飞秒激光泵浦探测系统的建立与调试研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编{_：：}：073315 飞秒激光泵浦一探测系统的建立与调试 祝捷1唐大伟1程光华2 韩鹏1赵卫2张兴3 1中国科学院工程热物理研究所，北京，100080；2中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光 00084 子技术国家重点实验室，西安，710068；3清华大学航天航空学院，北京，l 联系电话：01082543020Email：dwtang@ffIail．etp．ac．cn 摘要：建立了用来研究时间一空间微尺度传热现象的飞秒激光泵漓一探测系统。利用该系统测量并 50nm金膜的1FjF衡哇三予温升引起的反射信号随时问的变化曲 得到了在140fs超短脉冲激光加热下， 于物性参数随温度变化而引起的误差。论文介绍了在系统的调试过程中，各种因素对实验结果的影响， 并对实验结果及数据处理方法进行了讨论。 关键词：飞秒激光泵浦一探测系统；时问一空间微尺度传热；小温升：金膜 ’ ● 1引言‘ ． 从上世纪80年代初出现以来，飞秒(10一％)激光不仅在医学、超精细微加一f：、高 密度信息储存、激光受控核聚变等领域得到了广泛的应用，而且为基础研究提供了重要 实验手段，它的发展直接带动物理、化学、生物、能源、材料与信息科学的研究进入超 快过程阶段，并开创了一些全新的研究领域，如飞秒物理、化学、量子控制化学、半导体 相干光谱等。在热物理的基础研究方面，根据飞秒激光超短的特点发展起来的飞秒时间 分辨泵浦．探测技术可以分辨热传递载流子的相互作用进而提供微观热传递过程的观测 手段。 由于物体表面反射率与温度之间存在对映的关系，所以可以通过测量物体表面反射 率随时间的变化来获取温度变化曲线。但是，受到光电探测器时间分辨率的限制，传统 的非调制加热光一连续探测技术(in 象。1983年，Eesley首次引入调制加热泵浦一探测技术，实现了对在皮秒激光加热下， 金属铜的表面温度变化的测量【1J。1987年，他又用飞秒激光测量了金膜的超快热过程【2】。 并将多层膜结构的实验测量结果与数值模拟进行了对比，得到了良好的效果【56|。 对于超短脉冲激光加热问题，Anisimov等人从微观焦度出发，提出了双温度模型 子(格子)温度，当加热脉冲的时间与电子一声子耦合时间相当时，非平衡热效应就会 出现，这时的热传递现象不再满足Fourier定律。双温度模型预测的金属材料中的一些 热流方程中引入两个时间常数：热流滞后时间和温度梯度滞后时间，推出了双相滞模型， 把微尺度效应归结到两个时间滞后响应中去¨J。虽然此模型并不是由微观物理角度导出， 而且两个时间常数的物理意义具有很大的争议，但是它模拟出的结果也可以与实验相符 合。从基础研究的角度，为了能够对传热的微观机制更深一步的了解，以进而完善理论 模犁，这就要求匕秒激光泵浦一探测系统也要不断向前发展，使测鼙结果更精确，洲繁 1674 I勾容更多样化。 本文描述了飞秒激光泵浦一探测系统的原理，介绍了该系统的建立及调试过程，对 过程中遇到的技术问题进行讨论。使用该系统测最了以白宝石为基底的50nm金膜在飞秒激 光脉冲加热下，非平衡电子温升引起的表面反射信号随时问的变化曲线。 2飞秒激光泵浦一探测系统 2．1系统原理 对于金属晶体而言，其表面反射率与温度成近似线性关系pJ。所以，可以通过测量 反射率随时间的变化得到其温度的变化过程。图1所示为1{1秒激光泵浦一探测系统的测 量装置示意图。飞秒激光脉冲从激光器发出，通过偏振片，调整激光的水平偏振和竖直 偏振的比例，从而调整通过偏振分光棱镜后两束光的能量比，一般这个比例要大丁9：1 (加热光90％，探测光10％)。加热光经过声光调制器，被调制到预设的频率，然后由 物镜将其聚焦到被测试样表面。探测光要经过延迟