快速精確的薄膜檢測

介紹

泵浦-探測采樣是一種強大有效的技術，主要用于觀察材料和生物系統中的超快過程 （fs到 ns）。將超短激光脈沖（“泵浦"脈沖）照射到樣品上，從而激發樣品內的物理過程或化學反應。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而導致的樣品光學性質的變化。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的詳細時間記錄，且具有較高的時間分辨率。

泵浦-探測采樣在材料科學和化學領域特別有用，它有助于理解能量轉移、光化學和其他重要過程的基本機制。實現高性能泵浦-探測測量系統有多種方法。下圖從概念上比較了實現優異性能的泵浦-探測裝置所需的設備。K2-Photonics激光解決方案能夠以簡單的方式實現高性能的泵浦-探測測量，使這種泵浦-探測方法在實際應用中易于部署。

主要挑戰：光學延遲掃描

更長的泵浦-探測延遲通常是解析表面聲波和熱動力學所必需的，在皮秒超聲等應用中也是如此。長掃描范圍能夠研究總厚度達數十微米的復雜薄膜疊層，例如現代半導體微芯片中遇到的那些。不幸的是，使用機械延遲線進行如此長距離的掃描速度很慢，由于光束偏轉或發散容易產生系統誤差，并且需要復雜的光機械系統。此外，緩慢的光學延遲掃描速度需要對信號進行鎖相檢測以獲得高靈敏度，這進一步增加了系統的復雜性。

無需移動部件的快速光學延遲掃描：雙激光方法

異步光學采樣（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。這種技術常用于超快光聲和其他瞬態吸收研究。掃描范圍由泵浦光的重復頻率決定，掃描速度則由泵浦光和探測光的重復頻率之差決定。

下表總結了ASOPS的關鍵參數：

異步光采樣（ASOPS）通常使用兩個獨立的超快激光器來實現，這兩臺激光器通過高頻鎖相環和高帶寬反饋電子設備進行同步。使用異步光采樣（ASOPS）實現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延遲掃描：單激光方法

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

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

散粒噪聲限制信號檢測能力

K2 Photonics 選擇了固態激光技術來創建他們的單腔雙梳激光器系統。該技術使激光在高頻下具有超低強度的噪聲。通常，對于高于 1 MHz 的頻率，相對強度噪聲 （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度決定。因此，在 K2 Photonics 系統中使用固態激光技術可實現更高的信噪比 ASOPS 測量，并具有優異的線性時間延遲軸，使其成為超快光譜和其他應用的更靈敏的工具。

K2 Photonics 在泵浦探測應用中的優勢

•  精度高

單腔結構和共噪聲抑制確保了整個光學延遲掃描過程中時間軸上的飛秒級精度。

•  體積小

無需機械延遲塊和鎖相放大器，大大簡化了高性能泵浦探頭設置的實現流程。

•  靈敏度高

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