[發(fā)明專利]一種空間分離的泵浦-探測瞬態(tài)吸收光譜儀及實現方法

有效

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• 申請日: 2014-03-06
• 公開（公告）號: CN103868595A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發(fā)明（設計）人: 潘安練;莊秀娟
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: G01J3/42
• 分類號: G01J3/42;G01N21/359
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 黃美成

技術領域

本發(fā)明涉及一種空間分辨的光譜探測技術，特別是涉及一種空間分離的泵浦-探測瞬態(tài)吸收光譜儀及實現方法，可以用來實現載流子、激子、熱電子或等離激元的可視化探測。

背景技術

在當前的納米科學與納米技術領域，對器件小尺寸、高速度、低能耗等的追求，在納米光子學、納米電子學和太陽能轉換等多個領域都是至關重要的，是研究高性能光電子器件的前提和基礎。然而，在光與納米材料的相互作用過程中，例如光與半導體納米材料、金屬納米材料、復合納米結構等的相互作用中，光生載流子在納米材料表面的產生及其在納米結構上的空間擴散、遷移、以及復合的動力學過程，都與其激發(fā)態(tài)的行為密切相關，因此了解激發(fā)態(tài)的性質，對于研究和開發(fā)光電功能材料來說是至關重要的。穩(wěn)態(tài)吸收、激發(fā)和發(fā)射光譜可以在一定程度上為我們提供激發(fā)態(tài)的部分信息。但是，這些信息是整個激發(fā)和弛豫全過程中發(fā)生的所有時間的統(tǒng)計系綜，很多過程的詳細信息還不能確定，例如許多中間態(tài)的產生和湮滅，復雜體系的結構與姿態(tài)的不均勻性等等，都無法從穩(wěn)態(tài)譜中獲知。而且，光生載流子的產生、擴散、遷移、以及復合的動力學過程，往往是超快的過程，普通的瞬態(tài)光譜方法，難以撲捉到其有用信息。

隨著超短脈沖技術的發(fā)展，時間分辨的能力進入皮秒和飛秒量級并向人們敞開了飛秒瞬間的世界。從1960年第一臺激光器問世，到1961年提出調Q的概念，很快又在1962年研制成功第一臺調Q激光器，激光調Q技術將激光脈沖壓縮至納秒量級(10^-9s)。隨后在1964年發(fā)展起來的鎖模技術，使激光脈沖壓縮至飛秒量級(10^-15s)，我們習慣上稱其為‘超短’脈沖。飛秒超短脈沖激光的出現，開創(chuàng)了物理、化學、生物等眾多學科與研究領域的突破性發(fā)展。美國加州理工學院的Ahmed.H.Zewail教授因采用基于激光超短脈沖技術的泵浦-探測法研究化學反應中的過渡態(tài)，觀看到分子中的原子在化學反應中的運動情況，而開創(chuàng)了飛秒化學的新時代。自此，超快光譜技術將人類借助測量儀器對于超快物理過程探測的時間分辨提高到飛秒量級，使得超快現象的研究取得突破性進展。在接下來的幾十年中，探測到了許多前所未知的物質內部動力學演化過程，相應的超快光譜測量技術也得到飛速發(fā)展，例如：測量瞬態(tài)吸收的泵浦-探測法，測量瞬態(tài)熒光的條紋相機技術、時間相關單光子計數，熒光上轉換法和光Kerr門技術，時間分辨拉曼散射及非線性多光耦合技術等。這些方法各有特色，相輔相成，為研究物質中的超快過程提供了強大的工具。其中，泵浦-探測是測量瞬態(tài)吸收光譜的主要方法，他尤其適用于不產生熒光、或熒光發(fā)射難以測量的超快過程。這種技術能夠提供超快過程內部分子或載流子狀態(tài)的快速變化信息，因而可用于研究中間態(tài)的形成、能量傳遞、電荷轉移和分子取向等微觀過程的機理和動力學規(guī)律。

要全面了解光與低維納米材料相互作用過程中的能量分布、傳遞與轉移的完整物理圖像，就需要獲知任意位置、任一時刻的能量分布情況，即需要實現一種對載流子動力學測量的可視化效果。傳統(tǒng)的光電探測，往往只能探測到載流子在低維納米材料的宏觀遷移的平均行為，或者只能探測到亞波長尺度下光能量(載流子、激子或等離激光等)在單個納米材料的整體分布。目前泵浦-探測技術在納米材料領域的應用，總結起來存在以下兩點不足：一，在沒有借助顯微鏡系統(tǒng)的情況下，往往不能獲得較高的空間分辨。例如，目前的超快時間分辨光譜技術不能具體到形貌和結構依賴的超快過程探測，往往只能探測大量納米材料的宏觀平均行為；二，雖然近期報道有課題組借助顯微鏡系統(tǒng)和泵浦-探測技術在一定程度上實現了空間分辨，但是泵浦光與探測光無法實現空間分離探測，即對載流子、激子或等離基元等動力學過程的探測，無法實現載流子運動過程的直觀可視化。因此，這種能夠同時兼顧時間分辨和空間分辨的空間分離泵浦探測瞬態(tài)吸收技術，是在微納材料的基礎研究領域，將具有十分重要的應用價值。

因此，有必要設計一種空間分離的泵浦-探測瞬態(tài)吸收光譜儀及實現方法。

發(fā)明內容

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種空間分離的泵浦-探測瞬態(tài)吸收光譜儀及實現方法，該空間分離的泵浦-探測瞬態(tài)吸收光譜儀及實現方法能實現極高的空間分辨，且能實現載流子、激子、熱電子或等離激元的可視化探測。

發(fā)明的技術解決方案如下：

一種空間分離的泵浦-探測瞬態(tài)吸收光譜儀，包括飛秒光源系統(tǒng)、分束鏡、時間延遲線、掃描反射鏡組、二向色鏡、聚焦物鏡、樣品臺和光信號與數據采集系統(tǒng)；

時間延遲線是實現探測光不同時間延遲的裝置；