Pump & probe fázový mikroskop

Mikroskopický systém pro vyvolání a monitorování dynamiky fázových změn v materiálu, které se projevují lokálními změnami optické propustnosti a odrazivosti.

Jedním ze slibných produktů materiálového výzkumu posledních let jsou tenké vrstvy chalkogenidů, které jsou již nyní komerčně využívány například v technologiích pro ukládání dat. Díky skvělé kombinaci vlastností by však jejich použití mohlo být již brzy rozšířeno i do oblasti fotoniky (metamateriály či jiná integrovaná aktivní fotonická zařízení). Principem zápisu je reverzibilní změna mezi amorfní a krystalickou fází materiálu, kterou lze vyvolat opticky. V současnosti zde hrají primární roli lasery vyzařující v červené a infračervené spektrální oblasti. Avšak podobně jako u klasických CD i zde lze dosáhnout výrazného zvýšení kapacity přechodem do modré oblasti (Blue-Ray).

Právě v tomto ohledu chtějí posunout hranice poznání vědci z Univerzity v Pardubicích. Cílem bylo vytvořit funkční zařízení se dvěma pulzními lasery, z nichž jeden bude kratším silnějším pulzem fázovou změnu v materiálu vyvolávat (pump) a druhý ji bude současně delším slabším pulzem monitorovat (probe). Požadavkem byla možnost sledovat současně změnu propustnosti i odrazivosti vzorku, ze které je pak dynamika zápisu vyhodnocována. Součástí dodávky měla být dále možnost přesného polohování vzorků, zobrazovací mikroskopická větev umožňující sledování povrchu vzorku, kompletně funkční detekční část s osciloskopem a PC pro ovládání systému a zpracování naměřených dat.

Ačkoliv podobné výzkumné systémy již existují, jejich funkce bývá založena na použití červených nebo infračervených laserů. Právě zákazníkem požadovaný přechod do modré oblasti spektra - navíc za použití laserů s vláknovým výstupem – byla hlavní inovace a zároveň také technická výzva tohoto projektu.
Jako základní stavební prvky mikroskopického systému byly použity diodový laser (405 nm), laserová dioda (450 nm), dva mikroskopické objektivy, 3 rychlé fotodiody (propustnost, odrazivost a reference) a červená LED s kamerou pro zobrazovací větev. Vše doplněno vhodnou kombinací nastavitelných držáků, dichroických zrcadel, filtrů a čoček tak, aby oba lasery mířily do stejného místa ve vzorkové rovině, jejíž zaostření je umožněno zobrazovací větví. Principiální optické schéma je vidět na obrázku.

Na míru vyrobený držák vzorku je uchycen do XYZ přesného polohování od PI. Výstupy detektorů jsou připojeny na rychlý osciloskop od NI, z něhož jsou pak data přes PCI-express sběrnici posílána do PC. Řízení veškerého hardwaru (modulace laserů umožňující nastavitelnou délku a intenzitu pulzů, polohování vzorku, sběr dat na osciloskopu,…) je realizováno pomocí námi vybraných elektronických komponent usazených spolu s lasery ve společné řídící jednotce (rack). Ovládání systému i vyhodnocení získaných dat probíhá prostřednictvím připraveného grafického uživatelského rozhraní (GUI) na dodaném PC. Díky tomu je možné systém uzavřit do krytu zajišťujícího uživateli ochranu před laserovým zářneím – i tento kryt je součástí dodávky.

Parametry zařízení

• Čerpací laser (pump) s centrální vlnovou délkou 405 nm, nastavitelným výkonem a délkou pulzu
• Sondovací laser (probe) s centrální vlnovou délkou 450 nm, nastavitelným výkonem a délkou pulzu
• Zaostření laserových pulzů ve vzorkové rovině na stopu o průměru < 1µm
• Detekce odraženého a prošlého sondovacího pulzu s časovým vzorkováním < 10 ns
• Simultánní vyčítání dat ze 2 detektorů osciloskopem s šířkou pásma 1.5 GHz, rozlišením 10 bit a vzorkováním 5 GS/s
• Polohování vzorku ve třech osách s minimálním krokem 0.25 µm a rozsahem > 25 mm (YZ) a > 75 mm (X)
• Ovládání z PC umožňující plné zakrytování systému