技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种先进材料研究的光电能谱系统，特别涉及一种飞秒级超快时间分辨光电能谱系统。
背景技术
[0002] 光电能谱是基于
光电效应[1]，使用单色高能
光子从样品上激发出光
电子，利用产生
光电子的
动能、强度和
角分布等信息来研究
原子、分子、凝聚相，尤其是固体表面的电子能带结构[2]，甚至能够了解原子核内层电子的运动情况。而当单色激发光从连续光变成脉冲激光时，光电能谱就具有了时间分辨的功能，利用超短脉冲激光分辨出样品表面电子的[3]激发过程，能够在时间尺度上分辨出电子运动、复合，弛豫等超快动
力学过程 ，为人类了解新
型材料、精密操控材料的生长、以及研究将来工业化应用提供了一种先进的研究手段。
[0003] 以往，极紫外脉冲
光源可通过同步
辐射装置获得[4]，但同步辐射设备占地面巨大，成本极高，一般需要国家层面支持建设，而且同步辐射光源的脉宽一般在皮秒量级，时间分[5]辨的能力受到限制。近年来，随着固体飞秒脉冲激光技术的发展 ，以
钛宝石作为增益介质的高功率飞秒脉冲激光被用于激发惰性气体，产生极紫外激光高
能量光子[6]，从而在系统结构及成本上，使得超快时间分辨的光电子能谱成为可能。
[0004] 为了实现飞秒级超快时间分辨的光电子能谱测量，一般采用基于钛宝石的飞秒激光作为光源，用来产生高次谐波。但，传统的
光谱仪引入过多色散，导致脉冲宽度展宽，难以实现飞秒级的测量。另外多层介质镜或者滤波片虽然可以保证脉宽，但是价格昂贵，且不能实现多个
波长的测试，不足以满足日益增长的科研需求。因此，行业内急需开发一种低成本的，可靠性好的飞秒级超快时间分辨光电能谱系统。
[0005] 参考文献：
[0006] [1]Einstein,A.,Ann.Physik 31,132(1905).
[0007] [2]Brundle,C.R.and Baker,A.D.et al.Vol.1,(Academic Press, New York,1977).
[0008] [3]Gierz I,et al.Nature materials,2013,12(12):1119-1124.[0009] [4]Bachrach,R.Z,et al.Vol.1,(Plenum Press,New York,1992).[0010] [5]Strickland D,Mourou G et al.Optics communications,1985,55(6): 447-449.
[0011] [6]Krause J L,Schafer K J,Kulander K C.Physical Review Letters, 1992,68(24):3535.
[0012] [7] S,Klenke A,Rothhardt J,et al.Nature Photonics,2014, 8(10):779-783。
实用新型内容
[0013] 本实用新型目的，所要解决的技术问题是：针对当下利用高次谐波作为光电子能谱的光源，存在传统光栅分光时脉宽过宽，难以实现飞秒级测量，利用滤波片又难以实现多波长测试的问题，本实用新型提供了一种飞秒级超快时间分辨光电能谱系统装置。
[0014] 本实用新型技术方案，一种飞秒级超快时间分辨光电能谱系统，包括超短脉冲激光系统，极紫外超短脉冲生成系统，光学参量转换系统以及光电能谱系统；超短脉冲激光系统的激光输出通过分束片一分为二，其中一束通过光学参量转换系统输出可见-红外超短脉冲激光作为
泵浦光，另一束通过极紫外超短脉冲生成系统输出高光子能量的激光作为探测光；泵浦光和探测光共同进入光电能谱系统，通过泵浦-探测合束器入射至光电能谱系统中的样品表面，被激发的光生电子进入光电能谱系统的光电子能谱仪；极紫外超短脉冲激光生成系统，光电能谱系统均位于
真空系统中；
[0015] 所述超短脉冲激光系统包括超短脉冲
锁模
振荡器，脉冲展宽器，激
光放大器，
脉冲压缩/整形器；所述激
光放大器包括调Q
激光器，
谐振腔，普克尔盒。
[0016] 所述极紫外超短脉冲激光生成系统包括极紫外超短脉冲激光产生器以及极紫外超短脉冲激光单色仪；
[0017] 所述光学参量转换系统，通过非线性晶体将泵浦激光转换至紫外至红外波段；
[0018] 所述极紫外超短脉冲激光产生器，极紫外超短脉冲激光单色仪，泵浦光和探测光合束器及光电子能谱仪均位于真空系统中。
[0019] 设有极紫外超短脉冲激光聚焦器件，极紫外超短脉冲激光多维调整机构将超短脉冲激光聚焦至特定惰性气体产生极紫外脉冲激光。
[0020] 所述极紫外超短脉冲激光单色仪包括光栅，或者滤波片，或者多层镜，反射镜及其多维调整结构。
[0021] 所述泵浦光和探测光合束器包括反射镜，聚焦镜，多维调整机构；
[0022] 真空系统包括
外壳、真空产生系统，真空测量系统。
[0023] 所述光电能谱系统包括：时间同步装置，泵浦光和探测光合束器以及光电子能谱仪；所述光电能谱仪包括半球分析仪，飞行时间质谱仪等用于光电能谱的设备。
[0024] 所述外壳上设有激光输入窗口，观察窗口。
[0025] 本实用新型有益效果：本实用新型所提供的一种飞秒级超快时间分辨光电能谱系统有如下优势：
[0026] 1、采用所述的极紫外超短脉冲激光生成系统，本系统能够获得飞秒级的单色极紫外激光进行光电能谱测试。
[0027] 2、采用所述的极紫外超短脉冲激光生成系统，本系统能够获得不同光子能量的单色极紫外激光进行光电能谱测试。
[0028] 3、采用所述的光学参量转换系统，本系统测试各种带隙的材料，从数十meV 到几个eV。
[0029] 4、对比于其他采用传统固体激光器的光电探测系统，本系统提供了一种更加紧凑，更加有效的装置，既节约成本，也减小占地面积，以便其在一般实验室的使用和推广。
附图说明
[0030] 图1为本实用新型一种飞秒级超快时间分辨光电能谱系统的结构示意图。
[0031] 图2为本实用新型一种飞秒级超快时间分辨光电能谱系统中真空系统部分的结构示意图。
[0032] 图3为根据本实用新型一种飞秒级超快时间分辨光电能谱系统的
实施例中整个光电能谱系统的结构示意图。
[0033] 图4为根据本实用新型一种飞秒级超快时间分辨光电能谱系统的实施例中超短脉冲激光系统的结构示意图。
[0034] 图5为根据本实用新型一种飞秒级超快时间分辨光电能谱系统的实施例中极紫外脉冲激光产生器的结构示意图。
[0035] 图6为根据本实用新型一种飞秒级超快时间分辨光电能谱系统的实施例中极紫外超短脉冲激光单色仪的结构示意图。
[0036] 图7为根据本实用新型一种飞秒级超快时间分辨光电能谱系统的实施例中泵浦光和探测光合束器的结构示意图。
[0037] 图8为根据本实用新型一种飞秒级超快时间分辨光电能谱系统的实施例中光电能谱仪的结构示意图。
[0038] 图9为根据本实用新型一种飞秒级超快时间分辨光电能谱系统的实施例中真空系统的结构示意图。
[0039] 图10为根据本实用新型一种飞秒级超快时间分辨光电能谱系统的实施例中极紫外超短脉冲激光生成系统所得到的的光谱。
[0040] 图中：1-超短脉冲激光系统；1.1-超短脉冲锁模振荡器；1.2-脉冲展宽器，1.3- 激光放大器，1.4-脉冲压缩/整形器
[0041] 2-极紫外超短脉冲激光生成系统；2.1-极紫外脉冲超短脉冲激光产生系统； 2.1.1-激光输入窗口；2.1.2-凸透镜；2.1.3-稀有气体盒子；2.1.4-多维调整机构； 2.1.5-极紫外激光输出窗口；2.2-极紫外超短脉冲激光单色仪；2.2.1-激光输入窗口；2.2.2-曲面反射镜；2.2.3-闪耀光栅；2.2.4-曲面反射镜；2.2.5-狭缝； 2.2.6-激光输出窗口；
[0042] 3-光电能谱系统；3.1-时间同步装置；3.2-泵浦光和探测光合束器；3.2.1-探测光输入口；3.2.2-泵浦光输入窗口；3.2.3-平面反射镜；3.2.4-曲面反射镜； 3.2.5-合束输出窗口；3.3-光电子能谱仪；3.3.1-合束输入窗口；3.3.2-真空反应腔；3.3.3-样品固定架；3.3.4-半球电子能谱分析仪；
[0043] 4-光学参量转换系统；5-真空系统；5.1-激光输入窗口；5.2-泵浦光输入窗口； 5.3-观察窗口；5.4-真空产生系统；5.5真空测量系统。
具体实施方式
[0044] 下面结合
说明书附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
[0045] 实施例：
[0046] 如图3所示，本实施例记载了一种飞秒级超快时间分辨光电能谱系统，包括超短脉冲激光系统1，极紫外超短脉冲激光产生器2.1，极紫外超短脉冲激光单色仪 2.2，时间同步装置3.1,泵浦光和探测光合束器3.2，光电子能谱仪3.3，光学参量转换系统4。
[0047] 所述极紫外超短脉冲产生器，极紫外超短脉冲单色仪，泵浦光和探测光合束器，光电子能谱仪均在所述真空系统3中。
[0048] 超短脉冲激光系统是基于钛宝石放大技术，能够实现高能量脉冲的激光输出。通过特定分束比例的分束片，激光被一分为二，分别进入极紫外超短脉冲激光生成系统和光学参量转换系统。
[0049] 进入极紫外超短脉冲激光生成系统的激光聚焦至特定惰性气体中，激发产生极紫外超短脉冲激光(即高次谐波)，其包括了多个波长的激光。接着，通过极紫外超短脉冲单色仪，极紫外超短脉冲激光能够实现在空间上的分离，结合特定的手段，我们能够获得单色的极紫外超短脉冲激光，作为光电能谱测量的探测光。
[0050] 进入光学参量转换系统的激光通过非线性晶体被转换成紫外-红外波段的超短脉冲激光，作为光电能谱测量的泵浦光。
[0051] 探测光和泵浦光共同进入光电能谱系统。泵浦光首先要经过时间同步装置，通过装置中延迟线的改变来实现探测光和泵浦光在时间上的延迟。接着，探测光和泵浦光通过合束器合束，一起进入光电子能谱仪。
[0052] 泵浦光先到达样品，激发样品的电子，发生跃迁等作用。然后经过特定时间差 (可通过时间同步装置来改变时间差)，探测光达到样品，探测样品内电子的跃迁，弛豫情况，分析其超快动力学问题。
[0053] 所述超短脉冲激光系统1包括：超短脉冲锁模振荡器1.1，脉冲展宽器1.2，激光放大器1.3，脉冲压缩/整形器1.4。
[0054] 如图4所示，本实施例中超短脉冲锁模振荡器1.1能够输出中心波长为800nm 波段，重频
频率为1kHz,脉宽为50fs的超短脉冲激光(注意，本实施例也可采取其他波段，重频等其他参数的振荡器)；脉冲展宽器1.2利用具有色散效应效果的元件 (例如光栅，色散光纤等)对激光脉宽进行展宽；激光放大器1.3主要是利用调Q 激光器和钛宝石谐振腔对脉冲能量进行放大；脉冲压缩/整形器1.4利用色散补偿装置来减小脉冲的脉宽，达到飞秒级别。
[0055] 如图2或者图9所示，所述真空系统包括：激光输入窗口5.1，泵浦光输入窗口5.2，观察窗口5.3，真空产生系统5.4，真空测量系统5.5。
[0056] 在本实施例中，所述真空系统中激光输入窗口5.1与泵浦光输入窗口5.2均采用低色散窗片，确保激光的脉宽不被展宽。所述真空系统中真空产生系统，主要通过干泵和分子泵组成两级
真空泵来维持真空系统的真空度；所述真空系统中真空测量系统：主要通过复合
硅真空计来测量真空度。
[0057] 所述极紫外超短脉冲激光产生器包括激光输入窗口2.1.1，凸透镜2.1.2，稀有气体盒子2.1.3，多维调整机构2.1.4，极紫外激光输出窗口2.1.5。
[0058] 如图5所示，在本实施例中凸透镜2.1.2焦距等于800mm,用来聚焦入射脉冲激光，焦点在气体
喷嘴2.1.3中心。
[0059] 多维调整机构2.1.4主要是用于调节气体喷嘴的
位置，以满足高次谐波生成过程中的
相位匹配。
[0060] 本实施例中，极紫外超短脉冲产生器中的真空度在10-3mbar左右。
[0061] 所述极紫外超短脉冲激光单色仪2.2包括：激光输入窗口2.2.1；曲面反射镜 2.2.2；闪耀光栅2.2.3；曲面反射镜2.2.4；狭缝2.2.5；激光输出窗口2.2.6；入射的极紫外超短脉冲激光通过曲面反射镜2.2.2的
准直之后入射到闪耀光栅2.2.3 上,闪耀光栅的分光作用使得极紫外超短脉冲激光能够在空间上分离开，然后再通过曲面反射镜2.2.4的汇聚，聚焦在可调节狭缝2.2.5，通过改变狭缝的大小能够挑选出极紫外超短脉冲激光。
[0062] 本实施例中，狭缝大小为100微米，能够分辨10-40eV的极紫外超短脉冲激光；在极紫外超短脉冲激光单色仪2.2之后还安装一个深紫外探测器，来定量地测量极紫外激光的光子数。如图10所示，在本实施例中，所述极紫外超短脉冲激光生成系统得到不同光子能量的极紫外激光，应用于不同科研需求。
[0063] 在本实施例中极紫外激光分光系统的真空度在10-7mbar左右。
[0064] 所述泵浦光和探测光合束器3.2：探测光输入口窗口3.2.1；泵浦光输入窗口 3.2.2；平面反射镜3.2.3；曲面反射镜3.2.4；合束输出窗口3.2.5；
[0065] 如图7所示，在本实施例中，所述泵浦光和探测光合束器中探测光输入窗口 3.2.1和上一级极紫外激光分光系统2.2中激光输出窗口2.2.6通过不锈
钢钢管相连。入射的极紫外激光通过曲面反射镜3.2.4，聚焦到光电能谱测量系统。来自光学参量转换系统4的另一束激光从激光输入窗口3.2.2入射到真空腔体内，通过反射镜 3.2.3入射到光电能谱测量系统。
[0066] 在本实施例中，激光汇聚系统的真空度为10-9mbar。
[0067] 所述光电子能谱仪3.3，合束输入窗口3.3.1；真空反应腔3.3.2；样品固定架 3.3.3；半球电子能谱分析仪3.3.4；
[0068] 如图8所示，在本实施例中，光电能谱测量系统3.3中激光输入窗口3.3.1与前一级泵浦光和探测光合束器中合束输出窗口3.2.5通过
不锈钢管道和刀口
法兰相连。
[0069] 样品通过传送机构放置在光电能谱测量系统中样品固定架3.3.3上。两束激光分别聚焦在样品的同一位置，但两者脉冲之间存在一个时间延迟，这个时间延迟可以通过时间同步装置3.1来调节。这样一来，高能量的光子不仅可以激发样品表面的电子，而且具有时间分辨的功能，精细分辨出电子在超快过程中的运动机制。半球分析仪3.3.4由SPECS公司提供，主要负责收集被激发出的光子，通过改变半球分析仪的角度，能够收集到不同角度的光子
信号，分析其动量信息。
[0070] 在本实施中，反应腔3.3.2的真空度在10-10mbar左右。
[0071] 应当指出，在不脱离本实用新型原理的前提下，作适当
修改或者替换，这些修改或者替换也应视为本实用新型的保护范围。
