[发明专利]具备超快时间分辨光谱能力的透射电子显微镜样品杆系统和应用

说明书

本发明公开了一种具备超快时间分辨光谱能力的透射电镜样品杆系统，其至少包括有安装有光纤的样品杆、超快激光器、色散补偿元件、光谱仪、时间相关单光子计数器等构成的光学系统，以及压电陶瓷管、微分测微头、三维位移台等构成的机械系统。所述光学系统和机械系统是为了在透射电镜中实现脉冲光的原位聚焦和聚焦光斑的三维扫描，并通过所述安装有光纤的样品杆激发和收集的荧光等信号，最后利用所述光谱仪和时间相关单光子计数器测量荧光光谱和荧光寿命。本发明实现了一种具备超快时间分辨光谱能力的透射电镜样品杆系统，用于将聚焦的飞秒脉冲光引入透射电镜，进行荧光光谱表征和荧光寿命的测量，实现在透射电镜中完成超快光谱学测量。

技术领域

本发明涉及透射电子显微镜附件技术领域，具体涉及一种具备超快时间分辨光谱能力的透射电子显微镜样品杆系统和应用，更具体地，涉及具备超快脉冲光学聚焦和超快时间分辨光谱能力透射电镜样品杆及相应透射电镜系统。

背景技术

探索材料结构特性与其物理性质的对应关系是凝聚态物理研究的热点之一。在凝聚态物理研究中，当固体的尺度在一个或多个维度趋近其量子特征长度时，由于量子限域效应和量子涨落效应的影响，将显现出与其体材料截然不同的电子结构特征，最典型的就是其电子结构表现出类原子或分子的分立能级，使激发、弛豫和输运等一系列过程都相应呈现出崭新的特征。测量研究纳米体系激发态及其动力学过程的微观机理，对于开拓凝聚态物理研究新的研究方向和应用领域具有重要的意义。

最近几十年透射电子显微镜的发展将结构表征能力推进到了原子尺度，并可在原子尺度表征电子结构。但商业的电镜仅仅具有结构表征能力，功能单一，无法与材料物性直接关联。光谱学技术可用于研究材料的光谱产生及其与物质之间的相互作用，尤其是随着飞秒激光技术的出现和超快光谱学技术的发展，可在飞秒甚至阿秒尺度下研究光与物质的相互作用，使得探测超快的物理和化学过程，尤其是动态瞬时和中间过程成为可能。自然科学中蕴含着不同时间尺度的超快过程，例如原子核的运动，化学键的断裂及形成发生在飞秒到皮秒时间范围内，发光材料的荧光寿命一般在纳秒量级，研究微观物质结构和材料本征特，是自然科学研究中一直受到重视的方向，也孕育着重要的应用前景。

原位电镜研究致力于通过在透射电镜腔体中引入如力学、热学、电学或光学等信号激励，在透射电镜中原位地研究材料的力、热、电、光等性质，以期将材料的结构和物理性质直接关联。其中光学技术是研究材料物理性质的一个非常重要的有效手段，例如光谱学技术可通过材料光谱响应来研究光与材料之间的相互作用，同时超快光谱学的发展也将光谱学技术的时间探测分辨率提高到了飞秒量级，可进一步研究材料电子或激子等的超快动力学过程。因此，如果能研发一种在透射电镜中原位超快光谱表征系统，以用来研究材料微观结构和性质的直接联系，这不论是在基础科学研究方面，还是在应用技术方面都具有重要意义。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种具备超快时间分辨光谱能力的透射电子显微镜样品杆系统和应用。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种具备超快时间分辨光谱能力的透射电子显微镜样品杆系统，所述透射电子显微镜样品杆系统包括：飞秒激光器、扩束准直器、第一翻转反射镜、色散补偿元件、第二翻转反射镜、反射镜、第一分光棱镜、显微物镜、安装有光纤和4f缩放系统的样品杆、光源、第一透镜、第二分光棱镜、第二透镜、第三翻转反射镜、图像采集器件、滤光片、光谱仪、第三透镜、时间相关单光子计数器和辅助光学成像系统；

其中，所述4f缩放系统由两块小口径透镜组成。

根据本发明第一方面的系统，其中，所述4f缩放系统的小口径透镜的口径为2mm～8mm，优选为5mm～6.25mm。

根据本发明第一方面的系统，其中，所述激光器为飞秒激光器；

优选地，所述激光器选自固体飞秒激光器或光纤飞秒激光器；优选地，所述激光器为固体飞秒激光器。