[发明专利]四维高时空分辨超快光子电子多模探测装置

说明书

本发明涉及一种四维高时空分辨超快光子电子多模探测装置，属于激光微纳加工及材料科学应用领域。本发明通过泵浦探测技术，将聚焦的飞秒至皮秒尺度的光子精准聚焦到微纳尺度样品，通过超快扫描电镜及CCD有机结合探测；通过超快激光激发冷却灯丝形成超快电子束进行观测；通过超快激光照射CCD进行观测，因此能够同时实现超快电子和超快光子的多模探测；还可调控探测电子，使其与光子共同作用样品，从而实现电子与光子协同作用过程的多模超快观测。本发明可以对样品进行微纳结构加工或改性，进行原位测量加工或改性超快载流子动力学研究。

技术领域

本发明涉及一种四维高时空分辨超快光子电子多模探测装置，属于激光微纳加工及材料科学应用领域。

背景技术

探索物质的微观结构及物理与化学瞬态变化过程的超快动力学研究为不同学科开辟了新的发展方向，尤其是在超快激光制造领域。超快激光具有超强、超快、超精密的特性，是制造技术的前沿和重要生长点之一。通过激光与材料相互作用，改变材料的物态和性质，实现微米至纳米尺度或跨尺度的控形与控性，多年来一直备受关注。飞秒激光与材料相互作用是一个非线性、非平衡、复杂的物理化学过程，涉及激光与材料相互作用的诸多全新机理。现有的传统光学泵浦探测技术无法获取高精度超快动态信息，现有的普通扫描电镜只能进行稳态成像，因此，通过将超快激光(脉冲宽度小于1ps)与改进的扫描电镜及CCD有机结合探测，实现超快光子电子多模高时空分辨探测，率先观测光子与电子相互作用的超快过程，可望极大推动相关学科发展，应用于激光微纳加工与检测、微纳光电器件、新型光电材料、太阳能电池等领域[ACS Appl.Mater.Interfaces,13,7688-7697,2021，LightSci.Appl.,9,80,2020]。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术无法观测到超快激光动态过程，进而无法检测加工结果的问题，提供一种四维高时空分辨超快光子电子多模探测装置；该装置能够实时原位测量超快激光微纳加工和改性过程，以及微纳光电器件载流子动态过程。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种四维高时空分辨超快光子电子多模探测装置，通过泵浦探测技术，将聚焦的飞秒至皮秒尺度的光子精准聚焦到微纳尺度样品，通过超快扫描电镜及CCD有机结合探测；通过超快激光激发冷却灯丝形成超快电子束进行观测；通过超快激光照射CCD进行观测，因此能够同时实现超快电子和超快光子的多模探测；还可调控探测电子，使其与光子共同作用样品，从而实现电子与光子协同作用过程的多模超快观测。

可以对样品进行微纳结构加工或改性，进行原位测量加工或改性超快载流子动力学研究；飞秒激光器为该装置提供泵浦激光，探测可采用光子/电子多模探测方式，飞秒激光器与改进扫描电子显微镜有机结合为该装置提供电子模式探测，飞秒激光器与CCD有机结合为该装置提供光子模式探测；

所述的飞秒激光器与CCD有机结合的光子探测模式，可适用于单个CCD每次一帧测量超快图像，也适用于多个CCD每次多帧测量超快连续图像；

一种四维高时空分辨超快光子电子多模探测装置，包括：飞秒激光发生器、倍频发生器、分束镜、时间延迟平台、分束镜、改进扫描电子显微镜、倍频模块、合束器、样品、电子探测器、分光镜和CCD。

将高功率飞秒激光激光器的基本输出经过倍频发生器进入第一分光镜后，输出两束脉冲激光。第一束脉冲激光通过时间延时平台后，再通过第二分束镜，分出第一束激光经过高温窗口精准聚焦到改进扫描电子显微镜冷却的Schottky场发射灯丝并产生光电子脉冲，经过1-30kV电压加速，通过光子探测器用于电子模式探测；分出第二束脉冲激光通过合束器直接聚焦到样品上，反射光通过分光镜以及CCD收集成像，用于光学模式探测。经过倍频模块产生的第二束脉冲激光以50度角入射到样品9上，作为泵浦光将样品激发到激发态。通过电脑控制的时间延迟平台控制泵浦光和探测光的时间差，用以实现时间分辨，该装置可同时实现光子/电子多模探测，适用于微纳光电器件原位测量。