CN115901680A - 一种用于磁性二维材料超快时间分辨检测的透射*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于磁性二维材料超快时间分辨检测的透射***，包括飞秒激光光源、激光分束单元、泵浦光路、泵浦光路、低温磁场***、单波长瞬态透射率数据采集***和瞬态吸收光谱数据采集***；所述激光分束单元包括第一分束镜和第二分束镜；所述飞秒激光光源与第一分束镜光路连接，所述第一分束镜与探测光路和泵浦光路光路连接，所述探测光路和泵浦光路与低温磁场***光路连接，所述低温磁场***与第二分束镜光路连接。本发明提供了一种用于磁性二维材料超快时间分辨检测的透射***，可根据需求切换使用单波长瞬态透射率测试或者宽带瞬态吸收光谱测试，在同一***中实现两种测试技术为简化实验设备和提高工作效率提供了极大的便利。

Description

一种用于磁性二维材料超快时间分辨检测的透射***

技术领域

本发明属于超快光谱测量技术领域，具体涉及一种用于磁性二维材料超快时间分辨检测的透射***。

背景技术

超快时间分辨瞬态吸收光谱是一种泵浦-探测技术，其原理是用一束较强的光作为泵浦光激发样品，将基态的粒子泵浦到激发态，同时用另一束较弱的光作为探测光，探测激发态能级上粒子数随时间的变化。该技术已被广泛应用于物理、化学、材料、生物等众多领域的科学研究。基于超短脉冲激光的超快瞬态吸收光谱技术就像一台拥有高速快门的相机，可以对固体、液体、气体材料进行闪照，包括物理、化学分子体系光生载流子弛豫，生物分子反应等过程进行超快时间尺度的测量与研究。

然而对于目前研究热情极高的磁性二维材料，表现出许多独特的物理性质：具有磁各向异性的二维磁性材料可在有限温度下和单层极限下形成磁有序，其宏观磁性与层数、堆叠形式等密切相关且其磁交换作用可被多种外场调控，这些新奇特性赋予了磁性二维材料丰富的物理内涵和潜在的应用价值。常规的磁性材料测试技术如PPMS、中子源等的确能够非常详细地研究其磁学性质，例如：磁滞回线、热磁曲线、磁感应强度矫顽力、磁导率、散射谱和衍射谱等等。

但是在时间维度上，目前并没有出现一种超快时间分辨检测的透射***，以针对磁性二维材料这种透光性极好的层状材料在低温或强磁场中表现出本征的磁学性质进行电声子耦合、磁性相变和自旋动力学等深入研究。传统的稳态观测方式无法精准捕捉样品内在的动力学变化，例如光致磁化和光致磁相变等。因此，现急需提供一种针对磁性二维材料能够施加外场进行超快时间分辨动力学与瞬态光谱测试的透射***，以解决在时间尺度和光谱尺度上对磁性二维材料综合测试的技术不足问题。

发明内容

本发明采用的技术方案为一种用于磁性二维材料超快时间分辨检测的透射***，可根据需求切换使用单波长瞬态透射率测试或者宽带瞬态吸收光谱测试，在同一***中实现两种测试技术为简化实验设备和提高工作效率提供了极大的便利。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于磁性二维材料超快时间分辨检测的透射***，包括飞秒激光光源、激光分束单元、泵浦光路、泵浦光路、低温磁场***、单波长瞬态透射率数据采集***和瞬态吸收光谱数据采集***；

所述激光分束单元包括第一分束镜和第二分束镜；

所述飞秒激光光源与第一分束镜光路连接，所述第一分束镜与探测光路和泵浦光路光路连接，所述探测光路和泵浦光路与低温磁场***光路连接，所述低温磁场***与第二分束镜光路连接，所述第二分束镜与单波长瞬态透射率数据采集***和瞬态吸收光谱数据采集***光路连接。

进一步的，所述泵浦光路包括依次构成光路连接的光学参量放大器、光学斩波器、时间延迟控制***、反射镜M1、泵浦光偏振角分辨***和聚焦入射***；

其中，所述时间延迟控制***由精密电动位移台搭载中空角回射镜组成；

所述泵浦光偏振角分辨***包括依次构成光路连接的可变衰减器、λ/4波片、偏振器。

所述聚焦入射***包括依次构成光路连接的第一聚焦透镜和反射镜M2。

进一步的，还包括挡板，当泵浦光路输出端的光穿过低温磁场***后由挡板拦截。

进一步的，所述探测光路包括光路补偿***、超连续白光生成***、选通入射***；

所述光路补偿***包括依次构成光路连接的第二可变衰减器、反射镜M3、反射镜M4、反射镜M5、反射镜M6；

所述超连续白光生成***包括依次构成光路连接的第一光阑、第一双胶合透镜、比色皿、第二双胶合透镜、第二光阑，比色皿中设置有重水；

所述选通入射***包括依次构成光路连接的反射镜M7、800nm带通滤光片和800nm陷波滤光片转换套件、第三可变衰减器、反射镜M8、平凹反射镜。

进一步的，所述单波长瞬态透射率数据采集***包括依次构成光路连接的800nm带通滤波器、第二聚焦透镜、光电探测器，且光电探测器与锁相放大器电性连接，锁相放大器与光学斩波器电性连接。

进一步的，所述瞬态吸收光谱数据采集***包括依次构成光路连接的离轴抛物面镜和光纤探测器，所述光纤探测器与高速光谱仪电性连接，所述高速光谱仪与光学斩波器电性连接。

进一步的，所述锁相放大器和高速光谱仪与计算机电性连接。。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供了一种用于磁性二维材料超快时间分辨检测的透射***，可根据需求切换使用单波长瞬态透射率测试或者宽带瞬态吸收光谱测试，在同一***中实现两种测试技术为简化实验设备和提高工作效率提供了极大的便利。

2.通常来说，大部分磁性材料在常温和零磁场的条件下展现出的光学性质与普通非磁性材料一般无二，只有在极端环境(如极低温或强磁场)中才能表现出材料本征的磁学或光学性质，而本发明提供了一种将超快检测技术和低温磁场***结合的测试平台，为磁性二维材料的特性研究带来了多维度(温度、磁场、激发强度、激发光子能量等)的全面诊断。

3.由于二维材料的各向异性特性极为突出，本发明通过加装λ/4波片和偏振器实现了泵浦脉冲偏振角度的可调，以满足不同偏振角度的泵浦光对待测样品的激发，从而带来更为全面的实验分析。

4.本发明在入射至待测样品之前使用了第一聚焦透镜和平凹反射镜分别对泵浦光和探测光聚焦，利用不同焦距的透(反)聚焦镜可以有效调节两束光在待测样品处的重叠。

附图说明

图1为本发明的用于磁性二维材料超快时间分辨检测的透射***的模块示意图。

图2为本发明的用于磁性二维材料超快时间分辨检测的透射***的完整光学结构示意图。

其中，1-飞秒激光光源；2-第一分束镜；3-1-光学参量放大器(OPA)；3-2-光学斩波器；3-3-精密电动位移台；3-4-中空角回射镜；3-5-反射镜M1；3-6-第一可变衰减器；3-7-λ/4波片；3-8-偏振器；3-9-第一聚焦透镜；3-10-反射镜M2；3-11-挡板；4-1-第二可变衰减器；4-2-反射镜M3；4-3-反射镜M4；4-4-反射镜M5；4-5-反射镜M6；4-6-第一光阑；4-7-第一双胶合透镜；4-8-重水；4-9-第二双胶合透镜；4-10-第二光阑；4-11-反射镜M7；4-12-转换套件；4-13-第三可变衰减器；4-14-反射镜M8；4-15-平凹反射镜；5-低温磁场***；6-第二分束镜；7-1-带通滤波器；7-2-第二聚焦透镜；7-3-光电探测器；7-4-锁相放大器；8-1-离轴抛物面镜；8-2-光纤探测器；8-3-高速光谱仪；9-计算机。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细陈述。

如图1所示，本发明实施例提供了一种用于磁性二维材料超快时间分辨检测的的透射***，包括：飞秒激光光源1、第一分束镜2、泵浦光路3、探测光路4、低温磁场***5、第二分束镜6、单波长瞬态透射率数据采集***7、瞬态吸收光谱数据采集***8和计算机9。其中，待测样品放入低温磁场***5，飞秒激光光源1用于产生飞秒脉冲激光；第一分束镜2用于将所述飞秒脉冲激光分为泵浦光路3和探测光路4，泵浦光路3是飞秒激光光源1经过第一分束单元2后较强的一束光，以其超短脉冲和超高能量的特性激发待测样品，使其价电子从基态跃迁至激发态，产生微观物理机制的改变；探测光路4是飞秒激光光源1经过第一分束镜2后较弱的一束光，用于泵浦-探测研究中探测待测样品激发态载流子随时间的变化，所述光束在探测光路4中可通过超连续白光生成***产生超连续白光，从而实现用宽谱带光作为瞬态吸收光谱的探测光，由此可得到瞬态吸收光谱信息，实现多手段对物质瞬态变化的描述；第二分束镜6用于选取单波长瞬态透射率或瞬态吸收光谱的实验信号；单波长瞬态透射率数据采集***7用于采集单波长瞬态透射率的数据信号；瞬态吸收光谱数据采集***8用于采集瞬态吸收光谱产生的数据信号。

具体地，本发明实施例中采用飞秒脉冲激光光源1产生飞秒激光脉冲，这里采用的是钛宝石飞秒激光***，包括激光振荡器和激光放大器。其中振荡器输出的飞秒激光能量低、重复频率高，不能直接用于实验，所以随即作为种子源输入到放大器中进行放大。基于啁啾脉冲放大(CPA)技术，放大器最终输出的激光为重复频率为1kHz，脉宽为35fs，中心波长为800nm的飞秒脉冲激光。

进一步的，所述飞秒激光光源1发出的飞秒脉冲激光经第一分束单元2按照9:1的比例分成两束光，其中较强的光进入所述泵浦光路3，较弱的光进入所述探测光路4。

飞秒激光光源1经过第一分束单元2后较强的一束光进入泵浦光路3，以其超短脉冲和超高能量的特性激发样品，使其价电子从基态跃迁至激发态，产生微观物理机制的改变。所述光束在泵浦光路3中可经过准直、波长调谐、光学频率调制、偏振方向调节及精密延迟线以改变泵浦光的状态或位置，从而实现多维度的探究物质激发态的微观变化特性。

具体地，如图2所示，所述泵浦光路3包括光学参量放大器3-1、光学斩波器3-2、时间延迟控制***3-3和3-4、反射镜M13-5、泵浦光偏振角分辨***3-6至3-8、聚焦入射***3-9和3-10、挡板3-11。

所述光学参量放大***3-1能够对泵浦光进行波长的调谐，800nm的基频光进入光学参量放大***3-1中，根据实验的需要可选择输出200～2600nm任意波长的激光作为泵浦光。并且由于***的三级放大原理，输出的任意波长的激光能量均能满足样品激发的要求。

所述光学斩波器3-2用于对波长调谐后的泵浦光束进行光学调制，以改变泵浦光束的频率，从而起到脉冲开关的作用。例如本发明实施例中的激光器输出时的重复频率为1kHz，光学斩波器3-2采用500Hz的频率对其进行光学调制，调制后的泵浦光束频率变为500Hz。具体地，采用1/2频率调制的方式能够实现有泵浦光(pump-on)和无泵浦光(pump-off)的完全分离，从而提高信号采集的强度。将调制后的激光光束输送至时间延迟控制***3-3和3-4，并将调制电信号作为触发信号输入到锁相放大器7-4和高速光谱仪8-3中。

所述时间延迟控制***由精密电动位移台3-3搭载中空角回射镜3-4组成，用于精确控制泵浦光路3的光程，以实现泵浦光束和探测光束的相对时间延迟。具体地，超快泵浦探测实验中由泵浦光先到达样品对其进行激发，随后探测光到达样品进行探测，随着探测光延迟时间的增加，逐一记录样品激发态载流子的状态。由于时间延迟***设置在泵浦光路3中，所以在实际测量中电动位移台是向泵浦光光程减小的方向移动，即负延迟方向。

进一步的，本发明实施例中，电动位移台的可控精度为1μm，最小可控时间分辨率应为两倍光程的结果，即Δτ＝2Δl/c＝6.67fs。

所述经时间延迟***输出的泵浦光由所述反射镜M13-5反射进入所述泵浦光偏振角分辨***。

所述泵浦光偏振角分辨***，依次由第一可变衰减器3-6、λ/4波片3-7、偏振器3-8组成，用于调控泵浦光的偏振方向，实现偏振角分辨的泵浦光激发，以满足低维材料等各向异性极为突出的材料的不同偏振光下的研究。

进一步的，偏振角分辨***中的第一可变衰减器3-6用于调控泵浦光激发通量，使其适用于不同损伤阈值的待测样品。泵浦光束通过可变衰减器进行一定的功率调节后，先经过λ/4波片3-7调制为圆偏振光，此时波片的旋转角度为45°，再经过偏振器3-8改变为线偏振光，此时偏振器的刻度方向即为泵浦光束的偏振方向，实现了泵浦光偏振角分辨的调控。这样设置的优势在于，波片以旋转45°固定不变，偏振器转动即可调节泵浦光偏振方向，并且不会引起激发通量的改变。

所述聚焦入射***用于将偏振角分辨***调制后的泵浦光以预设角度聚焦至待测样品表面，由第一聚焦透镜3-9对光束进行聚焦，并通过反射镜M23-10调整泵浦光斑在待测样品表面的位置，当泵浦光穿过待测样品后由挡板3-11拦截。

如图2所示，飞秒激光光源1经过第一分束镜2后较弱的一束光进入探测光路4，用于泵浦-探测研究中探测待测样品激发态载流子随时间的变化，所述光束在探测光路4中可通过超连续白光生成***产生超连续白光，从而实现宽谱带光作为泵浦探测瞬态吸收光谱的探测光，由此可得到瞬态吸收光谱信息，实现多手段对物质瞬态变化的描述。

所述探测光路4包括光路补偿***、超连续白光生成***、选通入射***。

所述光路补偿***由第二可变衰减器4-1、反射镜M34-2、M44-3、M54-4、M64-5组成，用于增加探测光光程，使得泵浦光与探测光同时到达待测样品表面时可实现时间和空间上的重合，以确定时间零点，第二可变衰减器4-1用于调节探测光进入超连续白光生成***时的功率，以确保激发超连续白光的质量。

所述超连续白光生成***由探测光束经光路补偿***后经过第一光阑4-6收束后，通过第一双胶合透镜4-7聚焦至比色皿中的重水4-8，由于非线性效应产生宽谱带的超连续白光，再经过第二双胶合透镜4-9准直后，通过第二光阑4-10收束，实现探测光由窄带的800nm近红外光转换成400-960nm的超连续白光，可用于瞬态吸收光谱的探测光。

进一步的，选择重水作为产生超连续白光的非线性介质，其优势在于，重水相比于蓝宝石(Al₂O₃)和氟化钙(CaF₂)等晶体介质，其损伤阈值高、光谱稳定且价格低廉。比色皿的光程为3mm，即光束在重水中的传播距离为3mm，这是超连续白光产生中的光束传播最优长度。通过组合调节第二可变衰减器4-1和第一光阑4-6，控制基频光的光强与孔径即可得到稳定的超连续白光。

优选地，一般形成稳定白光的基频光脉冲能量在1μJ左右，光阑的开孔直径约2mm。

所述选通入射***由反射镜M74-11、800nm带通滤光片和800nm陷波滤光片转换套件4-12、第三可变衰减器4-13、反射镜M84-14、平凹反射镜4-15组成。由探测光路4经超连续白光生成***调制后，用于选择通过800nm基频光或宽谱带超连续白光作为探测光，并调整所述探测光束入射至样品的角度。

进一步的，所述800nm带通滤光片和800nm陷波滤光片用于选通和滤除800nm的基频光，并放置于90°翻转安装座上，当使用单波长瞬态透射***时可将90°翻转安装座上的带通滤光片翻上，陷波滤光片翻下，以筛选800nm窄带探测光的通过。反之，当使用瞬态吸收光谱***时将陷波滤光片翻上，带通滤光片翻下，以滤除800nm的基频光，使得宽谱带的超连续白光可以通过。

进一步的，所述平凹反射镜4-15用于将探测光束聚焦，并调整所述光束入射至样品的角度，使得探测光垂直入射至待测样品表面。

具体地，在本发明实施例中，泵浦光路3得到的泵浦光聚焦至待测样品上的光斑直径一般为探测光路4得到的探测光聚焦至待测样品上的光斑直径的两倍，面积则为四倍关系，一般来说，探测光保证垂直入射待测样品表面，通过调节泵浦光路3中的反射镜M23-10将泵浦光的光斑与探测光的光斑中心完全重合，使得由于泵浦光激励待测样品所引起的信号变化能够完全被探测光捕捉到。

本发明实施例中提供的用于磁性二维材料超快时间分辨检测的透射***中还包括：低温磁场***。

所述待测样品设置在所述低温磁场***的真空样品腔内。

具体地，本发明实施例中的低温磁场***搭配的是双锥型劈裂磁体和液氦循环冷却***，能够为待测样品提供±5T的超大磁场和3.5K～320K全温区精准控温的极端环境，此外真空度可以达到10-7mbar。低温磁场***中设有真空玻璃窗口和真空计，泵浦光和探测光通过真空玻璃窗口进入和传出低温磁场***。

如图2所示，在上述实施例的基础上，探测光穿过待测样品后由第二分束镜6按1:1的光强比例将探测光分为两束，分别为：所述透射光进入单波长瞬态透射率数据采集***，所述反射光进入瞬态吸收光谱数据采集***。

本发明实施例中提供的用于磁性二维材料超快时间分辨检测的透射***，所述单波长瞬态透射率数据采集***，用于采集单波长瞬态透射率的信号数据。包括：800nm带通滤波器7-1、第二聚焦透镜7-2、光电探测器7-3、锁相放大器7-4、光学斩波器3-2和计算机9，用于接收并处理所述探测光透射过待测样品5后得到的透射光信号，确定并记录瞬态透射率的变化。

所述800nm带通滤波器7-1用于过滤除800nm以外的杂散光束，以实现光电探测器只接受到800nm的基频光探测信号，确保信噪比的提高。

所述第二聚焦透镜7-2用于对所述光束的聚焦和准直，确保探测光能够全部被光电探测器收集。

所述光电探测器7-3用于接收800nm基频光的透射信号，并将光信号转换为电信号，随后将其传输至锁相放大器，以确定所述待测样品5的瞬态透射率变化。

所述锁相放大器7-4用于对光电探测器转换后的电信号进行放大调制和数据运算。

所述计算机9(处理单元)用于将锁相放大器调制后的信号数据进行处理和存储。

所述瞬态吸收光谱数据采集***包括离轴抛物面镜8-1、光纤探测器8-2、高速光谱仪8-3、光学斩波器3-2和计算机9，用于接收并处理所述超连续白光透射过待测样品5后得到的透射光信号，确定并记录超连续白光光谱的变化。

优选地，选用离轴抛物面镜8-1对所述光束进行准直与聚焦，选择使用反射式聚焦镜的原因是为了避免超连续白光引入额外的啁啾。

所述光纤探测器8-2用于接收透射过所述待测样品5后的超连续白光信号，并将其传输至高速光谱仪。

优选地，使用高速光谱仪8-3采集和处理瞬态吸收光谱信号。

计算机9(处理单元)接收到锁相放大器7-4或高速光谱仪8-3传来的透射光信号后，基于LabVIEW和AvaSoft软件对待测样品5的透射光信号进行分析处理，确定待测样品中光生载流子的超快动力学与瞬态吸收光谱特性。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于磁性二维材料超快时间分辨检测的透射***，其特征在于：包括飞秒激光光源、激光分束单元、泵浦光路、低温磁场***、单波长瞬态透射率数据采集***和瞬态吸收光谱数据采集***；

所述激光分束单元包括第一分束镜和第二分束镜；

所述飞秒激光光源与第一分束镜光路连接，所述第一分束镜与探测光路和泵浦光路光路连接，所述探测光路和泵浦光路与低温磁场***光路连接，所述低温磁场***与第二分束镜光路连接，所述第二分束镜与单波长瞬态透射率数据采集***和瞬态吸收光谱数据采集***光路连接。

2.根据权利要求1所述的用于磁性二维材料超快时间分辨检测的透射***，其特征在于：所述泵浦光路包括依次构成光路连接的光学参量放大器、光学斩波器、时间延迟控制***、反射镜M1、泵浦光偏振角分辨***和聚焦入射***；

其中，所述时间延迟控制***由精密电动位移台搭载中空角回射镜组成；

所述泵浦光偏振角分辨***包括依次构成光路连接的可变衰减器、λ/4波片、偏振器。

所述聚焦入射***包括依次构成光路连接的第一聚焦透镜和反射镜M2。

3.根据权利要求2所述的用于磁性二维材料超快时间分辨检测的透射***，其特征在于：还包括挡板，当泵浦光路输出端的光穿过低温磁场***后由挡板拦截。

4.根据权利要求3所述的用于磁性二维材料超快时间分辨检测的透射***，其特征在于：所述探测光路包括光路补偿***、超连续白光生成***、选通入射***；

所述光路补偿***包括依次构成光路连接的第二可变衰减器、反射镜M3、反射镜M4、反射镜M5、反射镜M6；

所述超连续白光生成***包括依次构成光路连接的第一光阑、第一双胶合透镜、比色皿、第二双胶合透镜、第二光阑，比色皿中设置有重水；

所述选通入射***包括依次构成光路连接的反射镜M7、800nm带通滤光片和800nm陷波滤光片转换套件、第三可变衰减器、反射镜M8、平凹反射镜。

5.根据权利要求4所述的用于磁性二维材料超快时间分辨检测的透射***，其特征在于：所述单波长瞬态透射率数据采集***包括依次构成光路连接的800nm带通滤波器、第二聚焦透镜、光电探测器，且光电探测器与锁相放大器电性连接，锁相放大器与光学斩波器连接。

6.根据权利要求5所述的用于磁性二维材料超快时间分辨检测的透射***，其特征在于：所述瞬态吸收光谱数据采集***包括依次构成光路连接的离轴抛物面镜和光纤探测器，所述光纤探测器与高速光谱仪电性连接，所述高速光谱仪与光学斩波器连接。

7.根据权利要求6所述的用于磁性二维材料超快时间分辨检测的透射***，其特征在于：所述锁相放大器和高速光谱仪与计算机连接。

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