钛宝石飞秒系统

飞秒微加工系统方案激光的发明加快了人类文明的进步。激光以其高相干性，高能量等特点，使其已经广泛应用于人类生活的各个领域，例如激光焊接，激光测距，激光雷达等等。其中激光加工也是一个重要领域。传统的激光加工一般使用纳秒量级脉冲激光或是像CO2激光（10.6um）这样的强激光，随着飞秒激光的逐渐普及，使用成本逐渐降低，使用飞秒激光作为加工光源也越来越受到关注。飞秒激光加工的特点主要有：1，飞秒激光脉冲与材料相互作用时间在一个非常短的时间（飞秒量级），因此可以实现材料的冷加工， 2，飞秒激光可以聚焦到透明材料的内部，实现真正的三维微加工，3，超快激光可以使材料发生多光子吸收，可以突破光学衍射极限进行加工，飞秒微加工的研究领域：可用于飞秒3D打印，双光子聚合等加工技术。可用于切割，打孔，烧蚀，表面微结构等加工技术。由于飞秒激光持续时间很短，可以在易碎易燃材料上获得高质量的烧蚀形貌用于材料的内部改性处理。例如用飞秒激光在玻璃内部进行光波导直写，光存储以及新相材料的制作 飞秒激光直写加工系统一般根据制作方式可分为基于扫描振镜方式和基于样品位移台两种。扫描振镜的方式其优点在于加工精度很高，但是加工的范围有限基于样品位移台的则可以分为：1，使用高质量三维压电位移台，可以获得亚纳米级别的精度，范围可以到几百微米。2，使用高质量的电机驱动的直线气浮平台。其优点在于移动范围可以达到几厘米。卓立汉光基于多年的显微拉曼荧光系统，结合高功率飞秒激光，推出飞秒激光直写加工系统！ 图1：飞秒加工直写系统简图图2：显微系统简图飞秒激光推荐方案：激光器中心波长：1030nm,输出功率： =20W@ 50-200KHZ, 400uJ@1-50KHz, 脉宽：290fs 一体化免维护设计；三维位移台推荐方案： 室温 压电运动⽅ 案 —“Carrier. 系列“ ⼤ ⾏ 程扫描载物台 — 精密光学，半导体表征⼤ 范围压电扫描台Carrier.S200.XY产品特⾊ &bull 两维度XY 扫描运动 200 um × 200 um；&bull 闭环定位精度优于 1nm；&bull 最⼤ 负载 500 g；&bull 针对光学显微镜-超分辨定制化解决⽅ 案；&bull ⽀ 持⽆ 磁( .NM)和⾼ 真空( .UHV)选件升级Carrier.S200.XY ⼤ 范围压电扫描台 — 技术参数 可选版本 ⇨ 正常版本.NM 绝对⽆ 磁版本；.HV， ⾼ 真空版本 .UHV ，超⾼ 真空版本；1 底⾯ 尺⼨ *⾼ 度180 mm × 150 mm × 20 mm2 主体材料铝合⾦ 3 中空透孔80 mm × 60 mm4 运动⾏ 程200 um × 200 um5 闭环分辨率优于1nm6 推荐最⼤ 负载500 g7 闭环传感器电容式8 电容精度0.3 nm9 压电电容(X, Y)6.5 uF15 到 40 摄⽒ 度10 推荐使⽤ 温度11 质量1 kg12 安装螺纹孔⾃ 动兼容 Carrier.L7550.XY

深紫外飞秒激光器概述以可调谐的锁模钛宝石激光器作为基频光源，经过多级倍频/和频来产生192-200nm波段的深紫外超短脉冲激光（图1）。 图1. 192-200 nm超短脉冲激光产生方案示意图 基于基频光源的不同选择，激光波长还可以实现大范围的调谐，最大范围可覆盖192-300 nm波段，且连续可调。另外还可输出覆盖二次谐波(375-500 nm)、三次谐波（（230-300 nm）波段的可见、紫外超短脉冲激光。另外，基频光源也可选择1 μm波段（1064 nm、1030 nm）锁模激光器，可获得四次谐波（~260 nm）和五次谐波（~210 nm）的紫外激光。 图2. 激光器实物图（192-300 nm连续调谐，尺寸1300*600*200mm3，不含基频源） 技术特点： 覆盖深紫外、紫外、可见光的大范围波长调谐 电动控制波长调谐 高指向稳定性 图形化人机交互界面 波长可扩展深紫外飞秒激光器应用领域： 超快光谱探测 高精密激光加工 荧光寿命探测 非线性光学2. 基频光源技术参数典型的基频光源可选择Coherent公司CHAMELEON 系列钛宝石激光器或Spectra-Physics公司的Maitai HP系列激光器。主要技术指标如下： 技术指标典型参数波长 780 nm或波长可调谐 根据需求固定激光波长，或可调波长脉冲宽度100 fs、50 fs重复频率 80 MHz光束质量M21.3功率 ~2.5W@780 nm 取决于最终需求的深紫外激光功率，2.5W基频光对应于约4mW的195nm激光功率 3. 输出技术指标（1）195 nm激光输出功率约4 mW（基频功率2.5W@780nm）.（2）195 nm激光输出功率约0.5 mW（基频功率1.4W@780nm） 技术指标典型参数波长195nm或波长可调谐192-300nm根据需求固定激光波长，或可调波长脉冲宽度~500fs@266nm基频光脉冲宽度100fs时测试结果重复频率80MHz功率~4mW@195nm典型调谐功率见下图（（基于MaitaiHP基频源测试）图3.各波段激光输出功率：（a）二次谐波；（b）直接四次谐波；（c）三次谐波；（d）四次谐波（和频）。

背景介绍—瞬态吸收光谱和瞬态吸收成像的应用基于泵浦探测（Pump-Probe）原理的瞬态吸收光谱，在频率维度和时间维度上提供了丰富的光谱和动力学信息，过去的几十年应用于物理、化学、材料、能源、生物等广泛领域。当今，许多领域科学研究的范式和需求都在不断更新。尤其是随着钙钛矿光伏、二维材料、量子器件、高温超导等前沿领域的发展，科学家迫亟需在空间维度上揭示载流子等微观离子的迁移和演化规律，研究微纳米材料的物理态在空间分布上的异质性。瞬态吸收成像，可在空间和时间维度上研究微观粒子和能量的运动和演化，是研究微观粒子和能量的时空演化、阐释微观机制的重要工具。瞬态吸收成像，一般有两种实现方式，点扫描成像和宽场成像。相对点扫描成像，宽场成像模式具有速度快、通量高，成像质量更加细腻的特点。Omni-TAM900为北京卓立汉光仪器有限公司全新推出的一款宽场飞秒瞬态吸收成像系统。该系统集成像和动力学于一体，联合飞秒泵浦-探测技术和显微技术，通过自主知识产权的干涉放大技术增强图像信噪比，可获得高质量的成像效果并大幅度缩短测试时间。仪器基本功能和性能：仪器具有点泵浦-宽场探测，和宽场泵浦-宽场探测两种工作模式。分点泵浦模式可用于测量载流子迁移和热导率等；宽场泵浦模式可用于测量载流子分布和物理态的空间异质性等。仪器特点和创新高灵敏、高通量，可测量到单个纳米颗粒、单层石墨烯乃至单层分子晶体的瞬态吸收信号。仪器原理和实现方式Omni-TAM900宽场飞秒瞬态吸收成像系统原理如下图所示，经过飞秒激光器和光学参量放大器（OPA）之后出来的飞秒激光，通过显微镜的光学系统进入，并作为泵浦光源激发样品，而另一束经过空间调制的探测光在一定的时间延迟之后也经过显微系统到达样品，样品在激发态对探测光产生的吸收情况会被显微镜上的sCMOS 相机记录下来。通过调节光学延迟线（Optical Delay Line），得到样品在不同延迟时间下的sCMOS图像。Omni-TAM900 可以有两种成像模式（如下图所示）： 聚焦泵浦光模式（点泵浦，宽场探测）和宽场泵浦光模式（宽场泵浦、宽场探测），前者主要用于研究载流子的迁移，后者用于检测载流子的空间分布状况。软件软件可进行同步采集，自动控制和处理，载流子的寿命、载流子的迁移速率、载流子的分布、动力学等信息均可以通过软件得到。应用方向及实测数据 Omni-TAM900宽场飞秒瞬态吸收成像系统是测量载流子时空演化的强大工具，可广泛应用于物理、材料及器件的前沿研究，比如：太阳能电池、低维材料、量子器件、超导材料、新型半导体、纳米催化、生物传感等，对纳米尺度和飞秒时空尺度中的超快的物理、化学及生物过程进行监测。 金属镀膜中的载流子迁移和热扩散10 nm厚金属薄膜上的超快热载流子和热扩散，采用仪器的点激发，宽场探测模式。半导体中的载流子迁移和热扩散同时监测Si基半导体中的载流子迁移和热扩散（可测量半导体材料的热导率），采用仪器的点激发，宽场探测模式。光伏材料中的载流子迁移和演化钙钛矿CsPbBr3载流子成像，迁移动力学及边缘态动力学研究。采用仪器的宽场激发，宽场探测模式催化材料中的热载流子分布和“热点”局部热电子密度高、寿命长，可能具有更高的催化活性。采用仪器的宽场激发，宽场探测模式。新型二维材料中的边缘物理态研究二维WS2中激子分布情况，激子寿命研究。可以看到，多层的边缘具有更高激子密度和更长激子寿命技术参数 光源飞秒激光 +OPA，激光波长范围取决于应用场景检测器sCMOS成像空间分辨率500 nm载流子迁移定位精度30nm时间分辨率500 fs (100 fs 激光脉冲条件下）时间延迟线0-4 ns/0-8 ns显微镜模块倒置显微镜，上方为开放空间，后期可兼容低温模块、探针台、电学调控、磁场等特殊实验场景。测量模式点泵浦 + 宽场探测（载流子迁移）宽场泵浦 + 宽场探测（载流子分布）仪器工作模式反射 / 散射已发表文献：J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 13928专利：202110510123.X（以上展示的所有实测数据均为本型号仪器测得，并已公开发表，更多细节请查阅以上文献）。更多参考文献：（为了方便用户参考研究前沿，如下列出一些国际上利用瞬态吸收成像方法的研究案例。这些数据并非用该型号仪器获得，但是卓立Omni-TAM900仪器可实现这些应用场景中的绝大多数功能。如有特殊需求，欢迎与卓立汉光联系。）Science 2017, 356, 59 (钙钛矿超长热载流子)Nat. Mater. 2020, 19, 617 （转角二维量子异质结）Science 2021, 371, 371 （超导材料电荷密度波）Science 2022, 377, 437 （立方砷化硼超高载流子）Nat. Mater. 2020 , 9, 56 (材料中的携能载流子)