基于泵浦技术的超快热反射率测量.PDF

基于泵浦技术的超快热反射率测量 1 1 1,2 王维赛 ，王骁原 ，金忆凡 上海交通大学物理系，上海，中国200240 摘要：本文主要报告了应用泵浦技术，对铝进行由热效应所带来的反射率的变化的测量。为 研究金属中电子温度和晶格温度非平衡状态的热输运提供一个实验验证。 关键词：泵浦技术反射率非平衡热传导 1. 引言 从人类实现红宝石激光器的脉冲振荡以来，作为基础物理的一个领域，激光短脉冲化的 研究得到了快速的发展。飞秒激光就是在激光短脉冲化的进程中发展壮大起来的。981 年， [1] 贝尔实验室的 Fork 等人首次利用对撞锁模技术产生了数十飞秒的激光脉冲 ，1991 年， Spence 等人首次向人们介绍了自锁模钛宝石激光器，通过在钛宝石激光器的谐振腔中插入 [2] 棱镜对来补偿色散，获得了 60fs 的激光脉冲 。随着飞秒激光技术的发展，同时也兴起了 许多全新的学科，如飞秒化学、超快非线性光学和飞秒光谱全息学等。在物理方面，利用飞 秒激光技术可以研究光与物质相互作用过程中的各种超快动力学现象，例如用于半导体及其 [3] 量子阱微结构的超快光物理过程研究 ，用于制作超高速存储和读写的磁性材料的磁化与退 [4] 磁过程 等。 超快探测领域中，最常用的就是泵浦-探测技术（pump-probe measurement technique）， 它被用来观测物质内部的超快动力学。泵浦探测实验是一种时间分辨率极高的实验方法，其 时间分辨率主要由泵浦脉冲和探针脉冲的脉冲宽度所决定，因此，使用飞秒激光泵浦-飞秒 激光探测的实验可以很容易达到百飞秒量级的时间分辨率。 在飞秒时域内，金属中电子温度和晶格温度非平衡状态已经非常显著了，利用飞秒激光 泵浦-探测技术研究金属薄膜的超快动力学过程和非平衡热传导，可以推动微观尺度热物理 的发展，也在激光微加工与镀膜等应用技术领域有着现实意义。 2. 实验原理及装置图 超快探测领域中最常用的就是泵浦一探测技术．对于物质内部的超快动力学观测，它是 很有效的手段。在泵浦一探测技术中，超短脉冲激光经分束镜分成一束较强的泵浦光和一束 较弱的探测光。首先，泵浦光打到样品表面，使其激发到非平衡态；随后，样品驰豫到一个 新的平衡态。这个弛豫过程可以通过向样品发送探测光进行检测，记录被激发后样品的瞬时 状态，并通过控制延时平台调节两柬光的时间延迟△f 以获得样品激发态随时间演化的函数， 然后由计算机采集信号实现定量描述，通过探测光的相对变化，便可以测定载流子布居的变 化情况. 即在极短的时域内，材料吸收外部能量后的激发机理、受激快慢和恢复过程等，这些可 以通过分析材料内电子和晶格系统的温度变化来进行研究。由于受目前技术和测量仪器精度 的限制，对电子和晶格系统温度的测量难以保证其精确性，同时材料在激光加热后，表面温 度会发生改变，从而导致相应反射率的变化，因此可以通过测量反射率来分析研究材料内的 温度变化过程。应用飞秒激光泵浦-探测技术可以精确测量材料的瞬态热反射率，为研究材 料内的超快动力学过程提供了可能。 1， 上海交通大学 2， 通讯作者 邮箱kingephone@163.com 图1 图 1 是泵浦探测技术的示意图：泵浦脉冲的主要目的是用于激发样品的某一超快过程 并设定时间零点t 。探测脉冲则在相对于时间零点t 之后的其他若干延迟时刻（如图中t -t ） 0 0 1 3 对样品进行拍照，并利用探测器将每一延迟时刻的信息记录下来。这些延迟时刻是利用光程 差来实现的。在光泵浦光探测的情形下，泵浦光和探测光的光程每相差 1 微米，他们在时 间上的先后顺序就相差 3.3fs. 因此，选择合适的光路延迟，就可以获取相应的若干延迟时 刻的样品信息。