單腔雙光梳激光器用于ASOPS異步光學采樣泵浦-探測應(yīng)用

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(shù)，主要用于觀察材料和生物系統(tǒng)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(fā)樣品內(nèi)的物理過程或化學反應(yīng)。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(fā)而導致的樣品光學性質(zhì)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(yīng)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(lǐng)域特別有用，它有助于理解能量轉(zhuǎn)移、光化學和其他重要過程的基本機制。實現(xiàn)高性能泵浦-探測測量系統(tǒng)有多種方法。下圖從概念上比較了實現(xiàn)優(yōu)異性能的泵浦-探測裝置所需的設(shè)備。K2-Photonics激光解決方案能夠以簡單的方式實現(xiàn)高性能的泵浦-探測測量，使這種泵浦-探測方法在實際應(yīng)用中易于部署。

主要挑戰(zhàn)：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(yīng)用中也是如此。長掃描范圍能夠研究總厚度達數(shù)十微米的復雜薄膜疊層，例如現(xiàn)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(zhuǎn)或發(fā)散容易產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，并且需要復雜的光機械系統(tǒng)。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(tǒng)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(shù)常用于超快光聲和其他瞬態(tài)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(jié)了ASOPS的關(guān)鍵參數(shù)：

異步光采樣（ASOPS）通常使用兩個獨立的超快激光器來實現(xiàn)，這兩臺激光器通過高頻鎖相環(huán)和高帶寬反饋電子設(shè)備進行同步。使用異步光采樣（ASOPS）實現(xiàn)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(shù)研發(fā)出了一種解決方案，該方案使用單臺激光器實現(xiàn)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(nèi)產(chǎn)生兩束脈沖序列來實現(xiàn)的，每束脈沖序列可分別用作泵浦源和探測源。

與傳統(tǒng)的雙激光器異步光采樣系統(tǒng)相比，這種單腔雙梳狀激光解決方案具有諸多優(yōu)勢。首先，它極大地簡化了實驗裝置，減少了所需的組件數(shù)量，使系統(tǒng)更加緊湊和穩(wěn)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(guān)的脈沖噪聲特性，因此提高了時間軸的穩(wěn)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(tǒng)的整體穩(wěn)定性。 

散粒噪聲限制信號檢測能力

K2 Photonics 選擇了固態(tài)激光技術(shù)來創(chuàng)建他們的單腔雙梳激光器系統(tǒng)。該技術(shù)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(shù)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(yīng)度決定。因此，在 K2 Photonics 系統(tǒng)中使用固態(tài)激光技術(shù)可實現(xiàn)更高的信噪比 ASOPS 測量，并具有優(yōu)異的線性時間延遲軸，使其成為超快光譜和其他應(yīng)用的更靈敏的工具。

K2 Photonics 在泵浦探測應(yīng)用中的優(yōu)勢

•  精度高

單腔結(jié)構(gòu)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(shè)置的實現(xiàn)流程。

•  靈敏度高

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