一种电子自旋的测量方法及其测量装置

本发明属于测量，具体涉及一种电子自旋的测量方法。

背景技术：

1、近年来，电子自旋瞬态信息探测技术已广泛应用于半导体材料、自旋电子学材料和量子结构材料等领域，是研究材料中电子自旋极化状态、自旋弛豫过程及相关动力学行为的重要手段之一。一般说来，现有的电子自旋极化探测系统主要包括以下几个部分：激光器、偏振切换模块、样品台、发光探测模块以及数据处理模块 (如图1所示)；有些系统还包含有调制控制模块和时间分辨采集模块。通常，现有电子自旋极化测量方法是利用周期性切换的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光激发样品，使样品中的电子形成非平衡自旋态，并通过探测材料的发光瞬态过程，反映不同电子能级之间布居数的变化，进而获得电子自旋极化度和自旋弛

2、豫时间等信息。

3、现有技术的电子自旋瞬态信息探测方案主要包括激光器、左右圆偏振切换模块、待测样品、发光瞬态探测模块和数据处理模块。其中，激光器用于输出激发光；左右圆偏振切换模块用于将激发光调制为交替切换的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，以对待测样品进行不同偏振条件下的激发，使样品中的电子形成非平衡自旋态。样品受激后产生发光信号，所述发光信号由发光瞬态探测模块采集，以获得发光强度随时间变化的瞬态信息。随后，数据处理模块对采集到的发光瞬态信号进行分析，从而推测电子自旋极化度、自旋弛豫时间等参数。

4、该现有技术的重点在于：通过左右圆偏振光激发样品，并利用发光瞬态信号间接表征电子自旋信息。

5、上述现有技术通过左右圆偏振切换模块将激发光切换为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，对待测样品进行激发，并通过发光瞬态探测模块采集样品的发光时间变化信号，再由数据处理模块推测电子自旋极化度和自旋弛豫时间。由于该现有技术是以发光瞬态信号作为主要检测对象，因此对样品发光过程依赖较强，对于发光效率较低、非辐射复合较强或激发态过程复杂的材料体系，容易出现有效信号较弱、电子自旋相关信息提取的准确性不足的问题。

6、同时，由于发光瞬态信号中通常包含载流子复合、能级布局变化及其他非自旋相关背景成分，自旋相关信号易受背景信号干扰，甚至被背景信号淹没，从而影响测量灵敏度和结果准确性。此外，现有技术单位时间内可累积的有效瞬态信号有限，在自旋相关信号较弱时容易导致实验测试信噪比较差，影响测量结果的稳定性和重复性；并且该类方法通常难以实现近紫外宽谱范围内自旋相关量子相干响应的检测与分析。

技术实现思路

1、针对上述缺点，本发明通过瞬态吸收探测、泵浦偏振调制、偏振解析检测、宽谱光谱采集及数据差分处理等技术手段，实现了自旋相关信号与背景信号的有效分离，并提高了电子自旋极化测量的灵敏度、准确性及宽谱探测能力。

2、本发明运用如下的技术方案。

3、一种电子自旋的测量方法，包括：

4、s1：由超快激光器输出飞秒激光脉冲，所述激光脉冲经分束模块分为泵浦光和探测光；

5、s2：泵浦光沿泵浦光路传输，依次经过泵浦光固定偏振模块和eom电光晶体控制偏振模块；

6、s3：探测光经探测光模块传输，并由延迟线模块调节探测光与泵浦光之间的相对时间延迟；

7、s4：经泵浦探测光汇聚模块调节后，泵浦光和探测光在样品处实现空间重合，其中样品固定于样品台上；

8、s5：经样品调制后的探测光进入偏振解析检测模块，由偏振解析检测模块对探测光进行偏振分量解析；随后由光谱采集模块采集不同波长位置处的瞬态吸收数据；

9、s6：由数据处理模块对获取的瞬态吸收数据进行处理；

10、s7：对自旋相关信号和极化表征量进行时间域和光谱域分析，提取参数。

11、优选的，泵浦光用于激发样品，探测光用于探测样品在受激后的瞬态吸收变化，所述超快激光脉冲的中心波长为1030nm，脉宽为230fs，重复频率为50khz。

12、优选的，泵浦光固定偏振模块用于提供稳定初始偏振状态，eom电光晶体控制偏振模块用于在左旋圆偏振和右旋圆偏振之间切换，或切换至其他预设偏振态。

13、优选的，探测光通过探测光偏振固定模块，以保证探测光在进入样品前保持稳定偏振态。

14、优选的，泵浦光先到达样品，诱导样品中电子形成不同的自旋极化初态；探测光在设定延迟时间后到达样品，对样品在对应时刻的瞬态吸收响应进行探测。

15、优选的，由数据处理模块对获取的瞬态吸收数据进行处理的方法，具体包括：

16、分别获得左旋圆偏振激发条件下的瞬态吸收信号和右旋圆偏振激发条件下的瞬态吸收信号，再通过差分运算获得自旋相关信号：

17、；通过和信号获得平均背景响应：

18、；并进一步通过归一化分析得到电子自旋极化表征量：

19、。一种电子自旋的测量装置，包括：

20、超快激光器用于输出飞秒激光脉冲，为整个电子自旋的测量装置提供超快光源；

21、分束模块与超快激光器连接，分束模块用于将超快激光器输出的激光脉冲分为泵浦光和探测光两路；

22、泵浦光路用于将泵浦光引导至样品位置；

23、泵浦光固定偏振模块设置于泵浦光路上，泵浦光固定偏振模块用于将泵浦光调整为预设的初始偏振态；

24、eom电光晶体控制偏振模块设置于泵浦光固定偏振模块后方；

25、探测光模块用于将探测光传输至样品，并根据测试需要进行光束准直、扩束或白光连续谱产生；

26、延迟线模块设置于探测光模块后方；

27、探测光偏振固定模块设置于延迟线模块后方，探测光偏振固定模块用于固定探测光偏振状态；

28、样品台用于固定待测样品；

29、泵浦探测光汇聚模块置于样品前方，泵浦探测光汇聚模块用于将泵浦光和探测光在样品处汇聚并实现空间重合，使泵浦光先对样品进行偏振选择激发，探测光再在设定延迟时间后对样品的瞬态吸收状态进行探测；

30、样品受激后，探测光经样品调制后进入偏振解析检测模块，偏振解析检测模块用于对探测光进行偏振解析；

31、经偏振解析后的信号传输至光谱采集模块，光谱采集模块用于采集不同波长位置处的瞬态吸收信号，并实现近紫外、可见、红外宽谱范围内的信号记录；

32、数据处理模块与光谱采集模块连接，数据处理模块用于对不同偏振激发条件下的瞬态吸收数据进行差分分析、归一化分析和拟合分析，以获得电子自旋极化强度、自旋弛豫时间及量子相干响应参数。

33、优选的，泵浦光进入泵浦光路，探测光进入探测光模块。

34、优选的，所述eom电光晶体控制偏振模块的调制频率为50khz。

35、优选的，所述延迟线模块的延迟范围为8ns。

36、优选的，所述光谱采集模块的探测波段包括：近紫外波段350nm～650nm、可见波段530nm～900nm以及红外波段1100nm～1650nm。

37、本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明的技术效果如下：

38、本发明通过采用瞬态吸收探测方式代替现有技术中的发光瞬态探测方式，并结合泵浦光固定偏振模块、eom电光晶体控制偏振模块、偏振解析检测模块、光谱采集模块和数据处理模块，对不同偏振激发条件下的瞬态吸收信号进行采集、差分分析和归一化处理，从而能够有效分离电子自旋相关信号与非自旋背景信号，提高电子自旋极化测量的灵敏度和准确性。由于本发明不再依赖样品的强发光过程，因此能够改善现有技术在弱发光、强非辐射复合及复杂激发态材料体系中适用性较差的问题。

39、进一步的，本发明通过设置延迟线模块对探测光相对于泵浦光的到达时间进行调节，并结合偏振调制和宽谱光谱采集，可在飞秒至纳秒时间尺度内对样品中电子自旋极化的建立、弛豫和量子相干演化过程进行连续探测，从而获得更加完整的超快动力学信息。又由于本发明的光谱采集模块能够覆盖近紫外、可见、红外宽谱范围，因此不仅能够测量单一波长处的自旋极化响应，还能够检测多个波段内的自旋相关量子相干响应，提高测量结果的信息维度和分析能力。

40、进一步的，本发明采用重复频率为50khz的超快激光器，并使eom电光晶体控制偏振模块的调制频率与之匹配，从而提高单位时间内有效信号的采集效率，改善弱信号条件下实验测试的信噪比和结果重复性。由此，本发明能够为半导体材料、低维材料、自旋电子学功能材料以及相关光电器件中的电子自旋极化和量子相干行为研究提供一种灵敏度高、准确性好、适用范围广的测量方法和测量装置。