基于中红外量子级联激光器的pump-probe光路及熔融研究

发布时间：2020-06-07 03:57

【摘要】：熔融是一种从有序到无序的热力学相转变,在物质科学领域有重要的应用;由于其影响因素多、内部转变机理复杂,熔融一直以来都是科学研究的热点和难点。中红外量子级联激光器是一种新型半导体激光器,具有可调范围宽、线宽窄、功率高、偏振性高、分辨率高等特点,为在线研究熔融提供了可能。基于两台量子激光器组成的共振加热pump-probe光路,一束激光作为pump光,对应样品基团的强吸收峰,通过共振吸收产生的热效应快速诱导熔融;另一束激光作为probe光,对应样品特征吸收峰,通过红外吸收的变化反映结构转变。该pump-probe光路最高可实现纳秒级别的时间分辨,两束光均能作为探测光反映样品的熔融程度,从而实现在线跟踪结构变化,这也是该光路的突出优点。利用搭建的光路,以聚丁烯-1(iPB-1)球晶为实验样品,根据红外二向色性原理,证明了利用共振加热对球晶进行熔融雕刻是可行的,为快速熔融过程的原位在线研究提供了新的方法,为晶体等聚集态结构的定点调控提供了新的研究途径。以庚基联苯腈(7CB)为实验样品,根据分子各基团分别对应不同的红外吸收频率,利用量子级联激光器窄线宽的特点和光路时间分辨的特性,实现分子尺度上基团的定点共振加热,为熔融的微观研究提供了新的方法,同时也为材料改性提供了新的实验手段。总之,该实验光路为研究熔融过程提供了新的手段和方法,同时也极大地提高了红外光谱的时间分辨和拓展了量子级联激光器的应用。
【图文】：

示意图,量子级联激光器,能带结构,示意图

逡逑量子级联激光器的单个周期单元主要分为三部分：注入区、有源区以及弛豫逡逑区，单个能带结构如图１．１所示［２９］。逡逑ｉｎｊｅｃｔｏｒ逡逑ｈ邋ｎ逦ａｃｔｉｖｅ逡逑ｅ逦＼ｒ邋ｉ邋ｆｌ邋ｈ邋ｒｅｇｉｏｎ逡逑＾邋ｉｎｊｅｃｔｏｒ－逡逑Ｌ邋ｌｉ逦（Ｉｎ，逡逑ａｃｔｉｖｅ逦ｂ逡逑ｒｅｇｉｏｎ逡逑＞４逡逑图１．１量子级联激光器能带结构示意图逡逑２逡逑

原理图,光源,级联激光器,高输出功率

２．２光路设计逡逑我们基于中红外量子级联激光器，利用共振吸收原理设计的ｐｕｍｐ－ｐｒｏｂｅ光逡逑路，该光路设计原理图如图２．１所示。逡逑罕逡逑Ｄ邋Ｐｌａｎｅ逦Ｆｏｃｕｓｉｎｇ逡逑：秦，Ａ：：：：：：：，一逡逑ｚ逦Ｄｏｕｂｌｅ邋广忽、逡逑Ｃｌｍｐｐｖｉ逦ｈｅａｔｉｎｇ邋—＾逦￣逡逑ｃｈａｍｂｅｒ逦心逡逑Ｍ逡逑Ｐｌａｎｅ邋？邋？逡逑．邋ｔ逡逑ｍｉｎ邋ｏｒ邋ｆ逡逑ｔ逦＇一邋－逡逑图２．１邋Ｐｕｍｐ－ｐｒｏｂｅ光路原理图逡逑首先选用两台中红外量子级联激光器作为光源，一台高输出功率的光源作为逡逑ｐｕｍｐ加热光源，，另一台低输出功率的光源作为ｐｒｏｂｅ探测光源；ｐｕｍｐ光源对应逡逑分子某一基团的特定振动频率，由于样品分子的共振吸收产生强烈的热效应从而逡逑诱导熔融；ｐｒｏｂｅ光源对应该分子的其他基团的振动吸收峰，由于功率较低，不逡逑会产生明显的热效应。逡逑两束激光通过反射和聚焦镜，最终以一定角度交叉汇聚在样品同一点上，通逡逑１２逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248

【参考文献】