[发明专利]二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测系统

说明书

本发明涉及一种二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测系统，属于全光学微观探测领域。本发明二极管激光器输出连续激光，用于激发钛宝石激光器，钛宝石激光器输出脉冲激光，被分束镜分成两束，用于激发倍频晶体和光纤连续激光器，倍频晶体输出的激光被输入到机械斩波器，机械斩波器输出的泵浦激光通过显微物镜后到达样品，光纤连续激光器输出的探测激光通过机械位移平台后，通过显微物镜后到达样品，样品的反射信号通过显微物镜和滤波片后到达光电探测器，样品的反射信号中泵浦激光被光电探测器前的滤波片滤去，光电探测器连接锁相放大器，锁相放大器连接机械斩波器。本发明实现了半导体光生载流子的瞬态光学探测。

技术领域

本发明属于全光学微观探测领域，具体涉及一种二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测系统。

背景技术

载流子动力学过程对于很多应用而言，是非常重要的物理学过程。“载流子动力学过程”一般来讲可以被认为是，载流子在真实空间内的位移，能量的转移或者是电子和空穴同时消失。因为带电的载流子通常被人们赋予携带信息和能量的角色，所以载流子的输运过程能够直接的影响载流子的载体在实际应用中的表现。

因为载流子的输运过程非常迅速，常常发生在几个皮秒内，所以，非热力学平衡下载流子的输运过程的研究就要求实验系统具有非常高的时间分辨能力。到目前为止，被用于载流子输运过程研究的光学实验方法有瞬态光栅，空间分辨光致发光，以及超快激光泵浦探测技术。相比之下，基于超快激光的光学技术，因为其具有很高的时间分辨率，所以被当作是非热力学平衡下研究载流子动力学的标准工具。

本专利意在设计一种基于光反射的具有飞秒-纳秒时间分辨率的、瞬时响应的二维半导体材料中的光生载流子的全光学探测系统。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提供一种二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测系统，以在飞秒—皮秒时间尺度下实现了对二维半导体材料中载流子动力学的探测。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种二维半导体材料中光生载流子的差分反射探测系统，该系统包括二极管激光器、钛宝石激光器、光纤连续激光器、倍频晶体(BBO)、机械斩波器、机械位移平台、显微物镜、滤波片、光电探测器和锁相放大器；

二极管激光器作为泵浦源输出连续激光，连续激光被用于激发钛宝石激光器，钛宝石激光器输出脉冲激光；

钛宝石激光器的出射激光将被分束镜分成两束，分别用于激发倍频晶体(BBO)和光纤连续激光器，由倍频晶体(BBO)和光纤连续激光器所产生的激光将分别被用作泵浦激光和探测激光；泵浦激光用于激发样品产生载流子；而探测激光的频率则被调节至和样品激子态能量所对应的频率一致；

倍频晶体(BBO)输出的激光被输入到机械斩波器，机械斩波器输出的泵浦激光通过显微物镜后到达样品；

光纤连续激光器输出的探测激光通过机械位移平台，通过线性位移改变了探测激光的光程，然后通过显微物镜后到达样品；

样品的反射信号通过显微物镜和滤波片后到达光电探测器，样品的反射信号中泵浦激光被光电探测器前的滤波片滤去，光电探测器连接锁相放大器，锁相放大器连接机械斩波器，锁相放大器根据机械斩波器的频率去分析测量得到的探测激光反射信号，并通过锁相得到泵浦激光和探测激光因为光程差而产生的相位差恒定时的探测激光反射信号R和R₀，然后计算出差分反射信号R-R₀)/R₀，其中，探测激光的反射光在没有泵浦激光激发二维半导体材料时的反射信号为R₀，在有泵浦激光激发二维半导体材料时的反射信号为R。