一种基于固体高次谐波的探测装置及探测方法

本发明属于超快动力学探测，具体涉及一种基于固体高次谐波的探测装置及探测方法。

背景技术：

1、自固体高次谐波现象被人们发现以来，利用高次谐波产生、泵浦以及高次谐波瞬态吸收光谱等手段对固体中电子在亚飞秒—阿秒尺度的物理过程进行探测就成为了备受人们关注的研究热点。

2、然而，一方面受限于电子学探测技术的带宽和精度限制，在阿秒尺度上直接进行探测时至今日仍然是困难的；另一方面目前的泵浦-探测技术无法提取固体高次谐波谱中的相位信息，这无疑会在探测阶段造成信息损失。

3、因此，利用高次谐波干涉仪对电子动力学行为进行探测将有助于我们在亚飞秒尺度上分析相干声子、激子等的形成和发射动力学，为设计新一代光电子器件提供基础。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种基于固体高次谐波的探测装置及探测方法。

2、在阐述本发明之前，定义本文所使用的术语如下：

3、术语“五阶到九阶谐波”是指：受到基频激光激发后，所产生的频率为基频光频率五倍到九倍的光场。

4、术语“bk-7”是指：一种常见的硼硅酸盐冕玻璃，广泛用作可见光和近红外区域的光学材料，其折射率为1.51680。

5、为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种基于固体高次谐波的探测装置，所述探测装置包括：用于激发高次谐波的驱动激光、分束镜、位于样品台上的样品、飞秒精度延时控制光路、带通滤波片和光谱仪；其中：

6、所述飞秒精度延时控制光路包括：第一飞秒精度延时控制光路和第二飞秒精度延时控制光路；

7、所述分束镜包括：第一分束镜和第二分束镜；

8、所述样品包括：参考样品和靶样品；

9、所述样品台包括：参考样品台和靶样品台；

10、优选地，所述分束镜选自以下一种或多种：偏振分束立方镜、偏振平板分束片、偏振棱镜、平板分束片、介质膜分光镜、薄膜分光镜、沃拉斯顿棱镜，更优选选自以下一种或多种：偏振分束立方镜、偏振平板分束片、平板分束片，进一步优选为偏振平板分束片或平板分束片。

11、根据本发明第一方面的探测装置，其中，所述驱动激光产生无啁啾脉冲，经过所述第一分束镜后分为两束光，分别进入所述第一飞秒精度延时控制光路和所述第二飞秒精度延时控制光路，并各自通过所述靶样品和所述参考样品，再一起经过第二分束镜后依次通过所述通滤波片和所述光谱仪；

12、优选地，所述两束光之间的时间延时取决于所述第一飞秒精度延时控制光路和所述第二飞秒精度延时控制光路的光程差。

13、根据本发明第一方面的探测装置，其中，

14、所述无啁啾脉冲的宽度小于300飞秒，优选小于150飞秒，更优选小于100飞秒；和/或

15、所述无啁啾脉冲的峰值功率密度大于107w/cm2，优选大于109w/cm2，更优选大于1010w/cm2。

16、根据本发明第一方面的探测装置，其中，所述第一飞秒精度延时控制光路和所述第二飞秒精度延时控制光路设置均相同，且分别包括：光阑、半波片、四分之一波片、反射镜和纳米精度电动位移台；

17、优选地，所述反射镜用于改变所述无啁啾脉冲光束的方向，其类型为四面高反射率反射镜；和/或

18、优选地，每路所述反射镜的个数为2～8个，更优选为4～6个，最优选为4个。

19、根据本发明第一方面的探测装置，其中，

20、所述光阑用于对所述无啁啾脉冲进行准直，每路所述光阑的个数优选为1～8个，更优选为2～4个，最优选为2个；和/或

21、所述纳米精度电动位移台用于改变所述无啁啾脉冲激发所述参考样品与所述靶样品所产生高次谐波的时间延时，每路所述纳米精度电动位移台的个数为1～4个，更优选为1～2个，最优选为1个。

22、根据本发明第一方面的探测装置，其中，

23、所述半波片和所述四分之一波片用于改变所述无啁啾脉冲偏振方向以及调节所述无啁啾脉冲的功率大小，每路所述半波片的个数为1～4个，更优选为1～2个，最优选为1个；每路所述四分之一波片个数为1～4个，更优选为1～2个，最优选为1个；

24、所述半波片选自以下一种或多种：空气隙零级波片、胶合零级波片、聚合物零级石英波片，优选选为空气隙零级波片或胶合零级波片，最优选为空气隙零级波片；和/或

25、所述四分之一波片选自以下一种或多种：空气隙零级波片、胶合零级波片、聚合物零级石英波片，优选选为空气隙零级波片或胶合零级波片，最优选为空气隙零级波片。

26、根据本发明第一方面的探测装置，其中，所述无啁啾脉冲被所述第一分束镜分为两束光，分别进入所述第一飞秒精度延时控制光路和所述第二飞秒精度延时控制光路后，依次经过所述光阑、所述半波片、所述四分之一波片和所述反射镜；

27、优选地，当所述反射镜的个数为4个时，所述无啁啾脉冲在经过所述四分之一波片后依次经过第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜；

28、更优选地，所述第一反射镜和所述第四反射镜位于光学平台上，以调节光路方向；所述第二反射镜和所述第三反射镜位于所述纳米精度电动位移台上，以进行飞秒精度延时控制。

29、根据本发明第一方面的探测装置，其中，

30、所述样品台的基底为高透过率透明基底，其材料优选选自以下一种或多种：蓝宝石、石英、二氧化硅、bk-7，更优选选自以下一种或多种：蓝宝石、石英、二氧化硅，进一步优选为蓝宝石或石英；

31、所述参考样品的禁带宽度大于驱动激光频率；

32、所述参考样品的厚度小于500微米，优选为小于200微米，更优选为小于100微米；和/或

33、所述参考样品的材料选自以下一种或多种：硫化铜、硒化镓、碲化镓、硫化镓、硒化锗、二碲化钨、二碲化钼、二硫化铪、二硒化铪、二硒化钴、二碲化钴、二硒化铼、二碲化铼、二硫化锡、二硒化锡、二硫化铌、二硒化铌、二硫化钛、二硒化钛、二硫化钽、二硒化钽、二硫化锆、二碲化锆、硫化铋、硒化铋、碲化铋、砷化镓、氧化锌、氧化镁、二氧化硅，优选选自以下一种或多种：硒化镓、碲化镓、硒化锗、二碲化钼、二硫化铪、二硒化铪、二碲化钴、二硒化铼、二硫化锡、二硒化锡、二硒化铌、二硫化钛、二硒化钛、二硒化钽、二硫化锆、二碲化锆、硒化铋、碲化铋、砷化镓、氧化锌、二氧化硅，更优选选自以下一种或多种：硒化镓、二碲化钼、二硒化铪、二碲化钴、二硒化铼、二硒化锡、二硒化铌、二硫化钛、二硒化钽、二硫化锆、硒化铋、砷化镓、二氧化硅。

34、根据本发明第一方面的探测装置，其中，所述光谱仪的波长范围为10～2000nm，优选为200～1000nm，更优选为200～400nm。

35、本发明的第二方面提供了一种探测固体中电子超快动力学的方法，所述方法使用第一方面所述的基于固体高次谐波的探测装置；

36、优选地，所述方法包括以下步骤：

37、(1)所述驱动激光产生无啁啾脉冲，经过所述第一分束镜分为两束光后分别进入所述第一飞秒精度延时控制光路和所述第二飞秒精度延时控制光路，并各自通过所述靶样品和所述参考样品，再一起经过第二分束镜后依次进入所述通滤波片和所述光谱仪，所述两束光之间的时间延时取决于所述第一飞秒精度延时控制光路和所述第二飞秒精度延时控制光路的光程差；

38、(2)所述光谱仪得到所述靶样品与所述参考样品高次谐波干涉信号后，通过测量干涉信号随所述第一飞秒精度延时控制光路和所述第二飞秒精度延时控制光路产生的时间延时变化的信号振荡周期提取出所述靶样品的高次谐波相位，利用傅里叶变换算法得到所述靶样品中电子的超快动力学。

39、根据本发明的一个具体的实施方式，本发明的一个目的是要提供一种基于固体高次谐波的马赫曾德尔干涉仪装置，该干涉仪能够提供固体中电子在阿秒尺度的动力学特征，反演晶体能带结构。

40、特别地，本发明提供了一种基于固体高次谐波的马赫曾德尔干涉仪装置，包括：用于激发高次谐波的驱动激光、分束镜、参考样品与靶样品台、参考样品、飞秒精度延时控制光路、带通滤波片以及光谱仪。

41、进一步地，所述的驱动激光系统应产生无啁啾脉冲、脉冲宽度小于100飞秒且峰值功率密度大于1010w/cm2。

42、优选地，所述的参考样品与靶样品台采用高透过率透明基底，如蓝宝石或石英。

43、进一步地，所述的参考样品，其禁带宽度应大于驱动激光频率。

44、进一步地，所述的参考样品为：硫化铜、硒化镓、碲化镓、硫化镓、硒化锗、二碲化钨、二碲化钼、二硫化铪、二硒化铪、二硒化钴、二碲化钴、二硒化铼、二碲化铼、二硫化锡、二硒化锡、二硫化铌、二硒化铌、二硫化钛、二硒化钛、二硫化钽、二硒化钽、二硫化锆、二碲化锆、硫化铋、硒化铋、碲化铋、砷化镓、氧化锌、氧化镁、二氧化硅中的一种。

45、进一步地，所述参考样品厚度应小于500微米。

46、进一步地，所述的飞秒精度延时控制光路的组成包括两个光阑、半波片、四分之一波片、四面高反射率反射镜和一个纳米精度电动位移台。

47、其中，所述激光通过所述的高反射率反射镜用于改变光束方向。纳米精度电动位移台用于改变所述激光激发参考样品与靶样品所产生高次谐波的时间延时。两个光阑用于对所述驱动激光进行准直。半波片用于改变所述激光偏振方向以及调节所述驱动激光功率大小。

48、进一步地，四分之一波片选自空气隙零级波片、胶合零级波片或聚合物零级石英波片中的一种。

49、进一步地，所述的光谱仪波长范围应覆盖所产生高次谐波中的五阶到九阶谐波。

50、进一步地，所述的分束镜为偏振分束立方镜、偏振平板分束片、偏振棱镜或平板分束片中的一种。

51、本发明的基于固体高次谐波的探测装置及探测方法可以具有但不限于以下有益效果：

52、1、本发明的基于固体高次谐波的探测装置，由于利用高次谐波产生的亚飞秒精度与马赫曾德尔干涉仪提取相位信息的能力，实现了高次谐波以及固体中电子在光场周期性驱动下的超快动力学探测。相比于以往的用于探测材料超快动力学的装置，该干涉仪装置时间分辨精度明显变高、适用体系明显变广、信号质量明显提高。

53、2、本发明结构紧凑小巧、成本较低、适于重复生产和组装。

54、3、具有时间分辨精度高、适用体系广、高稳定性等优点，可广泛应用于物理学、材料学以及生物学等领域，具有很好的应用前景和商业价值。