Femtosekundová laserová laboratoř na MFF UK P. Malý, J. Kudrna, F. Trojánek, J. Jiřička, P. Němec Matematicko-fyzikální fakulta UK, Ke Karlovu 3, 121 16 Praha 2
Úvod Optická spektroskopie s vysokým časovým rozlišením, se rozvíjí od sedmdesátých let, kdy byly získány v laserech pikosekundové optické pulsy. Současná laserová technologie dovoluje generovat ultrakrátké optické pulsy s časovými délkami 10 fs [1]. Se stejným časovým rozlišením je dnes možné přímo měřit ultrarychlé procesy v látkách [2, 3]. Kromě spektroskopie nachází však ultrarychlá technologie i řadu dalších aplikací. Na katedře chemické fyziky a optiky je časově rozlišená spektroskopie rozvíjena ji více než patnáct let. Měření zaměřená na fotosyntetické, a především na polovodičové materiály byla prováděna v pikosekundové laserové laboratoři, její celé vybavení bylo postaveno na katedře chemické fyziky a optiky ve spolupráci s FÚ UK. Její pikosekundový laserový systém s následnými nelineárně optickými transformacemi vlnové délky dovoluje generovat jednotlivé pikosekundové (>25 ps) optické pulsy ve spektrálním intervalu 266 - 3000 nm [4]. V letošním roce byla v rámci programu Fondu rozvoje VŠ Rady vysokých škol laboratoř pro časově rozlišenou spektroskopii inovována, co dovoluje posunout hranici časového rozlišení téměř o tři řády: v současné době je v provozu femtosekundová laboratoř umožňující provádět experimenty s časovým rozlišením 70 fs. Tento článek je věnován popisu femtosekundové laserové laboratoře na MFF UK. Kromě popisu vlastního laserového systému je stručně vysvětlena podstata metod femtosekundové spektroskopie a je podrobně popsáno experimentální uspořádání, na něm probíhají v laboratoři měření femtosekundové dynamiky propustnosti a odrazivosti.
Femtosekundová laserová laboratoř Ultrakrátké optické pulsy jsou generovány lasery, které pracují v režimu synchronizace modů. Na počátku rozvoje technologie laserů generujících ultrakrátké optické pulsy byly lasery s aktivní modovou synchronizací (např. elektrooptický modulátor ztrát v rezonátoru) s délkou generovaných pulsů řádově 100 ps (např. argonový iontový laser). Následovaly (konec sedmdesátých let) pevnolátkové lasery s pasivní synchronizací modů (v rezonátoru se saturabilním barvivem, tj. látkou, její propustnost roste s intenzitou světla), které generují pulsy délek 5 - 50 ps (např. neodymové lasery). Subpikosekundové světelné pulsy s délkou 50 fs mohou být získány z barvivových laserů s pasivní modovou synchronizací rozvíjených zejména v osmdesátých letech. Devadesátá léta jsou spojena s rozvojem laditelných pevnolátkových laserů (ionty přechodných kovů v krystalech), zejména se safírovým laserem Ti3+:Al2O3. Optimálního režimu modové synchronizace je zde dosaženo alternativou pasivní modové synchronizace, kdy je modulace ztrát způsobena nerezonančním nelineárně optickým
jevem třetího řádu (tzv. Kerrovská synchronizace modů). Pokročil též výzkum vlivů, které se podílejí na formování tvaru pulsu v laserovém rezonátoru, a vyvážením automodulace fáze a disperse grupových rychlostí je možné získat pulsy časových délek okolo 10 fs. V rámci programu Fondu rozvoje VŠ Rady vysokých škol byla v letošním roce inovována laboratoř pro časově rozlišenou spektroskopii na MFF UK. Femtosekundová laserová laboratoř je teď (od září 1996) vybavena femtosekundovým laserovým systémem firmy Spectra Physics (USA). Jeho základem je safírový laser (Ti3+:Al2O3) TSUNAMI model 3960D, který může pracovat jako femtosekundový nebo pikosekundový laser. Je přímo laditelný v oboru 720 - 1000 nm. Tento laser je čerpán kontinuálním argonovým iontovým laserem Beam-Lok SA-2060 (výkon čerpání 9 W). Generuje pulsy s opakovací frekvencí 82 MHz. V maximu zesílení na vlnové délce 800 nm je střední výkon 1.6 W, odpovídající energie v pulsu je 20 nJ. Délka pulsů ve femtosekundovém režimu je 60 fs, v pikosekundovém režimu 1.5 ps. Špičkový výkon ve femtosekunovém pulsu je tak 330 kW, při fokusaci do svazku průměru 50 µm odpovídá výkonový tok 17 GW/cm2. Opakovací frekvenci pulsů lze snížit vydělovačem pulsů (Spectra-Physics, model 3980), který dovoluje získat opakovací frekvence v rozsahu 0 - 4 MHz. Časová délka ultrakrátkých pulsů se měří zpravidla autokorelačními metodami.
Obr 1. Autokorelační funkce pulsu vlnové délky 800 nm měřená autokorelátorem Spectra-Physics 409.
Typické uspořádání využívá generace druhé harmonické frekvence v nelineárním krystalu v nekolineární geometrii. Puls je rozštěpen intensitně na dva, které jsou vedeny různými drahami a pak společně fokusovány do nelineárního krystalu. Měří se celková energie signálu druhé harmonické v závislosti na časovém zpoždění mezi oběma pulsy v krystalu, které se nastavuje mechanickou změnou optické dráhy jednoho z pulsů. Signál druhé harmonické je funkcí překryvu obou pulsů. Například při měření autokorelátorem Spectra Physics model 409 je optická dráha jednoho z pulsů modulována periodicky rotujícím skleněným hranolem a generace druhé harmonické probíhá nekolineárně. Signál druhé harmonické jako funkce zpoždění mezi pulsy je pak intensitní autokorelační funkcí pulsu. Na Obr. 1 je uvedena autokorelační funkce pulsu vlnové délky 800 nm, její šířka je 146 fs. Pro intensitní profil pulsu popsaný funkcí sech2 tomu odpovídá délka pulsu 95 fs.
Obr. 2. Interferenční autokorelační funkce pulsu vlnové délky 800 nm.
Na Obr. 2 uvádíme tzv. interferenční autokorelační funkci pulsu, která se měří v případě, že se oba pulsy šíří v nelineárním krystalu kolineárně. Uvedený výsledek byl získán s krystalem KDP, zpoždění pulsů bylo nastavováno optickou zpožďovací drahou popsanou dále. Signál druhé harmonické je v tomto případě složitější (vykazuje výrazné oscilace na laserové frekvenci) a umožňuje určit, nakolik je puls frekvenčně modulován (v případě modulovaného pulsu nejsou oscilace patrné v celé délce pulsu). Vlnovou délku laserového záření je možné transformovat pomocí nelineárních optických jevů, druhou harmonickou frekvenci je možné generovat ve vhodném nelineárním krystalu. Zdvojovač frekvence firmy Spectra-Physics (model 3980) užívá krystalu BBO pro femtosekundové pulsy a krystalu LBO pro pikosekundové pulsy. Lze tak získat femtosekundové pulsy druhé harmonické s energií v pulsu 3,4 nJ.
Femtosekundová spektroskopie Základem spektroskopie s vysokým časovým rozlišením je excitace zkoumaného vzorku excitačním optickým pulsem. Tím je vyvedena látka ze stavu termodynamické rovnováhy. V široce užívané metodě časově rozlišené spektroskopie, metodě excitace a sondování, interaguje s látkou i další, sondovací, puls, který jí prochází v určitém okamžiku po excitaci. Interakce s látkou v určitém stavu ovlivňuje vlastnosti sondovacího pulsu a jejich monitorováním v různých časech je možné měřit časový vývoj stavu látky, tedy relaxační a rekombinační procesy, které v ní probíhají. Nejčastěji se sondovacím pulsem zjišťuje propustnost nebo odrazivost látky, může se ovšem měřit i např. rozptyl nebo difrakce sondovacího pulsu, nebo změna jeho polarizačního stavu, apod. Synchronizace obou pulsů je zpravidla zaručena tím, že jsou oba získány štěpením jednoho laserového pulsu (s případnou následnou transformací vlnové délky). Ve většině případů jsou parametry sondovacího pulsu voleny tak, aby neovlivnil stav látky, zpravidla je jeho energie podstatně menší než energie pulsu excitačního. Alternativou je studium rychlého dohasínání luminiscence látky buzené excitačním pulsem, které se studuje pomocí ultrarychlé optické závěrky opět spínané v různých zpožděních po excitaci "sondovacím" pulsem (závěrka může být založena na optickém Kerrově jevu nebo na generaci součtové frekvence). Tuto metodiku (měření časově rozlišené propustnosti, odrazivosti, přechodné mří ky, a luminiscence) jsme na katedře chemické fyziky a optiky užívali v uplynulých letech ke studiu rychlých relaxačních a rekombinačních procesů v polovodičových (křemík, porézní křemík, mikrokrystaly CdSSe ve skle [např. 5-7]), i v organických materiálech (chlorofyl, base nukleových kyselin) [např. 8-9]. Analogické měřící metody používáme nyní ve femtosekundové
laserové laboratoři ke studování dějů na rychlejší časové škále. V současné době užíváme uspořádání znázorněné na Obr. 3.
Obr. 3. Experimentální uspořádání pro měření časově rozlišené propustnosti a odrazivosti (V-vzorek, D1, D2 detektory).
Femtosekundové pulsy laseru Ti:Al2O3 jsou zdvojovány ve zdvojovači frekvence (Spectra-Physics Model 3980), z něho vystupují prostorově oddělené dva svazky druhé harmonické a základní frekvence. Svazek základní frekvence je veden přes optickou zpožďovací dráhu (Newport, celkové zpoždění 80 ps, minimální krok posunu 0,3 fs), oba svazky jsou fokusovány na vzorek čočkou s ohniskovou vzdáleností 10 cm. Prošlý a odražený svazek je monitorován křemíkovými fotodiodami a signál je veden přes předzesilovač do fázově synchronního zesilovače (lock-in) Stanford Research Systems. Excitační svazek je mechanicky přerušován na frekvenci 1 kHz. V uvedeném uspořádání je možné měřit změny odrazivosti a propustnosti s přesností lepší než 1 × 10-5. Příklad měření propustnosti je uveden na Obr. 4.
Obr. 4. Dynamika propustnosti vzorku skla dopovaného nanokrystaly CdSSe.
Vzorek je sklo dopované mikrokrystaly CdS0.72Se0.28 se středním průměrem 12 nm (komerční filtr OA 57, Carl Zeiss Jena). Excitační vlnová délka byla 396 nm, sondovací 792 nm. Z obrázku je zřejmý rychlý pokles propustnosti vzorku po excitaci, po něm následuje doznívání transmisní změny na škále nejméně desítek pikosekund. Toto chování odpovídá dynamice přechodné absorpce, které jsme dříve měřili s pikosekundovým časovým rozlišením, kdy jsme ukázali, že toto doznívání je způsobeno především nezářivým Augerovým rekombinačním procesem [10]. Jako příklad měření časově rozlišené reflektivity uvádíme na Obr. 5 dynamiku odrazivosti GaAs na vlnové
délce 800 nm při excitaci vlnovou délkou 400 nm.
Obr. 5. Dynamika odrazivosti vzorku GaAs.
Po počátečním poklesu odrazivosti následuje její pomalý nárůst (~2 ps) a potom pomalé doznívání na škále stovek pikosekund. Toto měření odpovídá dříve publikovaným výsledkům Faucheta a kol. [11], kteří interpretovali počáteční pokles jako změnu indexu lomu související s odpovídající saturací absorpce, která relaxuje zejména interakcí mezi nosiči a rozptylem mezi údolími, pikosekundový nárůst odrazivosti je spojen s chladnutím nosičů náboje a plněním pásů. V nejbližší budoucnosti budou v laboratoři studována dynamika nosičů náboje ve vybraných polovodičových materiálech (porézní křemík, polovodičové nanokrystaly) a ultrarychlý přenos energie ve fotosyntetizujících bakteriích. Kromě popsaného uspořádání pro měření bude postupně probíhat studium ultrarychlých dějů dalšími metodami (např. vícevlnné směšování, časově rozlišená luminiscence, aj.). V článku jsme popsali femtosekundovou laserovou laboratoř, která byla v roce 1996 zprovozněna na Matematicko-fyzikální fakultě UK a která bude sloužit především pro femtoskundovou spektroskopii. Uvedli jsme jako ilustraci výsledky některých měření. S případnými zájemci budeme rádi diskutovat možnosti společných experimentů.
Literatura [1] J. - C. Diels, W. Rudolph: Ultrashort Laser Pulse Phenomena, Academic Press, San Diego, 1996. [2] Ultrashort Laser Pulses, Topics in Applied Physics vol. 60, ed. W. Kaiser, Springer Verlag, Berlin 1993. [3] Hot carriers in Semiconductor Nanostructures, Ed. J. Shah, Academic Press, San Diego, 1992. [4] P.Malý, J.Večeř, A.Svoboda, J.Pantoflíček: Pikosekundový laserový spektrometr a jeho využití v časově rozlišené spektroskopii, Čs. čas. fyz. A 40, 134 (1990). [5] P. Malý, F. Trojánek, J. Kudrna, A. Hospodková, S. Banáš, V. Kohlová, J. Valenta, I. Pelant: Picosecond and millisecond dynamics of photoexcited carriers in porous silicon,
Phys. Rev. B 54, 7929 (1996). [6] P.Malý, A.Svoboda, P.Buša: Picosecond transient concentration grating in silicon, Physica status solidi (a) 121, K223 (1990) [7] P. Malý, F. Trojánek, A. Svoboda: Photodarkening effect on absorption nonlinearity in CdSSe-doped glass, J. Opt. Soc. Am. 10, 6251 (1993). [8] P. Malý, R. Danielius, R. Gadonas: Picosecond absorption spectroscopy of chlorophyll a dihydrate, Photochemistry and Photobiology 45, 7 (1987). [9] J.Večeř, P.Malý, M.Šíp: Laser Excited Time-resolved Low-temperature Luminescence of Nucleic Acid Bases Single Crystals, Czech.J.Phys. B 41, 184 (1991). [10] P. Němec, F. Trojánek, and P. Malý: Effect of Photodarkening on dynamics of visible and infrared photoluminescence in CdSSe-doped glass, Phys. Rev. B 52, 8560 (1995). [11] T. Gong, P. Mertz, W.L. Nighan, P.M. Fauchet: Femtosecond refractive-index spectral hole-burning in intrinsic and doped GaAs, Appl. Phys. Lett. 59, 627 (1991).
