步骤S8：根据第一光强R(t)、第二光强Rf(t)、第三光强R0(t)和第四光强Rf0(t)获取瞬态吸收光谱信号；根据差分光强ΔI获取瞬态磁光偏振信号Δθ。
11.根据权利要求10所述的瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量方法，其特征在于，所述探测脉冲调节组件还包括自所述探测光参量放大器至所述脉冲延迟装置的光路上依次设置的探测光强调节器、第一聚焦透镜、光学非线性晶体和第二聚焦透镜、以及自所述脉冲延迟装置至所述第二分光器的光路上依次设置的第二偏振片和第二半波片；
所述瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量方法还包括：在步骤S3之后且在步骤S4之前，通过探测光强调节器调整第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，使得第一聚焦透镜和第二聚焦透镜配合所述光学非线性晶体使得第二聚焦透镜出射的探测光为超连续谱白光；在步骤S5之前，将窄带滤光片放置在第三分光器和第三半波片之间的光路中。
12.根据权利要求10所述的瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量方法，其特征在于，瞬态吸收光谱信号ΔR(t)＝lg(R(t)×Rf0(t)/Rf(t)/R0(t))；瞬态磁光偏振信号Δθ正比于ΔI。
13.根据权利要求10所述的瞬态吸收光谱和磁光偏振并行测量方法，其特征在于，执行多次步骤S6，多次步骤S6中的测试光程不同、测试延迟时间t不同，获取多次步骤S6测试的第一光强的平均值
Figure FDA0003919899570000041
第二光强的平均值
Figure FDA0003919899570000042
第三光强的平均值
Figure FDA0003919899570000043
和第四光强的平均值
Figure FDA0003919899570000044
瞬态吸收光谱信号的平均值
Figure FDA0003919899570000045
Figure FDA0003919899570000046
正比于
Figure FDA0003919899570000047
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