时间分辨法拉第旋转技术改进实验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及飞秒激光技术在超快动力学方面的应用技术领域，尤其涉及一种时间分辨法拉第旋转技术改进实验装置及方法。
【背景技术】
[0002]近几年来，以核电性为基础的传统电子器件集成度大大提高，尺寸不断缩小，量子效应越来越明显，并严重地制约着传统电子器件的发展，因此人们期望利用电子自旋特性结合或者替代电荷特性制备新一代电子器件，电子自旋特性的研宄也就成了前沿热点。自旋弛豫寿命的长短和法拉第旋转角的大小关系到自旋器件的性能，是设计和制备自旋器件必须考虑的重要参数。
[0003]超短超强激光技术的发展为研宄材料内部的超快动力学过程提供了强有力的手段，抽运探测技术是研宄载流子动力学最常用的方法。时间分辨法拉第旋转技术和圆偏振抽运探测技术均以抽运探测技术为基础，利用圆偏振光激发材料产生净自旋，是研宄电子自旋特性的重要实验方法，两种实验方法的部分实验装置相同，但原理完全不同。
[0004]圆偏振抽运-探测技术是利用一束超短圆偏振强脉冲(抽运光)激发材料，在材料内部相应的激发态上产生自旋极化电子布居，这些电子会通过各种途径离开激发态，从而使得激发态布居改变。然后用另一束较弱的超短圆偏振(与抽运光相同或者相反旋向)脉冲(探测光)去探测这个变化，可以反推得到激发态的信息，利用光学延迟线逐步改变探测光和抽运光的时间延迟就可以得到激发态随时间演化的整个过程。通过改变光路中1/4波片光轴的方向，实现旋转方向相同或相反的抽运光和探测光，重复扫描光谱，即完成同向圆偏振(。+。+)和反向圆偏振(σ + σ_)抽运探测光谱，两条曲线的差值(σ + σ+-σ + σ_)可以去除与电子自旋无关的信息，表示自旋弛豫过程。
[0005]而法拉第旋转技术是利用法拉第效应，当一束平面线偏振光穿过沿光的传播方向加有磁场的介质时，可以观察到光经过样品后偏振面转过一个角度，这种现象被称为法拉第效应。实际上，法拉第效应中的磁场可以是外加磁场，也可以是圆偏振光产生的有效磁场。法拉第旋光技术的原理是采用强圆偏振抽运光照射材料，根据光学取向原理，材料内部产生一个沿传播方向的有效磁场，这个有效磁场使得透过材料的线偏振探测光的偏振面发生偏转，透射光偏振面的偏转角称为法拉第旋光角，如图2所示，抽远光为圆偏振光，探测光为线偏振光，卜表不法拉第旋转角。
[0006]两种实验方法用到的实验仪器略有不同，法拉第旋转技术采用线偏振探测光，探测系统中用到价格昂贵的平衡探测器。实验过程中，可能需要经常更换一部分实验仪器而更换实验方法。由于光学仪器比较精密，调节比较困难，因而浪费很多时间和精力。如果搭建两套系统既浪费实验仪器，又占用实验室的空间。
[0007]另外，在普通圆偏振抽运探测光谱中，通过手动改变光路中1/4波片的快轴方向，来实现同向圆偏振和反向圆偏振抽运探测光谱的变换。手动操作不可能精确控制角度，会带来较大误差，从而不能精确控制圆偏振度，无法确保同向和反向测量过程中圆偏振度是相同的。
【发明内容】
[0008]本发明的目的就是为了解决上述技术问题，提供了一种时间分辨法拉第旋转技术改进实验装置及方法，该装置及方法利用一套实验设备完成同向圆偏振抽运探测光谱、反向圆偏振抽运探测光谱和时间分辨法拉第旋转角的测量工作，同时获得自旋弛豫寿命和法拉第旋转角两个参数。
[0009]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0010]一种时间分辨法拉第旋转技术改进实验装置，包括:若干反射镜、分束镜、光学延迟线、斩波器以及控制器、锁相放大器、探测器、1/4波片、1/2波片、沃拉斯顿棱镜以及透镜;
[0011]激光脉冲依次经过反射镜Ml、反射镜M2以及分束镜后分成两束，其中一束作为抽运光，依次经过斩波器、光学延迟线、反射镜M3、反射镜M4、l/4波片和透镜后聚焦到样品上，透过样品的抽运光被遮挡物遮挡或吸收；另外一束作为探测光，依次经过反射镜M5、反射镜M6、反射镜M7和透镜后聚焦到样品的同一点上，透过样品的探测光依次经过反射镜M8、l/2波片、沃拉斯顿棱镜后分别经过第一探测器和第一锁相放大器、第二探测器和第二锁相放大器后进入电脑进行处理。
[0012]所述光学延迟线包括单轴电动平移台和固定在上面的三棱镜，用于改变抽运光的光程，利用空间上的延迟实现时间上的延迟，从而实现时间分辨。
[0013]所述第一探测器和第二探测器为全同探测器；如果探测光是可见光，则选用Si探测器；如果探测光是红外光，则选用InGaAs探测器。
[0014]所述激光脉冲依次经过反射镜M1、反射镜M2以及分束镜后分成两束，其中经过光学延迟线的一束为抽运光，强圆偏振抽运光激发自旋极化；另外一束光线强度弱于抽运光的脉冲作为探测光，检测抽运光引起的材料性质变化。
[0015]在所述光学延迟线和控制器之间设置斩波器，用于抑制噪声。
[0016]一种时间分辨法拉第旋转技术改进实验装置的工作方法，包括:
[0017](I)脉冲激光器输出的线偏振脉冲激光经过分束镜后分为光强度较弱的线偏振探测光和光强度较强的抽运光，抽运光经过斩波器、光学延迟线和1/4波片后变成圆偏振光；
[0018](2)通过改变抽运光的光程，使得抽运光分别晚于、同时和早于线偏振探测光到达样品；
[0019](3)圆偏振光经过样品后被光吸收器吸收掉或者用光阑挡掉；透射的线偏振探测光的偏振方向与1/2波片的快轴的夹角为45°，经过沃拉斯顿棱镜分为正交的s、p偏振分量;
[0020](4)在抽运光和探测光相对延迟不同时间的情况下，透过的探测光的强度有所不同，而这些不同刚好反映的是激发态的粒子数的弛豫过程；
[0021](5)通过样品的探测光分别经过两个探测器后输入由电脑控制的锁相放大器，探测光强度的变化能够从电脑上读出；将接收到的两个探测器的两组数据做差处理，得到线偏振探测光的法拉第旋转角。
[0022]所述步骤(2)中抽运光晚于线偏振探测光到达样品时:
[0023]当探测光从分束镜到样品的光程小于抽运光相应的光程时，同一个激光脉冲分成的探测光脉冲就会早于抽运光脉冲到达样品，材料对较弱的探测光有基态的微弱吸收，通过样品的光强由材料基态的吸收截面和基态的粒子数决定。
[0024]所述步骤(2)中抽运光等于线偏振探测光到达样品时:
[0025]通过光学延迟线对抽运光做设定时间的延迟，即改变抽运光的光程，当抽运光的光程等于探测光的光程时，探测光脉冲和抽运光脉冲将同时到达样品，样品吸收强抽运光后，其中部分处于基态的电子被抽运到激发态，使得激发态有粒子数布居，处于基态和激发态的粒子都会吸收探测光脉冲形成跃迀，通过样品后的探测光的光强由基态和激发态的吸收截面和粒子数共同决定。
[0026]所述步骤⑵中抽运光早于线偏振探测光到达样品时:
[0027]改变抽运光的光程，使其早于探测光到达样品，在抽运光与探测光到达样品的时间差内，被抽运光激发到激发态的部分粒子弛豫到其它的态，通过样品后的探测光的强度由基态、激发态和弛豫到的其他态的吸收截面和粒子数共同决定。
[0028]本发明有益效果:
[0029]本发明利用一套实验设备完成同向圆偏振抽运探测光谱、反向圆偏振抽运探测光谱和时间分辨法拉第旋转角的测量工作，同时获得自旋弛豫寿命和法拉第旋转角两个参数。透过样品的线偏振光经过1/2波片和沃拉斯顿棱镜后分成正交的的s偏振和P偏振分量，两个分量分别进入两个全同的光电探测器，信号经锁相放大器放大后由电脑直接读出。本实验装置节约了实验设备和实验室空间，降低了实验成本。更重要的是同时采集数据可以去除因激光不稳定带来的噪声，大大提高了信噪比。
[0030]本发明不像传统圆偏振抽运探测光谱一样，通过转动1/4波片来实现同向圆偏振和反向圆偏振抽运探测光谱的测量，本申请装置中同时测量同向和反向抽运探测光谱，确保是同一圆偏振度，保证左旋圆偏振和右旋圆偏振的偏振度精确相同，准确度大大提高；操作简单，不需要经常更改一些光学元器件，只需要更换样品即可；同时采集三组数据，即节约了实验时间，又去除实验误差，确保是完全相同的实验条件；实验过程中由于电压不稳等因素导致的激光器功率不稳定而带来较大噪声，本申请装置可以同时采集数据，去除了激光器不稳定带来的噪声，大大提高信噪比。
【附图说明】
[0031]图1为时间分辨法拉第旋转技术改进实验装置结构示意图；
[0032]图2为法拉第旋转技术原理图；
[0033]图3为抽运探测工作的基本原理示意图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。
[0035]时间分辨法拉第旋转技术改进实验装置如图1所示，包括:若干反射镜、分束镜、光学延迟线、斩波器以及控制器、2个锁相放大器、2个探测器、1/4波片、1/2波片、沃拉斯顿棱镜以及透镜；激光脉冲依次经过反射镜Ml、反射镜M2以及分束镜后分成两束，其中一束较强的脉冲作为抽运光，依次经过斩波器、光学延迟线、反射镜M3、反射镜M4、1/4波片和透镜后聚焦到样品上，透过样品的抽运光被遮挡物遮挡或吸收；另外一束较弱的作为探测光，依次经过反射镜M5、反射镜M6、反射镜M7和透镜后聚焦到样品的同一点上，透过样品的探测光依次经过反射镜M8、l/2波片、沃拉斯顿棱镜后分别经过第一探测器、第一锁相放大器和第二探测器、第二锁相放大器后进入电脑进行处理。
[0036]图1中M1-M8均为普通反