[發(fā)明專利]一種基于自由電子激發(fā)和光電探測的相干近場檢測系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011177247.2
• 申請日: 2020-10-29
• 公開（公告）號: CN112485229B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡旻;許星星;張倬鋮;張曉秋艷;張?zhí)煊?/a>;王月瑩;常少杰;肖豐;鐘任斌;吳振華;劉盛綱
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: G01N21/62
• 分類號: G01N21/62;G01R29/08
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心 51203
• 代理人: 鄧?yán)?/td>

本發(fā)明公開了一種基于自由電子激發(fā)和光電探測的相干近場檢測系統(tǒng),屬于真空電子學(xué)和太赫茲光電探測技術(shù)的交叉領(lǐng)域。本發(fā)明采用飛秒激光源產(chǎn)生飛秒激光，經(jīng)分束器分為兩束，其中一束激勵光陰極產(chǎn)生脈沖電子束，脈沖電子束激發(fā)待測材料的表面波，在待測材料下表面放置由基底和金屬電極組成的光導(dǎo)天線(若待測材料為金屬光柵，則將其中相鄰兩光柵作為金屬電極)直接感應(yīng)待測材料的表面波；另一束飛秒激光通過延時光路再注入到光導(dǎo)天線上，從而實現(xiàn)光電采樣，完成對待測材料表面波的探測。本發(fā)明方法沒有了針尖對近場信號的影響，同時電子投射場在物體表面的強(qiáng)度也遠(yuǎn)小于表面波的強(qiáng)度，可以實現(xiàn)對較為純凈近場信號的時域直接探測。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于真空電子學(xué)和太赫茲光電探測技術(shù)的交叉領(lǐng)域，涉及光陰極光電子發(fā)射以及光導(dǎo)天線的時域探測方法。

背景技術(shù)

光陰極電子發(fā)射，與熱電子發(fā)射、場致電子發(fā)射、次級電子發(fā)射一同構(gòu)成了電子發(fā)射的四種基本形式；光陰極電子發(fā)射過程中，陰極材料內(nèi)部的電子通過吸收外部照射的激光光子能量，產(chǎn)生能級躍遷而離開材料表面，最終完成電子發(fā)射，且發(fā)射周期與脈沖激光重復(fù)周期一致。

光導(dǎo)天線，是基于半導(dǎo)體(常用材料為砷化鎵和藍(lán)寶石硅片)和雙金屬天線所組成的太赫茲產(chǎn)生或探測裝置。當(dāng)光導(dǎo)天線作為探測器時，需要將飛秒激光和待測太赫茲信號一同饋入雙金屬電極之間，其中飛秒激光作為太赫茲信號的采集開關(guān)，通過外加時延光路改變發(fā)射端和探測端同源激勵激光的相位差，即可采集到完整的太赫茲時域信號，這也是太赫茲時域光譜儀采集太赫茲時域信號的基本原理。

近場，即倏逝場，指的是被束縛在物體表面，并在離開物體表面后場強(qiáng)隨距離呈指數(shù)衰減的電磁場，因此也被稱為表面波。自由電子在掠過周期結(jié)構(gòu)表面或者介質(zhì)材料時可以激發(fā)近場，但它的表面束縛性質(zhì)使得對其的直接檢測是一個公認(rèn)難題。近幾年來散射型太赫茲掃描近場光學(xué)顯微鏡發(fā)展較快，其是基于原子力顯微鏡(AFM)和近場散射技術(shù)發(fā)展起來的，可以實現(xiàn)對電磁波激勵近場的探測。但是這類近場系統(tǒng)對于探測材料或結(jié)構(gòu)表面近場存在一定的缺陷，如激發(fā)與探測都來自于探針，因此無法直接看到表面近場的空間相位；而系統(tǒng)的分辨率取決于探針，不但難以進(jìn)一步提升，而且存在近場耦合效率與成像分辨率的矛盾。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出了一種基于自由電子激發(fā)和光電探測的相干近場檢測系統(tǒng)，利用自由電子束作為近場激發(fā)源，利用光導(dǎo)天線進(jìn)行近場信號探測，實現(xiàn)待測二維材料/金屬光柵結(jié)構(gòu)的近場信號的空間直接探測。本發(fā)明方法沒有了針尖對近場信號的影響，同時電子投射場在物體表面的強(qiáng)度也遠(yuǎn)小于表面波的強(qiáng)度，可以實現(xiàn)對較為純凈近場信號的時域直接探測。這將為科學(xué)家們今后對物體表面近場特性做出更加深入的了解奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種基于自由電子激發(fā)和光電探測的相干近場探測系統(tǒng)，包括飛秒激光源、光陰極、光導(dǎo)天線、延遲光路。

所述飛秒激光源用于產(chǎn)生飛秒激光，飛秒激光通過分束器分為兩束；其中一束飛秒激光激勵光陰極產(chǎn)生脈沖電子束，該脈沖電子束用于周期性激發(fā)待測材料的表面波；另一束飛秒激光用于激勵光導(dǎo)天線的基底產(chǎn)生周期性超快載流子，起到采集開關(guān)的作用。

所述光導(dǎo)天線包括基底(一般為低溫砷化鎵)、以及設(shè)置于基底上的兩個金屬電極，若待測材料為二維材料，則將二維材料放置于兩個金屬電極上；若待測材料為金屬光柵，則將其中相鄰兩金屬光柵作為金屬電極；所述光導(dǎo)天線后端依次連接電流放大器、鎖相放大器。

所述延遲光路，用于改變兩束飛秒激光的光程差(即相位差)，從而改變表面波被采集時的相位，使得能夠采集到完整的太赫茲時域信號。

進(jìn)一步地，所述二維材料為厚度小于1um且具有不同太赫茲響應(yīng)的材料(如石墨烯、硒化鉍薄層等)。

進(jìn)一步地，若待測二維材料導(dǎo)電，則在金屬電極和待測二維材料之間放置薄膜絕緣層(如100nm厚的二氧化硅薄膜)，一是防止材料直接導(dǎo)通兩金屬電極，使得光導(dǎo)開關(guān)失去作用，二是避免表面波在離開表面后的嚴(yán)重衰減。