激光pump-x射线probe方法及应用

论文总字数：24108字

摘 要

本文主要介绍超快X射线衍射探测方法以及其应用研究。

ps-fs时间尺度的超快X射线衍射主要用于晶格动力学研究，与超快光学探测方法相比,超快X射线对于晶体内部结构更为敏感，可用来探测晶体内部的超快过程，例如声子转移过程。本文中使用一台基于商用激光器产生的fs激光，经过放大器放大后通过分束，一束经过泵浦光路用来激发样品发生超快过程，一束经过探测光路进入真空腔体打靶产生超快X射线。此处所用的X射线源是激光等离子X射线源，其产生超快X射线的方法主要是利用激光诱导产生等离子体，利用其共振吸收和真空加热机制产生fs量级的超快X射线。诚然，相比同步辐射光源，其亮度较低；但是，其时间分辨更加高并且装置更小，更便捷。

本文将着重介绍这一激光泵浦等离子体超快X射线探测装置的主要结构和调节方法，最后利用该装置对STO/SRO超晶格样品的超快声子转移过程进行了研究，观察到了这一在fs量级的晶格动力学过程。同时还对掺杂STO样品进行了超快X射线研究，发现其并不适合该实验方法。

关键词：晶格动力学，激光等离子体X射线源，超快X射线衍射，超晶格

The Method and Application of Laser Pumped X-ray diffraction

Abstract

In the thesis, I will introduce the study of the method and application of the Ultrafast X-ray diffraction.

Compared to the method of ultrafast optical detection, the ultrafast X-ray, which is more sensitive to the interior structure of the crystal, can be used to probe the change of the interior structure of the crystal, such as the transfer of the phonon. A laser driven X-ray source, which isbased on the vacuum heat and the resonance absorption, will be used to probe the ultrafast process induced by the femtosecond laser. In this thesis, the femtosecond laser, generated by a commercial laser system, will be amplified by the amplifier, and then, it will be split into two beams. One of the beams will be used to motivate the ultrafast change of the sample through the pump road, and the other will be used to generate the ultrafast X-raythrough the probe road. Admittedly, comparedwith the source based on synchrotron, the intensity of the X-ray is weak; however, the time resolution can be higher and the device can be smaller and more convenient.

In the thesis, with the table-top ultrafast X-ray diffraction system, I have studied the transfer of the phonon in the super-lattice STO/SRO, induced by femtosecond laser with 1kHz repetition rate. In the meantime, I also study the STO sample and I notice that such sample is not suitable for the ultrafast X-ray diffraction system.

Key words: Ultrafast X-ray diffraction, super-lattice, lattice dynamic

目录

摘要……………………………………………………………………………………1

Abstract ……………………………………………………………………………2

1. 绪论 ………………………………………………………………………4

1.1 引言 …………………………………………………………………4

1.2 超快X射线探测技术的发展及现状…………………………………4

1.3 超快X射线源 …………………………………………………6

1.3.1 同步辐射源 ……………………………6

1.3.2 激光等离子体源 ……………………………………………7

1.4 pump-probe 探测方法 ………………………………………8

1.5本文的研究目的和主要研究内容 …………………8

参考文献（References）

1. 实验室用超快X射线探测装置的结构与调节………………………11

2.1 激光等离子体X射线源

2.1.1 钛宝石激光系统 …………………………………………11

2.1.2 外围打靶光路…………………………………………11

2.1.2.1反射式卡塞格林扩束镜……………………12

2.1.2.2 爬高系统……………………13

2.1.2.3离轴抛物面镜……………………13

2.1.3 真空作用腔……………………14

2.1.4 X射线聚焦……………………15

2.2 时间分辨系统……………………16

2.2.1 泵浦光路……………………17

2.2.2 时空间重合……………………18

2.2.2.1 时间重合……………………19

2.2.2.2 空间重合……………………19

参考文献（References）

1. 实验分析…………………………………………20

3.1 超晶格样品 …………………………………………20

3.2 STO样品 ………………………………………23

1. 结论…………………………………………………………26

致谢…………………………………………………………………………………27

1. 绪论
   1. 引言

随着对晶体结构的研究进一步的深入，基态，静态，稳态的研究已经不能满足现代科学的要求，人们转向了对激发态，动态，非平衡态的研究。然而大多数动态过程，比如化学键的断裂，声子，电子的转移，相变过程，基本都发生在ps-fs数量级下，因此对于时间分辨精度提出了更高的要求。

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