快速精確的薄膜檢測

介紹

泵浦-探測采樣是一種強(qiáng)大有效的技術(shù)，主要用于觀察材料和生物系統(tǒng)中的超快過程 （fs到 ns）。將超短激光脈沖（“泵浦"脈沖）照射到樣品上，從而激發(fā)樣品內(nèi)的物理過程或化學(xué)反應(yīng)。隨后，一束有時間延遲的第二束激光脈沖（“探測"脈沖）穿過樣品，以測量由于初始激發(fā)而導(dǎo)致的樣品光學(xué)性質(zhì)的變化。通過改變泵浦脈沖和探測脈沖之間的延遲時間，可以獲得樣品對泵浦脈沖響應(yīng)的詳細(xì)時間記錄，且具有較高的時間分辨率。

泵浦-探測采樣在材料科學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域特別有用，它有助于理解能量轉(zhuǎn)移、光化學(xué)和其他重要過程的基本機(jī)制。實現(xiàn)高性能泵浦-探測測量系統(tǒng)有多種方法。下圖從概念上比較了實現(xiàn)優(yōu)異性能的泵浦-探測裝置所需的設(shè)備。K2-Photonics激光解決方案能夠以簡單的方式實現(xiàn)高性能的泵浦-探測測量，使這種泵浦-探測方法在實際應(yīng)用中易于部署。

主要挑戰(zhàn)：光學(xué)延遲掃描

更長的泵浦-探測延遲通常是解析表面聲波和熱動力學(xué)所必需的，在皮秒超聲等應(yīng)用中也是如此。長掃描范圍能夠研究總厚度達(dá)數(shù)十微米的復(fù)雜薄膜疊層，例如現(xiàn)代半導(dǎo)體微芯片中遇到的那些。不幸的是，使用機(jī)械延遲線進(jìn)行如此長距離的掃描速度很慢，由于光束偏轉(zhuǎn)或發(fā)散容易產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，并且需要復(fù)雜的光機(jī)械系統(tǒng)。此外，緩慢的光學(xué)延遲掃描速度需要對信號進(jìn)行鎖相檢測以獲得高靈敏度，這進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

無需移動部件的快速光學(xué)延遲掃描：雙激光方法

異步光學(xué)采樣（ASOPS）是一種在泵浦 - 探測測量中獲取長光延遲掃描的替代方法。它使用兩種不同的光脈沖速率，一種用于泵浦光，另一種用于探測光，這使得能夠精確且快速地掃描兩者之間的光延遲。這種技術(shù)常用于超快光聲和其他瞬態(tài)吸收研究。掃描范圍由泵浦光的重復(fù)頻率決定，掃描速度則由泵浦光和探測光的重復(fù)頻率之差決定。

下表總結(jié)了ASOPS的關(guān)鍵參數(shù)：

異步光采樣（ASOPS）通常使用兩個獨(dú)立的超快激光器來實現(xiàn)，這兩臺激光器通過高頻鎖相環(huán)和高帶寬反饋電子設(shè)備進(jìn)行同步。使用異步光采樣（ASOPS）實現(xiàn)精確的定時控制需要高測量和反饋帶寬，以在時間軸上獲得飛秒級的精度。

無移動部件的快速光學(xué)延遲掃描：單激光方法

K2-Photonics公司為異步光采樣（ASOPS）技術(shù)研發(fā)出了一種解決方案，該方案使用單臺激光器實現(xiàn)光延遲掃描，無需兩個獨(dú)立的超快激光器。這是通過在單個激光腔內(nèi)產(chǎn)生兩束脈沖序列來實現(xiàn)的，每束脈沖序列可分別用作泵浦源和探測源。

與傳統(tǒng)的雙激光器異步光采樣系統(tǒng)相比，這種單腔雙梳狀激光解決方案具有諸多優(yōu)勢。首先，它極大地簡化了實驗裝置，減少了所需的組件數(shù)量，使系統(tǒng)更加緊湊和穩(wěn)定。其次，由于泵浦源和探測源都來自同一個激光腔，具有相關(guān)的脈沖噪聲特性，因此提高了時間軸的穩(wěn)定性。這消除了兩個獨(dú)立立激光器之間對電子反饋回路的需求，大大提升了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。 

散粒噪聲限制信號檢測能力

K2 Photonics 選擇了固態(tài)激光技術(shù)來創(chuàng)建他們的單腔雙梳激光器系統(tǒng)。該技術(shù)使激光在高頻下具有超低強(qiáng)度的噪聲。通常，對于高于 1 MHz 的頻率，相對強(qiáng)度噪聲 （RIN） 低于 -160 dBc/Hz。這種低本底噪聲對 ASOPS 特別有利，因為大多數(shù)感興趣的信號位于不受激光噪聲影響的高頻上。事實上，信號上的噪聲主要來自探針檢測光電二極管的散粒噪聲，這僅由光電二極管的探針功率和響應(yīng)度決定。因此，在 K2 Photonics 系統(tǒng)中使用固態(tài)激光技術(shù)可實現(xiàn)更高的信噪比 ASOPS 測量，并具有優(yōu)異的線性時間延遲軸，使其成為超快光譜和其他應(yīng)用的更靈敏的工具。

K2 Photonics 在泵浦探測應(yīng)用中的優(yōu)勢

•  精度高

單腔結(jié)構(gòu)和共噪聲抑制確保了整個光學(xué)延遲掃描過程中時間軸上的飛秒級精度。

•  體積小

無需機(jī)械延遲塊和鎖相放大器，大大簡化了高性能泵浦探頭設(shè)置的實現(xiàn)流程。

•  靈敏度高

鎖模固體激光器在高頻下產(chǎn)生具有超低噪聲（RIN 和定時）的激光，可實現(xiàn)高靈敏度測量。