[发明专利]一种高重复频率的极紫外超快时间分辨光电能谱系统

说明书

一种高重复频率的极紫外超快时间分辨光电能谱系统，包括基于光纤啁啾脉冲放大的高重复频率超短脉冲激光系统，极紫外超短脉冲转换系统，光学参量转换系统及超短脉冲泵浦‑探测光电能谱系统；超短脉冲激光系统，通过光纤啁啾脉冲放大技术实现高重复频率超短脉冲激光的输出，高重复频率的超短脉冲激光输出通过分束片一分为二，其中一部分作为泵浦光；另一部分通过光学参量转换系统产生可见‑红外超短脉冲激光作为探测光；泵浦光和探测光共同进入超短脉冲泵浦‑探测光电子能谱系统，通过探测光电子能谱系统中合束器入射至探测光电能谱系统的光能能谱测量仪；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。本发明能谱信号信噪比好，稳定性高。

技术领域：

本发明涉及一种先进材料研究的光电能谱系统，特别涉及一种利用高重复频率的极紫外超快时间分辨光电能谱系统。

背景技术：

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^[3]，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。

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^[5]，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变得更实用化。

超快时间分辨光电能谱系统要求超短脉冲激光光源的重复频率较高，最好为(100kHz-1MHz)^[7]。因为重复频率越高，测量过程中的信噪比也就越好，空间电荷效应也能被降低。另外，重复频率越高也能有效的减少数据采集时间。测量时间越短，过程对固体激光器的稳定性，系统所处的环境(温度，湿度，振动)要求越低。更为关键的减少测量的时间能防止样品本身的特性随着测量过程发生变化，干扰测量结果。

但是，目前使用的钛宝石高功率飞秒激光主要通过再生放大或多通放大来获得高功率的脉冲激光,最高平均功率功率通常不超过10W。为了激发产生极紫外光子要求单脉冲的能量接近～1mJ，因此激光的重复频率被约束在几千赫兹(1kHz-10kHz)量级。因此，导致一次光电能谱数据测量需要花费很长的时间，动辄数天，甚至一周，不利于测试结果的信噪比，系统的稳定性及测试的可靠性。并且这样的激光系统制造、维护难度高，价格昂贵。因此，行业内急需开发一种低成本的，可靠性好的高重复频率极紫外超快时间分辨光电能谱系统。

参考文献：

[1]Einstein,A.,Ann.Physik 31,132(1905).

[2]Brundle,C.R.and Baker,A.D.et al.Vol.1,(Academic Press,New York,1977).

[3]Gierz I,et al.Nature materials,2013,12(12):1119-1124.

[4]Bachrach,R.Z,et al.Vol.1,(Plenum Press,New York,1992).

[5]Strickland D,Mourou G et al.Optics communications,1985,55(6):447-449.