專利名稱：雙光束－兩角度超短脈沖激光抽運探測方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種超短脈沖激光測試技術，特指雙光束-兩角度超短脈沖激光抽運探測方法及其裝置，其采用超短脈沖激光器，利用泵浦探測技術定量研究物質結構磁性轉變超快動力學過程，屬于激光測試技術與材料科學領域，能實現(xiàn)對多種材料的晶體與薄膜結構內部超快轉變過程的測試。
背景技術：
太赫茲工作頻率微結構目前是微納米科學領域的研究熱點和難點，相當多的科學工作者正在致力于設計制作各種用于微執(zhí)行、微驅動器的太赫茲微結構，但成功的報道極少。
磁性轉變研究是物理學中的一個重要分支，也是材料科學家普遍關心和重視的研究領域。物質在磁性轉變點附近往往不僅微觀結構發(fā)生變化，而且宏觀物理性能也發(fā)生激烈的變化，因此，對于磁性轉變特性和磁性轉變機理的研究一直是人們感興趣的課題。材料結構磁性轉變是重要的基礎科學命題，是材料科學、凝聚態(tài)物理等科學研究的重要理論基礎，對新材料研發(fā)、加工和制造技術影響重大。以材料結構磁性轉變?yōu)榧夹g特征的產業(yè)幾乎覆蓋了當前絕大部分的高新技術行業(yè)，如功能和結構材料的制造業(yè)、航空航天、微電子、光電子、通訊產業(yè)、信息傳輸與存儲、生物環(huán)保材料等高技術產業(yè)。深入理解材料表面或內部的結構磁性轉變動力學過程，實現(xiàn)有效控制和開發(fā)將會對上述高新產業(yè)產生巨大的推動作用，為太赫茲工作頻率微器件的設計制造提供堅實的理論依據。
但是，由于磁性轉變過程是典型的超快過程，以固體材料內部原子的運動時間為標度，磁性轉變發(fā)生的時間范圍約在幾十到幾百飛秒之間(1fs＝10-15s)，無論是微觀或是宏觀的測量方法，都必須有足夠高的時間分辨率，否則只能通過測試信號中的異常突變來確定磁性轉變點和磁性轉變前后的物性參數(shù)變化，對于磁性轉變超快過程卻是無能為力。因此只有使用超高時間分辨率的超快探測技術才有可能對磁性轉變的動力學過程進行研究。所以，迄今為止對物質磁性轉變超快過程動力學過程的研究手段相當匱乏，對磁性轉變超快過程的物理機制的認識仍然十分有限。
九十年代以來，超快短脈沖激光技術飛速發(fā)展，目前光脈沖已由納秒、皮秒進入飛秒階段，最短的光脈沖已達4fs的國際最高指標，而10fs以上的飛秒激光器在九十年代末已經水平化，這極大地推動了超快激光技術的廣泛應用研究。目前，利用飛秒超快技術研究物質結構磁性轉變的工作開展的不多，但是應用短脈沖光研究物質結構磁性轉變過程有很多的方法被提出來，如光反射和透射法，非線性光學效應法，拉曼散射法等等。它們雖然能對晶體短程有序結構磁性轉變能提供有用信息，但是對長程有序結構磁性轉變以及熔化和非晶化等磁性轉變過程無法進行有效測試，測試的重點也是集中在對光反射、二次諧波和晶格參數(shù)的研究，不能直接進行磁性轉變過程的動力學研究。同時這些方法都是皮秒級以上的超快測試方法，對飛秒級的超快磁性轉變過程仍然是顯得時間分辨率遠遠不夠，無法直接進行磁性轉變過程動力學研究。

發(fā)明內容
為了克服以前研究工作的不足，實現(xiàn)對材料內部超快過程的飛秒級定量測試，并實現(xiàn)對材料瞬時復介電常數(shù)的測定，本發(fā)明提出了一種新的測試方法——雙光束-兩角度超短脈沖激光抽運探測方法。
當超短脈沖激光入射到光各向同性的試樣表面時，會在平行或垂直于入射平面的方向發(fā)生偏振，反射光線也具有和入射光線同樣的偏振特性；但是當材料為光各向異性時，反射光線就會包含不同于入射波偏振特性的成份。
基于這種光的各向異性現(xiàn)象，本發(fā)明的試驗方法是將入射探測激光束單一P(或S)極化后入射，在反射探測光束定量測定S(或P)極化的幅值大小，用以描述這種包含各向異性相位轉變的動力學過程。同時直接測定磁性轉變微區(qū)介電常數(shù)的時變過程，觀察材料內在光學特性的瞬態(tài)變化。以往的試驗對光反射和二次諧波數(shù)據的解釋，經常是依靠對電介質函數(shù)的函數(shù)形式的假定，而電介質常數(shù)是材料最重要的三個物理參數(shù)之一，它直接反映材料內部電磁場和光學性質的變化。為了能夠通過菲涅耳反射公式求解出金屬電介質常數(shù)實數(shù)和虛數(shù)部分，必須進行兩個獨立的測量。而本發(fā)明提出的雙光束-兩角度超短脈沖激光抽運探測方法正是分別利用兩條獨立的探測光線(雙光束)對材料進行測試，剛好完美的解決了這一問題，實現(xiàn)對復介電常數(shù)時變過程的測定。
本發(fā)明所提出的裝置由超短脈沖激光器、分束鏡、時間延遲線、鏡片、波片、聚焦鏡、光電探測器、鎖相放大器等裝置依次連接組成。
其中所述的超短脈沖激光器為納秒激光器、皮秒激光器、飛秒激光器。
本發(fā)明所述的方法為激光脈沖由超短脈沖激光器發(fā)射，經過分束鏡后被分成兩束，一束作為抽運光，一束作為探測光。探測光通過時間延遲線后再經過一個分束鏡，分成兩束以不同的角度入射到樣品表面，然后由兩個光電探測器分別在反射方向上獨立接收信號，最后通過鎖相放大器由電腦采集信號，由電腦將得到的兩組數(shù)據進行處理，得到樣品光學特性曲線。
如采用鈦寶石飛秒激光器實施該測試方法，其發(fā)射的激光脈沖寬度為30fs，中心波長798nm，輸出功率560mW，重復頻率82MHz。
因為材料的介電常數(shù)直接反映了材料內在的光學特性，同時光束極化幅值可以定量描述這種包含各向異性相轉變的動力學過程。
本發(fā)明的優(yōu)點是可結合材料的介電常數(shù)和光束極化幅值兩方面的探測，實現(xiàn)對轉變過程物性參數(shù)的精確測定。超短脈沖激光抽運—探測技術是采用光學位移延遲的方法將飛秒級的時間分辨轉化為位移分辨，一般10fs的時間分辨通過約3μm的位移延遲就做到。因此，能以10fs甚至更小的時間分辨率精細觀測物質結構轉變的超快過程，從而對物質結構轉變探測技術的時間分辨率從皮秒突破到了飛秒級別。


圖1雙光束-兩角度超短脈沖激光抽運探測實驗裝置示意圖1超短脈沖激光器 2放大級 3分束鏡 4時間延遲線 5探測光 6抽運光 7斬波器8反射鏡 9透鏡 10光電探測器A 11光電探測器B 12起偏鏡 13鎖相放大器 14計算機 15樣品 16波片 17聚焦鏡具體實施方式
以圖1所示的雙光束-兩角度抽運探測裝置示意圖為例，具體說明本發(fā)明中試驗裝置與樣品的細節(jié)與探測過程中的具體實施方式
。
測試對象以超磁致伸縮材料薄膜為例利用直流磁控濺射方法制備了TbDyFe和NiMnGa兩種超磁致伸縮材料薄膜，鍍膜的底片有硅片和玻璃兩種。制備薄膜是所用靶材為Tb0.3Dy0.7Fe2(99.9％)和Ni2MnGa(99.9％)合金，鍍膜底片是厚度為0.5mm為硅片和玻璃片，真空度為2×10-5Pa，濺射氣體是壓力為0.6Pa的高純度氬氣。濺射功率為60W，濺射速度0.06nm/s，最后得到的薄膜厚度約為600nm。另外的試驗樣品還有GaAs和InAs晶體。
首先，飛秒激光器1發(fā)射出飛秒脈沖，經過放大級2放大，并被第一分束鏡3分成兩束，較強的作為抽運光6，較弱的作為探測光5通過第一時間延遲線4；然后在通過第二分束鏡3時，分出第二束探測光5，此時的分束比率與第一分束鏡3不同，透過第二分束鏡3的光被第二條時間延遲線延遲4后作為第二束探測光作用到樣品15上。抽運光經過能量放大通過斬波器7在特定頻率被調制，并由反射鏡8改變方向。而為了減少相干造成的假象，抽運光和探測光要垂直極化。為了抑制抽運光產生的噪聲，在探測器10前面要放置一個偏振方向和抽運光垂直的起偏鏡12，使探測光通過后獲得更高的信噪比。兩束探測光通過波片16調整和聚焦鏡17聚焦后照射在樣品15表面。在兩條延遲線運動的過程中，焦點的位置保持不變；抽運光光斑面積要比探測光大，目的是使探測光探測到的激發(fā)區(qū)域一致。兩束探測光分別以不同的角度入射到樣品15表面，在各自的反射方向上通過兩個探測器10進行信號探測，得到兩個獨立的測量。計算機14用來改變抽運光和兩條探測光之間的時間延遲，同時從鎖相放大器13中采集數(shù)據。得到的兩組數(shù)據經過處理，結合菲涅耳反射公式，可以分別得到樣品介電常數(shù)的實部與虛部隨時間變化的曲線。
而對不同樣品超快動力學過程的測試，除了介電常數(shù)的測定，本發(fā)明還可以實現(xiàn)在不同的試驗條件下對反射率、透射率和光信號幅值的時變過程的測定，此時可對圖1中的試驗裝置進行改動，減少一個分束鏡，只保留一個探測光束對樣品表面進行測試；或者讓兩束探測光束作用到不同的區(qū)域內，觀察抽運光作用范圍中心與邊緣的反射率與透射率的變化，得到兩組數(shù)據進行比較。隨后的信號探測和數(shù)據采集與測量介電常數(shù)時是一樣的。在測定透射率時，光信號探測器的位置要從探測光的反射方向轉移到樣品的后面，即探測光的透射方向來采集信號。
權利要求
1.雙光束—兩角度超短脈沖激光抽運探測方法，其特征是激光脈沖由超短脈沖激光器發(fā)射，經過分束鏡后被分成兩束，一束作為抽運光，一束作為探測光，探測光通過時間延遲線后再經過一個分束鏡，分成兩束以不同的角度入射到樣品表面，然后由兩個光電探測器分別在反射方向上獨立接收信號，最后通過鎖相放大器由電腦采集信號，由電腦將得到的兩組數(shù)據進行處理，得到樣品光學特性曲線。
2.根據權利要求1所述的雙光束—兩角度超短脈沖激光抽運探測方法，其特征是所述的樣品光學特性包括介電常數(shù)、反射率、透射率和光信號幅值。
3.實施權利要求1所述的方法的裝置，其特征是由超短脈沖激光器(1)、分束鏡(3)、時間延遲線(4)、鏡片、波片(16)、聚焦鏡(17)、光電探測器(10、11)、鎖相放大器(13)依次連接組成。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特征是在探測器(10)前面放置一個偏振方向和抽運光垂直的起偏鏡(12)。
全文摘要
本發(fā)明是一種超短脈沖激光測試技術，特指雙光束－兩角度超短脈沖激光抽運探測方法及其裝置，激光脈沖由超短脈沖激光器發(fā)射，經過分束鏡后被分成兩束，一束作為抽運光，一束作為探測光。探測光通過時間延遲線后再經過一個分束鏡，分成兩束以不同的角度入射到樣品表面，然后由兩個光電探測器分別在反射方向上獨立接收信號，最后通過鎖相放大器由電腦采集信號，由電腦將得到的兩組數(shù)據進行處理，得到樣品光學特性曲線。本發(fā)明的優(yōu)點是可結合材料的介電常數(shù)和光束極化幅值兩方面的探測，實現(xiàn)對轉變過程物性參數(shù)的精確測定探測技術的時間分辨率可從皮秒突破到飛秒級別。
文檔編號G01N21/17GK1945342SQ20061004157
公開日2007年4月11日 申請日期2006年9月15日 優(yōu)先權日2006年9月15日
發(fā)明者周明, 陳磊, 任乃飛, 蔡蘭 申請人:江蘇大學