监测超快电子显微镜探测光斑位置的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种监测超快电子显微镜探测光斑位置的装置及方法，该装置包括飞秒探测激光脉冲、反射镜、激光聚焦透镜、分束镜、CCD相机及光学法兰窗口；飞秒探测激光脉冲由反射镜反射后，经激光聚焦透镜进行聚焦，聚焦激光入射到分束镜分成两束；经分束镜出射的一束聚焦激光根据分束比以一定角度入射到CCD相机中呈现光斑图像；经分束镜出射的另外一束聚焦激光作为探测激光脉冲从光学法兰窗口正入射到超快电子显微镜电子枪的光阴极灯丝尖端，激发灯丝产生探测光电子脉冲。本发明专利技术为快速准确得到探测激光光斑作用于灯丝尖端产生光电子探测脉冲的实时状态提供了新型便利的途径。冲的实时状态提供了新型便利的途径。冲的实时状态提供了新型便利的途径。

【技术实现步骤摘要】
监测超快电子显微镜探测光斑位置的方法及装置


[0001]本专利技术是关于一种监测超快电子显微镜探测光斑位置的方法及装置，涉及超快电子显微探测


技术介绍

[0002]超快电子显微镜是一种基于泵浦
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探测原理、结合电子显微镜(透射电子显微镜或扫描电子显微镜)的高空间分辨率和飞秒激光的高时间分辨率两者优势的超快成像技术，能够同时具有超高的时空分辨率，近年来方兴未艾并成为了电子显微学表征技术的一个重要发展方向。以超快扫描电子显微镜技术为例，其主要依赖于飞秒脉冲激光的泵浦
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探测原理，并结合扫描电子显微镜发射的高能电子束具有短电子波长的独特优势来实现超高时间分辨的扫描二次电子成像，广泛应用于包括金属、光电半导体、有机聚合物薄膜等各种材料在内的超快载流子动力学研究。超快扫描电子显微镜技术的核心步骤之一是利用紫外波段的飞秒激光脉冲穿过在扫描电子显微镜的电子枪镜筒上预先安装的光学法兰窗口，利用爱因斯坦光电效应激发其电子枪光阴极的尖端产生光电子脉冲序列，脉冲电子经加速进入扫描电子显微镜镜筒中，再经过电磁透镜汇聚和扫描偏转后到达样品表面激发二次电子并被二次电子探测器收集进行时间分辨的探测。但是由于电子枪本身空间非常狭窄且内部灯丝非常细小(尤其是场发射灯丝尖端的曲率半径为百纳米量级)，肉眼无法直接观测到探测激光入射到电子枪内部的位置。因此，将紫外飞秒激光聚焦到直径只有几十微米并精确地照射到百纳米量级细小灯丝尖端的难度极大。
[0003]目前已有的超快电子显微镜研究中利用紫外探测脉冲激光激发电镜光阴极产生脉冲光电子的方法和装置，主要是利用在常规热发射或热场发射模式下光阴极因加热发出的直接反映灯丝轮廓和位置的红色可见光进行光路的校准。具体来说，灯丝发出的红光依次通过电子枪的光学法兰窗口和放置在电子枪光学法兰窗口前的聚焦透镜进入到一个预先安置的数码显微镜或长焦距摄像头，通过微调数码显微镜或摄像头的接收角度和焦距可直接在摄像头连接的显示屏上显示出清晰的红色灯丝影像；然后，根据两点确定一条直线的原理，在数码显微镜与聚焦透镜之间依次加入两个孔径大小可调的光阑，保证每个光阑改变大小时数码显微镜中观测到的灯丝红色光斑以光阑中心为圆心均匀缩放，从而确定灯丝发射的红光经光学法兰和聚焦透镜进入到数码显微镜的光学路径。最后根据光路可逆性原理，调节光路中的反射镜将紫外探测飞秒激光穿过两个定位光阑的正中心，按照灯丝发射红光传输光路的原路返回并入射到灯丝尖端产生用于探测和成像的脉冲光电子。尽管这种方式能够实现激发电子枪的光阴极产生脉冲光电子，但是由于灯丝尖端太小，仅仅通过光路中放置的两个普通定位光阑来确定激光是否打在灯丝上仍旧非常困难，而且每次校准都需要花费大量的时间微调前面光路中反射镜通过盲扫的方式来寻找紫外飞秒激光照射在灯丝尖端的位置，过程粗糙复杂、耗时耗力。因为飞秒激光光路易受周围环境的温度、湿度、机械振动等外部条件的影响，光路的指向性难以保持长时间的稳定，导致需要经常微调光路的反射镜以保证最佳的脉冲光电子发射效率。由于没有可以直接呈现入射探测激光光
斑具体情况的探测器，导致无法进一步判断探测激光是否真正一直作用于灯丝尖端实现最佳激发效率。
[0004]因此，目前在超快电子显微技术中利用紫外飞秒脉冲激光激发电子枪光阴极产生脉冲光电子的常用方法中，一直存在无法精确定位和无法可视化监控飞秒探测激光作用于电子枪光阴极尖端精确位点的棘手问题。为了得到最佳的脉冲光电子发射效率，并保证长时间获得稳定的脉冲光电子发射，迫切需要发展能够直接监测紫外飞秒脉冲激光光斑实时位置的方法及装置，使超快电镜能够长时间稳定运行并获取清晰的超快动力学信息。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术的目的之一是提供一种监测超快电子显微镜探测光斑位置的装置，能够实现在超快扫描电子显微镜或超快透射电子显微镜上实时监测飞秒探测激光光斑位置和形状的功能，从而得到最佳产率的脉冲光电子来探测样品被激发后的超快载流子动力学过程。
[0006]本专利技术的目的之二是提供一种监测超快电子显微镜探测光斑位置的方法，同时还可将此方法可推广到监测超快电子显微镜泵浦光斑的位置。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种监测超快电子显微镜探测光斑位置的装置，该装置包括飞秒探测激光脉冲、反射镜、激光聚焦透镜、分束镜、CCD相机及光学法兰窗口；
[0009]所述飞秒探测激光脉冲由所述反射镜反射后，经所述激光聚焦透镜进行聚焦，聚焦激光入射到所述分束镜分成两束；
[0010]经所述分束镜出射的一束聚焦激光根据分束比以一定角度入射到所述CCD相机中呈现光斑图像；
[0011]经所述分束镜出射的另外一束聚焦激光作为探测激光脉冲从所述光学法兰窗口正入射到超快电子显微镜电子枪的光阴极灯丝尖端，激发灯丝产生探测光电子脉冲。
[0012]进一步地，所述反射镜与所述激光聚焦透镜之间设置有准直光阑。
[0013]进一步地，当所述光学法兰窗口位于所述超快电子显微镜电子枪抑制极下方时，还包括三维电控反射镜，经所述光学法兰窗口入射的探测激光脉冲经所述三维电控反射镜反射到光阴极灯丝尖端。
[0014]进一步地，所述飞秒探测激光脉冲由基频的近红外飞秒激光经三倍频或四倍频后得到紫外波段的脉冲激光。
[0015]进一步地，所述激光聚焦透镜采用前后表面均镀有紫外增透膜的紫外级熔融石英制的平凸透镜，激光从平凸透镜曲面中心垂直入射并聚焦于平凸透镜后焦点处的灯丝尖端上，用于激发产生同重复频率的超快探测光电子脉冲。
[0016]进一步地，所述分束镜采用紫外熔融石英分束片。
[0017]进一步地，所述光学法兰窗口上安装镀有紫外增透膜的铅化玻璃。
[0018]进一步地，所述反射镜表面镀有介质膜或铝膜，所述反射镜设置在三维精密电动可调镜架上。
[0019]进一步地，所述激光聚焦透镜设置在三维小型精密机械位移台上，用于调节探测光路入射的角度和位置。
[0020]第二方面，本专利技术提供一种监测超快电子显微镜探测光斑位置的方法，包括：
[0021]通过粗调反射镜将飞秒探测激光脉冲打在超快电子显微镜光阴极灯丝尖端附近，并观测是否出现光电子图像，如果打在光阴极灯丝上会产生光电子图像；
[0022]通过细调激光聚焦透镜，调控飞秒探测激光打在光阴极灯丝尖端的角度和具体位置，如果光电子图像分辨率相对最高，亮度和衬度相对最大，且图像质量保持稳定时，则认为打到光阴极灯丝尖端，此时将CCD相机呈现的光斑确定为最佳光斑，并记录最佳光斑的位置和大小；
[0023]实时监测CCD相机上显示的光斑参数(位置、形状、大小、强度等)的变化情况，判断飞秒探测激光是否作用于光阴极尖端，如果光斑的大小和位置与最佳光斑不一致，则对光路进行调节，使其与最佳光斑基本保持一致，即保证飞秒激光脉冲始终打到光阴极灯丝尖端。
[0024]本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种监测超快电子显微镜探测光斑位置的装置，其特征在于，该装置包括飞秒探测激光脉冲、反射镜、激光聚焦透镜、分束镜、CCD相机及光学法兰窗口；所述飞秒探测激光脉冲由所述反射镜反射后，经所述激光聚焦透镜进行聚焦，聚焦激光入射到所述分束镜分成两束；经所述分束镜出射的一束聚焦激光垂直入射到所述CCD相机中呈现光斑图像；经所述分束镜出射的另外一束聚焦激光作为探测激光脉冲从所述光学法兰窗口正入射到超快电子显微镜电子枪的光阴极灯丝尖端，激发灯丝产生探测光电子脉冲。2.根据权利要求1所述的监测超快电子显微镜探测光斑位置的装置，其特征在于，所述反射镜与所述激光聚焦透镜之间设置有准直光阑。3.根据权利要求1所述的监测超快电子显微镜探测光斑位置的装置，其特征在于，当所述光学法兰窗口位于所述超快电子显微镜电子枪抑制极下方时，还包括三维电控反射镜，经所述光学法兰窗口入射的探测激光脉冲经所述三维电控反射镜反射到光阴极灯丝尖端。4.根据权利要求1所述的监测超快电子显微镜探测光斑位置的装置，其特征在于，所述飞秒探测激光脉冲由基频的近红外飞秒激光经三倍频或四倍频后得到紫外波段的脉冲激光。5.根据权利要求1～4任一项所述的监测超快电子显微镜探测光斑位置的装置，其特征在于，所述激光聚焦透镜采用前后表面均镀有紫外增透膜的紫外级熔融石英制的平凸透镜，激光从平凸透镜曲面中心垂直入射并聚焦于平凸透镜后焦点处的灯丝尖端上，用于激发产生同重复频率的超快探测光电...

【专利技术属性】
技术研发人员：付学文，张亚卿，刘芳，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：