超快光聲光譜技術(shù)的進(jìn)展和前景

超快光聲光譜技術(shù)的進(jìn)展和前景
摘 要 回顧了超快光聲光譜學(xué)的發(fā)展過程并介紹了各種測量手段，論述了文章作者建立的飛秒時間分辨的光 聲光譜系統(tǒng)的工作原理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并展望了超快光聲光譜學(xué)的未來發(fā)展方向和應(yīng)用前景．

1 引言 近年來皮秒和飛秒超短激光脈沖技術(shù)取得了飛 速發(fā)展．利用自鎖模技術(shù)，人們已經(jīng)獲得了脈寬為 4．5×10 s的超短激光脈沖，也就是說脈沖寬度已 小于兩個光波振蕩周期．這一技術(shù)的成熟應(yīng)用為超 短聲脈沖物理研究和技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展提供了嶄新的 手段．一個脈寬為r。 10 s的超短聲脈沖所對應(yīng) 的空間尺度為L c r 一5×10一m=5nm(其中c。 是聲速)，這個長度只比固體晶格常數(shù)大一個量級． 因此產(chǎn)生超短聲波脈沖及相關(guān)的探測和物理研究引 起了人們極大的興趣．超短聲波脈沖將為研究納秒 和皮秒時域內(nèi)的各種電子學(xué)、化學(xué)和生物科學(xué)中的 超快現(xiàn)象提供新的技術(shù)手段．隨之誕生了超快光聲 光譜學(xué)研究．例如對半導(dǎo)體中與載流子強(qiáng)相互作用 的相干聲子的研究對于揭示載流子的完整的弛豫過 程有重要的意義．
低維材料如超晶格、量子阱、量子 線等結(jié)構(gòu)對載流子的限制作用所帶來的新現(xiàn)象也是 超快光聲光譜學(xué)研究的熱點(diǎn)之一．近年來有關(guān)研究 主要集中在利用超短激光脈沖激發(fā)聲波的過程以及 尋找更快和更有效的光聲轉(zhuǎn)換機(jī)理．此外，超短聲波 在金屬和半導(dǎo)體以及各種新的材料如超導(dǎo)體、導(dǎo)電 聚合物、量子結(jié)構(gòu)等介質(zhì)中的傳播特性也是重要的 研究內(nèi)容．從物理學(xué)的基本觀點(diǎn)來看，超短聲脈沖和 物質(zhì)的相互作用涵蓋了整個聲波波譜的范圍，可以 用來研究如聲子子系統(tǒng)的特性，以及聲子子系統(tǒng)和 電子子系統(tǒng)相互作用的各種現(xiàn)象．總之，超快光聲光 譜學(xué)研究涵蓋了許多領(lǐng)域，如聲電子學(xué)、光聲學(xué)、磁 聲學(xué)等的基本物理過程．此外，它還是研究材料的損 傷形成原因以及缺陷的轉(zhuǎn)移等現(xiàn)象的重要手段． 產(chǎn)生超短聲脈沖的機(jī)理有很多種，其中最常見 的是通過光的吸收后產(chǎn)生的熱彈性機(jī)理和電子形變 機(jī)理．熱彈性機(jī)理是當(dāng)樣品表面層吸收光能后，部分 光能量轉(zhuǎn)換成為熱能，使樣品的溫度升高和體積膨 脹，并由于熱膨脹，使樣品表面發(fā)生形變和位移，從 而產(chǎn)生聲波．由于熱量的傳播比較慢，所以由此產(chǎn)生 的聲脈沖的脈寬一般比較長．更短的聲脈沖可以在 電子形變機(jī)理作用下得到．
電子形變機(jī)理作用原理 如下：晶格的彈性勢能在吸收光之后會發(fā)生改變，因 為一部分緊密聯(lián)系的載流子從相互聯(lián)系的狀態(tài)(價 電子)轉(zhuǎn)變成聯(lián)系較小的狀態(tài)(自由電子)，這個過程 將導(dǎo)致晶格的擴(kuò)張或收縮，這種形變的產(chǎn)生是瞬態(tài) 的，和光激發(fā)產(chǎn)生電子一空穴對同步．光學(xué)激發(fā)聲脈 沖的方法幾乎在激光器發(fā)明之后就得到了實(shí)現(xiàn)． White成功地實(shí)現(xiàn)了用紅寶石激光器的光束在熱彈 性機(jī)理下的聲脈沖的激發(fā)(脈寬為10txs). ．在實(shí)驗(yàn) 中為了激發(fā)超短聲脈沖，人們使用了脈寬為70ps的 激光脈沖(波長為1．06 m，能量為1— 10mJ) ．他們 觀察到的聲信號的寬度取決于樣品的材料，從0．5ns 到0．75ns不等．
電子形變機(jī)理是由光激發(fā)的載流子空間一時間 上的不均勻分布造成的，所以這種機(jī)理又被稱為濃 度形變機(jī)理．該機(jī)理理論上可用形變勢能d來描 述．在各向同性的介質(zhì)中，形變勢能d是當(dāng)介質(zhì)發(fā) 生單位體積的形變時(dV／V=1)自由載流子的能量 的變化值．在半導(dǎo)體中，電子一空穴對的復(fù)合時間隨 著自由載流子濃度的提高呈非線性縮短．通過合理 控制自由載流子組成的等離子體濃度的空間和時間 的分布，可以將聲脈沖的脈寬縮短到1ps量級． 測厚儀| 測速儀| 轉(zhuǎn)速表| 壓力表| 壓力計(jì)| 真空表| 硬度計(jì)| 探傷儀| 電子稱| 熱像儀| 頻閃儀| 測高儀| 測距儀| 金屬探測器| 試驗(yàn)機(jī)| 扭力計(jì)| 流速儀| 粗糙度儀| 流量計(jì)| 平衡儀| Gauster等人首次在硅中觀察到由電子形變機(jī)理激 發(fā)的聲脈沖 ．分辨熱彈性機(jī)理和電子形變機(jī)理的 方法很簡單，因?yàn)殡娮有巫儥C(jī)理會導(dǎo)致晶格收縮(硅 的形變勢能d>0)，而晶格受熱只會導(dǎo)致它膨脹． 1995年，Wright等人首次用飛秒激光在硅材料中研 究了電子形變機(jī)理激發(fā)聲脈沖的過程 ．他們探測 到的聲脈沖的脈寬大約為500fs，對應(yīng)的樣品表面反 射率變化的相對值為10～．由于實(shí)驗(yàn)的信噪比不 高，所以他們并沒有能夠精確地記錄下聲脈沖的形 狀．

2 近年來研究成果概述 作為超快光聲學(xué)研究中一個重要的課題，建立 有效的手段測量聲脈沖的脈寬和形狀是深入研究的 基礎(chǔ)．近年來這個方向的研究主要集中在美國、日本 和西歐，而且有關(guān)工作報道的數(shù)量并不多，這從另一 方面說明了超快光聲學(xué)在實(shí)驗(yàn)技術(shù)上存在著相當(dāng)大 的困難并且很復(fù)雜．超快聲脈沖的檢測手段可以分 為兩大類：接觸式和無接觸式．接觸式的檢測技術(shù)是 將壓電換能器放置在樣品的表面上，壓電換能器把 聲脈沖信號轉(zhuǎn)換成為電信號以供進(jìn)一步處理．另一 種接觸式測量方法是電容式的 ，它利用的是板片 間距可變的電容器的工作原理，電容器的一個板片 粘在要研究的樣品的表面上．在工作 中，研究人員 報道他們可以測得的由聲波引起的表面微小位移是 0．1pm，對應(yīng)的電容相對改變值為10～．接觸式測量 法具有很高的靈敏度，但是它們的時間分辨能力卻 受到壓電換能器等探測器件的性能所限制，因而它 們并不能完全真實(shí)地重現(xiàn)脈寬短于1ns的超短聲脈 沖的波形．無接觸式的探測方法則克服了這個問題， 所以近年來隨著越來越短聲脈沖的獲得，無接觸式 的探測方法得到了飛速發(fā)展，其中之一是干涉儀法．
在該方法中，待測量樣品的反射表面被作為邁克耳 孫干涉儀的一個鏡面，另一個鏡面放在壓電轉(zhuǎn)換器 上．另外，激光引起形變的表面會改變?nèi)肷涞奶綔y光 束的相前(phase front)，取決于形變方向這個效應(yīng)會 造成探測光束的聚焦或是散焦．這個效應(yīng)在工作中 被用來探測在半導(dǎo)體材料光滑的表面上的納秒表面 波 ．聲脈沖引起的樣品表面層的形變會改變材料 的介電系數(shù)和折射率，折射率的改變導(dǎo)致光的反射 率隨之變化．我們可以通過測量從表面反射的探測 光束的光強(qiáng)來得到樣品反射率的變化規(guī)律，從而得 到表面形變的信息．這種無接觸式的測量方法已成 功地在SiO 和Ge的薄膜中探測到了十幾個皮秒左 右的聲脈沖 J． 除此之外，還有一種常用的無接觸式的探測方 法
— — 偏轉(zhuǎn)法．它的工作原理是：由于樣品表面出現(xiàn) 聲脈沖而導(dǎo)致表面產(chǎn)生微小形變，從表面反射出去 的探測光會由于這個形變的存在而發(fā)生一個很小角 度的偏轉(zhuǎn)，記錄下這個偏轉(zhuǎn)角度，就可以得到樣品形 變和聲脈沖的信息．無接觸式的偏轉(zhuǎn)法由Boeeara和 他的合作者們首次采用 ．他們用此方法探測了樣 品表面的熱彈性形變．測量表面微小形變的精度由 激光束空間抖動引起的噪聲所限制，大約為4× 10“ nm／Hz ． 1988年，Rothenberg在硅表面使用偏轉(zhuǎn) 法測量了皮秒激光脈沖產(chǎn)生的超快聲波 ．他們測 得的最大的表面位移是h ～0．05nm，精度為1．5× 10。nm／Hz ． 1992年，Wright和Kawashima研究了鉻 和鉬薄膜中的皮秒聲波振蕩¨ ．他們改進(jìn)了抽運(yùn)一 探測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使用了更高頻率調(diào)制的檢測方法．他 們實(shí)驗(yàn)中的測量頻率提高到5MHz，這使得探測精度 達(dá)到了1．5 X 10“nm／Hz“ ．同時時間分辨率為1ps．
系統(tǒng)的精確度基本上只受到光電流的散粒噪聲的限 制，測得的最大表面位移是3×10～nm． 超快光聲光譜產(chǎn)生和研究的另一個重要的工作 是Devos和Lerouge于2001年報道的” ．他們利用 測量鍍在硅基底上的鎢薄膜的反射率瞬態(tài)變化的技 術(shù)研究了飛秒激光波長對產(chǎn)生的皮秒聲脈沖形狀的 影響．如圖1所示，隨著所使用的激光的波長從 750nm到920nm的變化，他們所觀察到的聲脈沖的 物理 波形和脈寬都發(fā)生了很大的變化．他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 和以壓電一光學(xué)常數(shù)(piezo—optical constants)的改變 為基礎(chǔ)的熱彈性機(jī)理模型符合得很好．他們進(jìn)一步 證實(shí)了這個現(xiàn)象是和探測過程相關(guān)的，也就是說，隨 著探測光波長的變化，材料的壓電一光學(xué)常數(shù)變化， 從而導(dǎo)致探測到的聲脈沖的波形和脈寬發(fā)生變化． 作者認(rèn)為這個現(xiàn)象和壓力波調(diào)制波譜學(xué)有類似之 處，可以為皮秒超聲學(xué)提供新的研究手段． 櫥 圖1 激光波長對探測到的皮秒聲脈沖的形狀的影響

3 相向探測式飛秒光聲光譜技術(shù)及在單晶 鍺里的實(shí)驗(yàn) 目前在超快光聲光譜分析領(lǐng)域內(nèi)，普遍使用的 是抽運(yùn)光和探測光從同一方向入射到樣品上的方 法，測量的是由抽運(yùn)光引起的探測光在樣品上的透 過率或是反射率的變化．這種同向探測技術(shù)在使用 偏轉(zhuǎn)法測量聲波引起的表面微小位移時存在著一定 的缺陷，因?yàn)槌檫\(yùn)光和探測光在樣品表面上相互作 用時，實(shí)驗(yàn)所得的偏轉(zhuǎn)信號內(nèi)可能包含多種物理過 程的貢獻(xiàn)，不是一個純的由光脈沖激發(fā)的聲波波形．
為了克服這個缺陷，在上述Rothenberg和Wright的 實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，潘新宇等人建立了一套皮秒相向探 測式光聲光譜系統(tǒng) ．這套系統(tǒng)與以前工作不同之 處在于，抽運(yùn)光和探測光分別位于樣品的前表面和 后表面，從而可以有效地避免兩束光在表面上的相 互作用，得到的信號是真實(shí)可信的聲脈沖的波形．該 實(shí)驗(yàn)測量所達(dá)到的精度為0．1pm／Hz“ ． 近期，我們把相向探測式方法和飛秒激光相結(jié) 合，發(fā)展并優(yōu)化了高靈敏度的相向探測式飛秒光偏 轉(zhuǎn)波譜技術(shù)．
通過實(shí)驗(yàn)，我們首次探測到單晶鍺薄片 內(nèi)超快的相干聲子激發(fā)和傳播過程．如圖2所示，我 們的光源是鈦藍(lán)寶石飛秒激光器，其輸出的激光束 的波長為830nm，脈寬120fs，重復(fù)頻率為76MHz，激 光的平均功率為1W，經(jīng)過分束鏡分成抽運(yùn)光和探測 光兩路．抽運(yùn)光經(jīng)過一個數(shù)字延遲線，然后由一個機(jī) 械斬波盤以1200Hz的頻率斬波，由一個焦距為 10cm的透鏡聚焦到樣品的前表面；探測光由另一個 焦距為6cm的透鏡聚焦到后表面．抽運(yùn)光脈沖在樣 品的前表面激發(fā)等離子體，等離子體通過電子形變 機(jī)理和固體的晶格相互作用，產(chǎn)生超快的聲脈沖．聲 脈沖向后表面?zhèn)鞑ィ�到達(dá)時引起后表面很微小的形 變，使反射的探測光產(chǎn)生一個很小的角度偏轉(zhuǎn)，這個 偏轉(zhuǎn)角度和表面形變量成正比．我們用位敏探測器 (PSD)來測量這個角度的微小改變，然后傳入鎖相 放大器，最后輸出信號到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，就可 以記錄下一個聲脈沖完整的波形． 圖2 相向探測式E秒光聲光譜買驗(yàn)裝置圖 實(shí)驗(yàn)中得到的一個典型的聲信號如圖3所示， 其中點(diǎn)線是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)線是理論擬合，虛線是等離 子體沒有超聲傳播情況下的理論曲線．
通過對所得 的聲波波形的分析和擬合，我們證實(shí)了電子形變機(jī) 理是主要的激發(fā)聲脈沖的原因．我們發(fā)現(xiàn)聲脈沖前 沿的脈寬(如圖3中 所示，取信號最大值半高處 的脈寬)是由抽運(yùn)光激發(fā)的等離子體的擴(kuò)散速度決 定的，由擬合得到的等離子體的擴(kuò)散系數(shù)D = 45cm ／s，根據(jù)擴(kuò)散速度公式vo=aD，可以得到該速 度和縱向聲速的關(guān)系M = ／c 3．2，這里a是抽 運(yùn)光在樣品表面的吸收系數(shù)．電荷載體能否超聲運(yùn) 動的問題一直是凝聚態(tài)物理的一個重要研究內(nèi)容， 以前用皮秒激光在鍺里測得等離子體擴(kuò)散速度超過 縱向聲速的1．5倍. ，現(xiàn)在用飛秒激光測得的是 3．2倍，更明確地為電荷載體能超聲運(yùn)動提供了一 個有力的證據(jù)． 1·O O．8 趟 基o 6 �！� O．2 0．0 i ＼ + - _ ’ - 0．6 -0．4 -0．2 0 0 0 2 時間延遲Ins 圖3 飛秒光聲試驗(yàn)結(jié)果與理論擬合

4 超快光聲光譜技術(shù)的發(fā)展前景及展望 納秒和皮秒量級的聲脈沖由于它們具有超快時 間分辨的特性，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在很多領(lǐng)域．利用超 快光聲光譜技術(shù)，人們已經(jīng)可以激發(fā)頻率很高的聲 波，這樣的聲脈沖非常適合用來研究薄膜的特性．皮 秒聲脈沖已經(jīng)被用于在通常技術(shù)無法達(dá)到的頻段內(nèi) 對薄膜等材料進(jìn)行了厚度測量、聲速測量和衰減測 量．超快光聲光譜技術(shù)同樣成功地應(yīng)用于研究多層 介質(zhì)的彈性性能、電子擴(kuò)散和金屬里的電子一聲子 耦合等方面¨ ． 例如熱彈性機(jī)理產(chǎn)生的超短聲脈沖被用在不均 勻介質(zhì)的光聲斷層攝影上．在Karabutov等人的工作 中“ ，他們發(fā)明了一種方法，可以根據(jù)聲脈沖的脈 寬來計(jì)算樣品的光吸收系數(shù)．
超短的聲波脈寬可以 提供很高的測量精確度，他們的測量范圍是1— 50Ocm～．而且他們還發(fā)明了一種算法，可以根據(jù)聲 波的形狀來推算出待測樣品中吸收系數(shù)的空間分 布，從吸收系數(shù)的分布又可以進(jìn)一步推算出產(chǎn)生吸 收的物質(zhì)小顆粒在空間的分布情況．這種方法可以 應(yīng)用到生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域中． 此外，超快光聲光譜技術(shù)在精密測量中具有誘 人的應(yīng)用前景．當(dāng)前高科技領(lǐng)域內(nèi)各種器件的尺寸 越來越小，從而在技術(shù)上需要進(jìn)行具有越來越高的 精確度的監(jiān)控．在這些監(jiān)控中，樣品厚度的精密測量 占據(jù)了非常重要的地位．
近年來，在微電子工業(yè)里廣 泛使用的PULSE方法，是一種皮秒超聲波激光聲納 技術(shù)，它被用來測量單層或多層的金屬膜厚度，測量 范圍從20nm到5Fm不等．但是這種技術(shù)的缺點(diǎn)是 待測樣品的表面至少有一層鍍層，從而才能使得光 激發(fā)的聲脈沖能從兩種不同介質(zhì)的分界面反射回 來，通過對反射的聲波記錄得到厚度的數(shù)據(jù)．這種方 法存在著不能夠?qū)�單層半�?dǎo)體等材料進(jìn)行測厚的缺 點(diǎn)．以飛秒光聲光譜分析技術(shù)為基礎(chǔ)，可以設(shè)計(jì)一種 全新的精確測厚技術(shù)，這種技術(shù)不僅可以對單層樣 品測厚，而且方法簡單，容易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用范圍很廣，靈 活多用，不需在樣品表面鍍層，精度又很高，解決了 PULSE技術(shù)所碰到的難題．另外可以使用高頻的電 光或是聲光調(diào)制器，把激光束調(diào)制在MHz的頻段 內(nèi)．
在這個頻段內(nèi)，激光束帶來的噪聲會大大降低， 降低到散粒噪聲的水平，此時，由于實(shí)驗(yàn)平臺等引起 的機(jī)械噪聲以及由激光束在空間的抖動引起的噪聲 等都可以有效地消除．所以這種高頻調(diào)制可以大幅 度地提高實(shí)驗(yàn)測量的信噪比，這就意味著我們可以 測量到更加微小的樣品厚度差異，測量樣品厚度時 可以達(dá)到更高的精確度．