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脉动科技2021.10月刊--Carmina可调谐中远红外飞秒激光器——纳米红外检测的完美光源解决方案
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Monday, October 25, 2021

Carmina可调谐中远红外飞秒激光器
——纳米红外检测的完美光源解决方案

1、关于APE Carmina

Carmina是一款新型飞秒光学参量振荡器(fs OPO)以及差频(DFG)飞秒激光器,在整个中远红外光谱范围(2.5至15μm/4000——670 cm-1)具有高激光功率和宽光谱范围的特点,同时20 cm-1窄带和300 cm-1宽带线宽可以满足红外成像和光谱分析的不同研究需求。

2、离子阱实验系统

澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)使用APE公司Carmina可调谐中红外激光器用于先进2D材料研究。

新南威尔士大学(UNSW)先进固体&液体电子光学中心(CASLEO)提出了SiO2/Si晶片上的六方氮化硼(HBN)薄层晶体中的声子极化子(PHPS)新见解。Kourosh Kalantar Zadeh教授的多学科小组将Carmina应用到s-SNOM单波长成像和宽带散射红外纳米光谱的探测中,以解析全新的近场振幅光谱特征。他们系统地研究了衬底支撑和悬浮边界上hBN的声子极化激元特征。这些受局域边界影响的声子极化激元对于先进传感应用的工程设计和纳米光子异质结构的构造具有重大意义。

Kourosh Kalantar Zadeh教授说:“Carmina宽带的性能超出了我们的预期。”“信噪比非常高,因此,我们可以在纳米级分辨率下获得与传统FTIR光谱一样清晰的光谱。令人兴奋的是,我们可以看到由边界产生的新振动特征,这些特征以前从未报道过。”

“Carmina波数范围为670 cm-1至4000 cm-1,这是市场上任何其他系统都无法比拟的,这使我们能够观察到其他研究人员从未见过的光谱,”Jiong Yang博士补充道。“超高功率宽带激光器,为纳米光谱学开辟了新的天地。”


图1:Dr. Jiong Yang (left) and Professor Kourosh Kalantar-Zadeh (right) with their Bruker nanoIR3-s Broadband system at UNSW CASLEO.

3、Carmina在s-SNOM和AFM-IR应用前景

3.1 二维材料极化激元

Carmina很好的匹配了六方氮化硼声子激元(激光波长6.5-7μm)、石墨烯等离激元(激光波长大于10μm)和氧化钼声子激元(激光波长10- 12μm)等多种二维材料各类极化激元的光学响应频率范围,其高功率和波长可调谐性可助力s-SNOM和AFM-IR实现对各类二维材料极化激元的原位高效激发、实空间高分辨成像、高分辨高光谱成像等各类研究需求;搭配APE的拓展泵浦光源可实现二维材料极化激元的超快动力学研究,同在高时间分辨、高空间分辨、高光谱分辨三个纬度下实现对二维材料极化激元的全面研究。Carmina可完美胜任二维材料极化激元基本物性和基于二维材料极化激元的光电器件性能检测的光源需求。

图2:石墨烯的表面等离激元(a)锥形石墨烯在9.7 μm激发下的表面等离激元;(b)高介电铁电衬底PZT1 V微小电压改变对石墨烯等离激元的灵敏调控,激发波数是890 cm1(c)封装石墨烯等离激元在60 K下的低损耗传播[32],入射激光为11.28 μm(d)Bernal堆叠、随机堆叠和单层石墨烯电场局域的近场成像,激发波数是883 cm1,标尺为200 nm(e)(d)中三种石墨烯等离激元波长对比,数据取自(d)中虚线部分;(f)转角石墨烯纳米光子晶体的近场光学图像,激发波数是1180 cm1(g)矩形石墨烯边界等离激元的近场成像[38],激发波数是884 cm1(hi)930 cm1波数激发下垂直zigzag边和armchair边传播的等离激元驻波条纹。散点为实验数据,实线为电磁模拟结果,红色虚线为边界处的红外电导率,绿色虚线为内部的红外电导率。

3.2 半导体领域:

半导体的载流子和声子响应在中远红外波段,应力、掺杂、缺陷、组分的空间分布决定了半导器件的品质和性能。Carmina结合s-SNOM和AFM-IR可在在激光波长4-15μm的波段内在大气环境下,在纳米尺度下从材料的光学响应中定量检测半导体的应力、掺杂、缺陷、组分等多类参数的空间分布。Carmina为半导体纳米物性的纳米红外检测提供了稳定可靠的高功率光源,助力半导体产学研发展。

图3:近场技术在半导体和拓扑绝缘体的应用(a,b)单个半导体晶体管的扫描电镜图,及在2.54 THz激发下的近场强度成像;(c)径向非均匀掺杂的磷化铟纳米线在11.2 μm波长激发下的近场强度成像,插图为形貌图;(d)从上至下分别为:砷化铟纳米线的形貌图、一维等离激元近场成像和电磁模拟结果、等离激元振荡图像。图中标尺均为1 μm;(e,f)SiC纳米压痕的形貌图及应力分布造成的近场花纹成像;(g)三碲化二锑薄片形貌图和空间畴结构造成的电荷非均匀分布产生的近场强度花纹,激发波长为8 μm。

3.3 生物领域:

对生物组织的磷脂吸收(激光波长3.3-3.5μm)、蛋白质吸收(激光波长5.88-6.67μm)、核酸吸收(7.9-12μm)的定量探测可用于研究生物组分、生理功能和临床病理检测。Carmina在激光波长2.15 -15μm的输出完美匹配了磷脂、蛋白质、核酸的全探测需求。Carmina的高输出功率极大提升了微弱生物红外吸收的探测效率,结合s-SNOM和AFM-IR可在单细胞、单细胞器、单个细胞分泌物、单病毒、乃至单个生物大分子的尺度上实现痕量生物组分、生物结构(如蛋白质肽链的二级结构)的定量成像和光谱探测。Carmina在生物组分指纹谱区的可调谐高功率输出,为生物组分的纳米红外研究提供了可靠优良的光源支持。

图4:近场技术在有机材料和生物样品的应用(a)Nano-FTIR对纳米尺度PDMS污染的光谱识别;(b)并五苯薄膜的薄膜相(蓝色 谱线)和成核体相(绿色谱线)的红外光谱,插图为907.1 cm1和903.7 cm1下的近场强度成像,椭圆长条为成核体相;(c)PS-b-PMMA薄膜中羰基吸收峰位变化的空间分布,黑色区域为PMMA较少的区域;(d)黑色为中红外脉冲波形,红色为聚四氟乙烯散射信号波形,红色波包的拖尾为自由感应衰减。图中波数为调谐脉冲的中心波数;(e)上图为单根烟草花叶病毒的示意图和形貌图。下图红色谱线为单根烟草花叶病毒的近场红外吸收谱,蓝色谱线为远场掠入射红外吸收谱;(f)紫膜不同波数的近场相位成像;(g)人类头发空间二维红外高光谱成像数据立方体。

备注:本文图片来自《基于扫描探针技术的超分辨光学成像和谱学研究进展》,薛孟飞、陈佳宁,中国科学院物理研究所。

4、Carmina 技术参数

5、关于德国APE公司:

德国APE公司成立于1992年,位于柏林,是世界上最大的飞秒测量诊断仪器和超快光参量振荡器的制造商。APE公司的自相关仪已经形成行业的标准,是最普及的飞秒脉宽测量仪器。APE是世界上最大的皮秒和飞秒光参量振荡器(OPO)制造商!当今市场上很多著名的飞秒光参量振荡器和皮光参量振荡器其实是APE公司原产的。其中APE公司的皮秒OPO排他性的在非斯塔克斯拉曼光谱(CARS)领域取得成功!全世界有超过50个研究组在由APE公司的皮秒OPO做CARS和CRS(相干拉曼光谱)方面的研究。

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