- лазер с перестраиваемой длиной волны;
- оптическая схема, обеспечивающая регулировку свойств пучка, фокусируемого на образце;
- гелиевый криостат замкнутого цикла, обеспечивающий рабочую температуру до 2,5 К;
- балансный фотодетектор с быстродействием до 1 нс;
- радиочастотный спектроанализатор, осуществляющий быстрое преобразование Фурье.
- накачка диодным лазером Sprout (мощность до 10 Вт, длина волны 532 нм);
- возможность плавной перестройки длины волны в диапазоне от 700 до 1050 нм (с использованием четырёх сменных комплектов зеркал) с точностью до 0,01 нм;
- мощность ИК излучения — до 1,5 Вт;
- возможность автоматического плавного сканирования длины волны;
- возможность установки нелинейного кристалла для генерации второй гармоники (длины волн от 350 до 515 нм) мощностью до 10 мВт;
- управление лазером как вручную, так и автоматизированно при помощи ПК.
- рабочая температура — до 2,5 К;
- кубическая камера с окнами диаметром 4,5 см на 5 гранях;
- минимальное расстояние от окон до образца — около 3,5 см (с возможностью его уменьшения с соответствующим повышением минимальной рабочей температуры);
- охлаждение до рабочих параметров — 110 минут;
- возможность установки электромагнитной приставки, максимальная напряжённость поля — до 0,7 Т;
- встроенная система вакуумной откачки и продувки камеры азотом.
- единовременное накопление спектра в окне шириной до 110 МГц, частотный диапазон — до 3 ГГц;
- набор программных средств для визуализации накапливаемого сигнала, позволяющее отслеживать короткие и долгосрочные изменения спектра;
- встроенный предусилитель на 15 дБ с предельно низким уровнем собственных шумов;
- подключение к другим устройствам по шинам GPIB, USB, COM, локальной сети и др.
- возможность проведения невозмущающих измерений (длина волны пробного света далеко отстоит от линии поглощения образца);
- возможность изучения динамики намагниченности частиц с очень малым или даже нулевым расщеплением по магнитному полю (для анизотропных сред);
- потенциальная возможность томографирования свойств образцов посредством сканирования каустикой сфокусированного лазерного луча;
- дополнительная расшифровка оптических спектров по шумовым сигналам, полученным для различных длин волн; в том числе разделение вкладов однородного и неоднородного уширения линий и разделение нескоррелированных подсистем.
- высоко-разрешающая оптическая спектроскопия. Характерное спектральное разрешение определяется возможностью перестройки частоты генерации лазера с шагом порядка ∆ν ~ 100 MHz, регистрируемым с помощью интерферометра Физо [1].
- магнитодинамика, наблюдаемая по стационарному либо время-разрешенному фарадеевскому вращению (временное разрешение: ∆t ~ 20–1000 мкс). Высокое соотношение сигнал/шум достигается за счет применения поляризационных оптических модуляторов PEM и EOM.
- спектроскопия спиновых шумов. Поляризационные шумы света, зондирующего спиновую систему, могут наблюдаться в полосе регистрации, ограниченной fmax < 1000 МГц (детектор A) либо fmax < 100 МГц (детектор B). Применение геометрии высокой поляризационной экстинкции и оптического гомодинирования позволяет определять времена спиновой релаксации в широком диапазоне плотностей мощности оптической накачки [2].
- M. Yu. Petrov et al., “Homogenization of Doppler broadening in spin-noise spectroscopy”, Phys. Rev. A 97, 032502 (2018).
- M. Yu. Petrov et al., “Increased sensitivity of spin noise spectroscopy using homodyne detection in n-doped GaAs”, Phys. Rev. B 97, 125202 (2018).
- A. A. Fomin et al., “Spin-alignment noise in atomic vapor” (submitted); arXiv:1906.03163 (2019).
(открыть на отдельной странице)
Разрешение по времени обязательно для исследования «когерентной оптической динамики». Этим термином характеризуют процессы, происходящие при взаимодействии света с материальной средой за очень короткие промежутки времени, вплоть до единиц пикосекунд (1 пс = 10-12 с). Тенденция к изучению и использованию все более быстрых процессов, как и все меньших пространственных размеров объектов, является одним из основных направлений развития науки и техники по причине потребности общества в ускорении работы систем передачи и обработки информации.
Привычная для нас электроника, в том числе и лабораторная, живет временами не быстрее порядка наносекунд. Сверхбыстрая измерительная техника накачки-зондирования лазером (ссылка) и искусственные материалы, в которых оптические процессы идут на порядки быстрее наносекунды, позволяют наблюдать и изучать динамику когерентных процессов. Такой техникой изучаются и объемные (ссылка на типы объемной твердотельной технологии), и низкоразмерные (ссылка на понижение размерности), и микроскопического размера материалы (ссылка на мезоскопию). Например, квазидвумерные (ссылка) материалы, или создаваемые (ростовиками нашего института) методом молекулярно-пучковой эпитаксии (ссылка) высококачественные полупроводниковые гетероструктуры.
Наша установка благодаря временной расстройке между лазерными импульсами накачки и зондирования позволяет получать низкотемпературные время-разрешенные и спектры отражения, и спектры вращения плоскости поляризации отраженного света (ссылка на спиновый эффект Керра) от образца после воздействия на него импульса накачки.
Рис.1. Схема эксперимента ((P)BS - (polarizing) beam splitter, разделительный куб; PEM - photo-elastic modulator; HWP - half-waveplate, полуволновая пластинка)
Схема установки представлена на Рис. 1. Тип накачки-зондирования – вырожденный, так как используется один импульсный лазер, пучок которого разбивается надвое с помощью разделительного куба. Используется фемтосекундный импульсный титан-сапфировый лазер с шириной импульса меньше 100 фс (∼ 80 фс) и периодом повторений 12,5 нс – такова и максимальная временная задержка импульсов накачки и зондирования относительно друг друга. На пути и задаче каждого из них сейчас остановимся поподробнее. Итак, выходя из лазера, пучок встречается с призмой Глана и становится линейно поляризованным. Таким он разделяется надвое. После разделения один из них проходит сначала через механическую линию задержки (до 6 нс, ) из системы зеркал (одно из которых – уголковый отражатель, закрепленный на автоматизированной подвижке). Затем через поляризатор (для контроля интенсивности и возвращения линейной поляризации после множественных отражений в пути) и фотоэластический модулятор (photoelastic modulator, PEM), модулирующий по циркулярной поляризации на частоте около 50 кГц (что впоследствии позволяет демодулировать сигнал с помощью синхронного детектора после образца). Далее, через объектив падает на образец, причем строго перпендикулярно его плоскости. Перпендикулярность необходима по причине расходимости пучка, то есть изменения диаметра пучка вследствие увеличения длины пути за счет движения линии задержки. Это накачка – она создает неравновесное состояние системы, динамика, релаксация которого нам и интересна. Другой же пучок – зондирование. Он сообщает нам о состоянии системы по прошествии времени задержки после возбуждения накачкой. За разделительным кубом на пути к образцу он проходит через механический прерыватель (chopper) с частотой 451 кГц для модуляции интенсивности (увеличения отношения сигнала к шуму) и дискриминации фона рассеянного пучка накачки. Затем через поляризатор, выполняющий ту же функцию, что и для пучка накачки: контроль интенсивности и корректировка в линейности поляризации. В нашем эксперименте этот пучок падает на образец под небольшим углом к нормали. Угловое разделение (angular separation) вводится между импульсами для более чувствительного детектирования слабого сигнала зондирования при фокусировании на образце в пятно микрометрового размера. Температура образца контролируется в камере гелиевого криостата замкнутого цикла (от 4 К и выше), закрепленной на трехмерной подвижке, из-за чего возможно точное позиционирование относительно падающего излучения. После взаимодействия с образцом, после отражения, пучки выходят наружу обратно через объектив и отклоняются разделительным кубом на детектирующую систему и камеру. Камера предназначена для поиска на подложке образца и соотнесения пятен накачки и зондирования в необходимой части образца. Детектирующая система состоит из поляризационной призмы Волластона, разделяющей компоненты линейной поляризации пучка зондирования. Каждая из двух компонент попадает на отдельный диод балансного фотоприемника, подключенного к двум синхронным усилителям (lock-in amplifier). Такой синхронный детектор демодулирует затем сигнал на частоте модуляции циркулярной поляризации накачки (фотоэластический модулятор, 50 кГц) и на частоте модуляции пучка зондирования (механический прерыватель, 451 кГц). Балансный детектор позволяет получить сигнал Керровского вращения как разность циркулярно поляризованных компонент линейно поляризованного пучка зондирования. Данный сигнал относительно референсного сигнала вне образца записывается со временем в единицах возникающего на диодах фототока, которые при желании можно перевести в значения угла поворота плоскости поляризации. Управление же основными элементами установки и сбор данных осуществляется с помощью установленного на компьютере ПО LabView.
Общий вид экспериментальной установки pump-probe.
|
|
( Установка для исследования динамики керровского вращения методом накачки-зондирования (Pump-probe) )
(открыть на отдельной странице)
Спектроскопия спиновых шумов является мощным методом исследования является полупроводниковых гетероструктур (квантовая яма или ансамбль квантовых точек, содержащие атомы парамагнитных металлов). Атомы парамагнитных металлов имеют собственный магнитные моменты(спины), которые при приложении магнитного поля выстраиваются вдоль него, однако, при этом спины парамагнитных атомов выстраиваются вдоль поля только частично и могут прецессируют вокруг направления приложения поля. Это приводит к осцилляции флуктуаций намагниченности в образце. Плоскость поляризации линейно поляризованного света при прохождении через такую среду поворачивается в зависимости от намагниченности исследуемого вещества согласно эффекту Фарадеевского вращения. Спектроскопия спиновых шумов позволяет исследовать данные флуктуации намагниченности посредством изучения поворота плоскости поляризации.
На рисунке изображена установка для исследования спиновых шумов. Свет от лазера проходит через линейный поляризатор, затем проходит через образец находящийся в магнитном поле и через полуволновую пластинку HWP, которая позволяет поворачивать плоскость поляризации на необходимый угол. Затем свет проходит через поляризационный делитель света PBS который разделяет луч света на два с различными линейными поляризациями. В отсутствие магнитного поля интенсивность этих лучей одинакова, этого добиваются поворотом полуволновой фазовой пластинки. Далее лучи света идут на балансный фотодетектор BD, который меряет разность их интенсивностей. Таким образом, при выключенном магнитном поле, сигнал равен нулю. При приложении магнитного поля к образцу возникают осцилляции намагниченности, которые приводят к вращению плоскости поляризации. В результате этого происходит перераспределение интенсивности между пучками света и балансный фотодетектор регистрирует шумовой сигнал, поскольку намагниченность меняется случайным образом, то и плоскость поляризации изменяется случайно.
Рисунок 1: Схема установки для спектроскопии спинового шума : LP- линейный поляризатор, S -образец, B – магнитное поле создаваемое катушками Гельмгольца, HWP – полуволновая пластинка, PBS – поляризационный делитель света, BD – балансный детектор, FFT SA – Анализатор спектра с быстрым преобразованием Фурье
На Рис.2 представлены измерения проведенные в поле, приложенном перпендикулярно направлению распространения света. Если мы посмотрим на временную развертку сигнала Рис. 2 b, то мы увидим, что сигнал, на первый взгляд, представляет из себя белый шум. Белый шум представляет собой сумму сигналов на всех частотах. В нашем случае это не совсем так. Магнитные моменты атомов осциллируют вокруг направления приложения магнитного поля на ларморовской частоте, поэтому частотный состав «белого шума» меняется.
Рисунок 2: a) Геометрия опыта (b) временная развертка шумового сигнала, (c)форма автокорреляционной функции шумового сигнала, и (d) спектр шумового сигнала.
Преобразование Фурье от временной развертки такого сигнала позволяет выделить частоты содержащиеся в сигнале и получить спектр спинового шума. Анализатор спектра с быстрым преобразованием Фурье(FFT SA) позволяет производить анализ на всех частотах. Использование таких технологий позволяет наблюдать спектры флуктуаций намагниченности фактически в реальном времени. Результат выполнения преобразования мы можем видеть на Рис. 2 (с).
Чтобы понять принцип работы анализатора спектра, можно провести аналогию с оптическими приборами. Например, чтобы получить информацию о спектральном составе газовой лампы нам необходимо пропустить свет через призму и зафиксировать спектр на CCD матрице. Таким образом мы получаем информацию о спектральном составе источника света.
Элементы входящие в состав установки:
Для исследований по спектроскопии спиновых шумов в полупроводниковых системах используется титан-сапфировый лазер T&D-scan. Основные характеристики:
Оптическая схема включает в себя высококачественные оптические элементы фирмы ThorLabs, такие как поляризационные кубики, волновые пластинки, диэлектрические зеркала, линзы с просветляющим покрытием, сопутствующую оптомеханику и др.
Гелиевый криостат замкнутого цикла Cryostation фирмы Montana Instruments. Основные характеристики:
Кремниевые балансные фотодекторы фирмы ThorLabs с полосой пропускания до 200 и до 650 МГц.
Спектроанализатор RSA5103A фирмы Tektronix, осуществляющий быстрое накопление спектров при помощи быстрого преобразования Фурье. Основные характеристики:
Спектроскопия шумов фарадеевского вращения является технологически новым методом, позволяющим изучать состояние и динамику спиновой подсистемы образца, находящуюся в термодинамическом равновесии. Информация, получаемая из исследований, проведённых методом ССШ, может предоставить информацию, аналогичную ЭПР-спектроскопии, и обладает при этом рядом преимуществ, таких как, например:
С более подробным описанием методики измерения спинового шума можно ознакомиться в следующей литературе:
[1] V. S. Zapasskii. Spin-noise spectroscopy: from proof of principle to applications. Adv. Opt. Photon. 5, 131 (2013).
[2]. M. M. Glazov and V. S. Zapasskii, Linear optics, Raman scattering, and spin noise spectroscopy, Opt. Express 23, 11713 (2015).
(открыть на отдельной странице)
Экспериментальная установка, которая схематически представлена на рисунке ниже, позволяет измерять фотолюминесценцию (ФЛ), используя непрерывный или импульсный титан-сапфировые лазеры, для возбуждения образца. Ключевой особенностью титан-сапфировых лазеров является возможность их перестройки по длине волны в широком диапазоне длин волн. Импульсный лазер позволяет работать в пикосекундном или фемтосекундном режимах. Также возможно одновременное использование импульсного и непрерывного лазеров.
Схема экспериментальной установки по измерению фотолюминесценции. Tsunami Ti:S ps pulse — титан-сапфировый пикосекундный/фемтосекундный импульсный лазер; Ti:S — перестраиваемый по длине волны непрерывный титан-сапфировый лазер; Sprout и Millenia — мощные лазеры накачки для возбуждения титан-сапфировых лазеров; WLM — высокоточный измеритель длины волны, AOM — акусто-оптический модулятор; GTP — призмы Глана-Тейлора; λ/2 и λ/4 — фазовые пластинки; cryo — образец в криостате замкнутого цикла; Jobin Yvon iHR 550 + CCD — одинарный изображающий монохроматор с охлаждаемой ПЗС-матрицей.
Оптическая схема позволяет детектировать сигнал ФЛ во всевозможных поляризациях при любых, заранее заданных, поляризациях возбуждающего излучения и, тем самым, возможно исследование поляризационных эффектов в любой конфигурации.
Исследуемый образец охлаждается в криостате замкнутого цикла вплоть до температуры жидкого гелия. В криостате установлен нагреватель, что позволяет задавать и контролировать температуру образца в криостате в диапазоне от 4 K вплоть до комнатной температуры. Акусто-оптический модулятор (АОМ) используется для амплитудной модуляции излучения непрерывного титан-сапфирового лазера. АОМ формирует импульсы заданной длительности, начиная от долей микросекунд, что позволяет изучать переходные процессы. Кроме того, применение АОМа дает возможность изучать нелинейные оптические процессы при мощном лазерном возбуждении без существенного нагрева образца. Модулируя возбуждение с большим параметром скважности можно значительно уменьшить интегральную мощность излучения падающего на образец. Поскольку в прямозонных полупроводниках времена жизни носителей значительно меньше длительности формируемых АОМом импульсов, такое возбуждение можно считать непрерывным.
Общий вид экспериментальной установки для исследования спектров фотолюминес-ценции, пропускания и отражения.
Для регистрации ФЛ используется спектрометр iHR-550 с охлаждаемым многоканальным фотоприемником (CCD). Спектрометр iHR-550 является однократным, поэтому для подавления рассеянного лазерного излучения при квазирезонансном возбуждении используется ряд мер. Исследуемый образец наклеивается на держатель с помощью индия, образующего со стороны подложки образца хорошую зеркальную поверхность. Падающий лазерный свет частично отражается от передней поверхности образца, частично поглощается и частично отражается от задней поверхности образца. Все отраженные пучки являются узконаправленными и могут быть блокированы диафрагмами. Это позволяет измерять спектры люминесценции даже при возбуждении близлежащего перехода между уровнями размерного квантования в образце с квантовой ямой. Использование индия для приклейки образца к держателю обеспечивает также хороший тепловой контакт, что позволяет проводить измерения фотолюминесценции в зависимости от плотности мощности возбуждения вплоть до величин в несколько десятков мВт при фокусировки излучения в пятно диаметром 40 мкм.
Эта же экспериментальная установка может быть использована для исследования спектров пропускания и отражения. В качестве источника света в этом случае используется галогенная лампа накаливания с маленьким рабочим телом.
|
|
|
(открыть на отдельной странице)
Развитие терагерцовой области в целом тесно связано с совершенствованием технологий. Особенно это заметно на примере полупроводниковых устройств. Например, основой для широко используемых в импульсной терагерцовой спектроскопии фотопроводящих антенн является низкотемпературный арсенид галлия. Его электронные свойства, сочетающие высокую подвижность зарядов и субпикосекундные времена жизни, позволили достичь терагерцовых частот, недоступных для обычной электроники. Развитие ростовых методик позволило создавать сложные полупроводниковые гетероструктуры, такие как квантово-каскадные лазеры, что положило начало целому направлению в физике твердого тела.
В нашей лаборатории мы имеем возможность использовать различные источники и приемники терагерцового излучения, такие как фотопроводящие антенны и электрооптические кристаллы. В основе их работы заложены разные физические механизмы, но сам принцип генерации и детектирования у них общий.
Схема установки терагерцовой спектроскопии с временным разрешением приведена на рисунке 1. Излучение импульсного лазера с длительностью импульсов порядка 100 фс и длиной волны 800 нм разделяется на два луча. Первый из них, более мощный, используется в канале генерации терагерцовых импульсов, в то время, как второй используется в когерентной схеме детектирования. Поскольку обычные оптические материалы, такие как оптические стекла имеют дисперсию показателя преломления и значительный коэффициент поглощения в терагерцовом диапазоне частот (0.1-10ТГц), для манипулирования терагерцовыми пучками используются ахроматичные параболические зеркала. С их помощью терагерцовое излучение сначала перефокусируется на образце, а затем направляется в схему детектирования.
Детектирование терагерцовых импульсов происходит следующим образом.
Синхронно с терагерцовым импульсом на детектор посылается слабый оптический импульс (референс). Оптический импульс вызывает на детекторе отклик, пропорциональный электрическому полю терагерцового импульса. Длительность терагерцового импульса составляет несколько пикосекунд, в то время как длительность оптического импульса составляет порядка 0.1 пс. Линия задержки, установленная в канале референса, позволяет изменять время прихода на детектор оптического импульса относительно терагерцового. Таким образом детектируется весь временной профиль терагерцового импульса (колебания вектора электрического поля). Преобразование Фурье временнного профиля позволяют получить спектр терагерцового излучения.
Благодаря малой длительности терагерцовых импульсов, спектр терагерцового излучения имеет вид широкой полосы в диапазоне примерно 0-3 ТГц.
Интересной особенностью терагерцовой спекстроскопии с временным разрешением является детектирование не просто интенсивности терагерцового излучения на различных частотах, а одновременное измерение амплитуды и фазы его электрического поля, что позволяет непосредственно измерять комплексную диэлектрическую проницаемость исследуемых образцов.
Рис. Схема установки терагерцовой спектроскопии с временным разрешением. Fs-laser – фемтосекундный лазер, ZnTe – нелинейный кристалл теллурид цинка [110], DL – линия задержки, BD – балансный фотодиод, Ch – механический прерыватель (чоппер), Lock-in – синхронный усилитель, S – образец в криостате.
(открыть на отдельной странице)
Данная установка позволяет охлаждать ядерные спины в полупроводниковых материалах (на сегодняшний день мы изучаем объемный n-GaAs) до температур порядка десятков микроКельвин при температуре образца 15 К. Достижение таких низких спиновых температур возможно благодаря оптическому охлаждению в постоянном магнитном поле и дальнейшему адиабатическому размагничиванию в локальное поле ядерной спиновой системы (ЯСС). Локальное поле ЯСС является меньше магнитного поля Земли, поэтому в данной установке используются три пары катушек Гельмгольца для компенсации земных магнитных полей. Необходимую информацию о ЯСС мы получаем через изменение степени поляризации фотолюминесценции (ФЛ). Исследуемый образец освещается лазерным пучком с длинной волны излучения 780 нм, который после прохождения четвертьволновой (λ/4) пластинки становится поляризованным. Поляризованная ФЛ проходит через фотоупругий модулятор (PEM), призму Глана (GT) и спектрометр и затем сигнал анализируется с помощью фотодиода (APD) и двухканального счетчика фотонов (Photon Counter), синхронизованного с PEM. Благодаря сверхтонкому взаимодействию между ядерными и электронными спинами, измеряя изменение степени поляризации ФЛ мы можем получить необходимую информацию о состоянии ядерных спинов (величину ядерного поля, ядерной спиновой температуры) [1]. Также охлажденную ЯСС мы можем отогревать переменным магнитным полем с разной частотой и получать спектры поглощения и спектры корреляторов ядерных спинов. Изучение низкочастотной части спектров корреляторов для различных величин ядерной спиновой температуры позволяют судить о приближении ЯСС к упорядоченному состоянию. Идея получения такого упорядоченного состояния является концепцией ядерного спинового полярона [2], обнаружение которого является основной задачей наших исследований [3 – пример работы по теме].
[1] «Оптическая ориентация», гл.2 и 5 (ред. Захарченя и Майер, 1984);
[2] И.А. Меркулов, "Формирование ядерного спинового полярона при оптической ориентации в полупроводниках типа GaAs", ФТТ 40, 1018 (1998);
[3] V M Litvyak, R V Cherbunin, K V Kavokin and V K Kalevich, Determination of the local field in the nuclear spin system of n-type GaAs, Journal of Physics: Conference Series 951, 012006 (2018).
(открыть на отдельной странице)
Наша экспериментальная установка представлена на рисунке 2
(открыть на отдельной странице)
Публикации, связанные с тематикой исследований:
Russian (Russia) 
English (United Kingdom)