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泵浦‑探测采样 异步光学采样（ASOPS）用于高精度薄膜检测
来源: | 作者:莱速科技Laspeed | 发布时间: 2026-08-19 | 116 次浏览 | 🔊 点击朗读正文 ❚❚ ▶ | 分享到:


引言

泵浦‑探测采样是一种强大技术，用于观测材料与生物系统中飞秒至纳秒（fs‑ns）量级的超快过程。该技术将一束短而强的激光脉冲照射样品（即 “泵浦光”），激发样品，触发光学物理过程或化学反应。另一束经过时间延迟的激光脉冲（即 “探测光”）穿过样品，测量由泵浦光激发引发的样品光学特性变化。改变泵浦光与探测光之间的时间延迟，即可获得高时间分辨率下，样品对泵浦脉冲响应的完整时间演化记录。

泵浦‑探测采样在材料科学与化学领域价值突出，可帮助研究人员理解能量转移、光化学以及其他重要过程背后的底层机理。实现高性能泵浦‑探测测量系统有多种技术路线。下文示意图从原理层面对比了实现顶尖性能泵浦‑探测装置所需的各个组成单元。K2 Photonics 的激光解决方案可搭建简易且性能顶尖的泵浦‑探测测量系统，让泵浦‑探测技术便于实际落地使用。



Pump-probe sampling

借助 K2‑1000 轻松实现泵浦‑探测采样

核心难题：光学延迟扫描

在皮秒超声等应用中，往往需要大的泵浦‑探测延迟，才能够解析表面声波与热动力学行为。大扫描范围可以研究总厚度达几十微米的复杂多层薄膜结构，例如现代半导体芯片内部薄膜结构。但依靠机械延迟线实现大距离扫描，不仅速度慢，还会因光束偏移、光束发散带来系统误差，同时需要复杂的光机系统。此外，光学延迟扫描速度慢，还必须借助锁相放大检测才能获得高灵敏度，进一步增加系统复杂度。



无运动部件快速光学延迟扫描：双激光器方案

异步光学采样（ASynchronous OPtical Sampling，ASOPS），也叫等效时间采样（ETS），是泵浦‑探测测量中实现大光学延迟扫描的另一种方案。该技术采用两种不同的光脉冲重复频率，分别供给泵浦光与探测光，以此实现二者之间光学延迟的快速、高精度扫描。该技术广泛用于超快光声学以及其他瞬态吸收研究。扫描范围由泵浦光重复频率决定，扫描速度由泵浦光、探测光二者的重复频率差值决定。

Pump-probe sampling


ASOPS 关键参数汇总见下表：

ParameterVariable
Pump repetition rateƒrep,pump
Probe repetition rateƒrep,probe
Repetition rate differenceΔƒrep = | ƒrep,pump — ƒrep,probe |
Delay scan range1 / ƒrep,pump
Delay sweep time1 / Δƒrep
Delay scan stepτ ≈ Δƒrep / ƒrep2
Measurement bandwidthBW, typically, up to ƒrep / 2
Time step resolutionτ ≈ Δƒrep / (ƒrepBW)


ASOPS 传统实现方式是使用两台独立超快激光器，依靠高频锁相环与高带宽反馈电子器件完成同步。想要利用 ASOPS 实现精准时序控制，需要很高的测量与反馈带宽，才能达到飞秒级的时间轴精度。


无运动部件快速光学延迟扫描：单激光器方案

K2 Photonics 开发了一套独特的 ASOPS 方案，仅使用单台激光器即可完成光学延迟扫描，无需两台独立超快激光器。其原理是在同一个激光谐振腔内生成两组脉冲序列，分别用作泵浦光源与探测光源。

该单腔双光梳激光方案相比传统双激光器 ASOPS 系统具备多项优势。第一，大幅简化实验装置，减少器件数量，系统更加紧凑、稳定性更强。第二，泵浦光与探测光源自同一个激光腔，脉冲噪声具备相关性，时间轴稳定性得到提升；不再需要两台激光器之间的电子反馈环路，整体系统稳定性大幅改善。

K2 pulse structure


达到散粒噪声极限的信号检测能力

K2 Photonics 的单腔双光梳激光系统采用固体激光技术。该技术可实现高频下极低的激光强度噪声；当频率大于 1 MHz 时，相对强度噪声（RIN）通常低于‑160 dBc/Hz。这种低噪声基底对 ASOPS 尤为重要：绝大多数目标信号处于高频频段，不受激光噪声干扰。信号噪声主要来源于探测光电二极管的散粒噪声，仅由探测光功率与光电二极管响应度决定。因此 K2 Photonics 这套固体激光 ASOPS 测量系统拥有更高信噪比，同时时间延迟轴具备完美线性，是用于超快光谱及其他应用的高灵敏度设备。


K2 Photonics 泵浦‑探测应用的核心价值

速度

双光梳激光器相较于传统激光器具备独特优势，可实现高速光学延迟扫描，整套系统无需任何运动部件。其原理为产生两组重复频率略有差异的脉冲序列，使二者之间的光学延迟实现连续扫描。扫描范围由重复频率的倒数决定，扫描速度则由两组脉冲序列的重复频率差值决定。根据激光器具体参数，可实现大于 10 ns 的扫描范围，扫描速度可达 100 kHz 以上。

精度

依托单腔结构与共模噪声抑制技术，K2 Photonics 双光梳激光器在整个光学延迟扫描区间内，时间轴精度可达飞秒量级。光学延迟步长可低至数个飞秒，能够精准捕获超快物理现象，适配各类应用场景。

灵敏度

K2 Photonics 采用固体激光技术搭建单腔双光梳激光系统，实现高频段极低强度噪声。在 1 MHz 以上频段，相对强度噪声（RIN）通常优于‑160 dBc/Hz。绝大多数目标信号处于高频区间，该低噪声基底对高速采样应用至关重要。固体激光技术可为终端用户带来更高信噪比测量结果，提升实验的灵敏度与测量精度。

集成度（紧凑性）

基于 K2 Photonics 单腔双光梳激光技术，单台激光器可直接输出两束光，无需额外同步电子学模块。传统方案需要两台超快激光器搭配复杂锁相电路，本方案体积远小于传统方案。此外，双光梳激光器输出持续扫描的脉冲序列，测量系统无需配置机械式光学延迟台，进一步缩减仪器体积，降低系统复杂度。


多项采用本技术开展的泵浦‑探测研究实例

1、Efficient pump-probe sampling with a single-cavity dual-comb laser: Application in ultrafast photoacoustics, 

Photoacoustics 2023

2、High-sensitivity pump-probe spectroscopy with a dual-comb laser and a PM-Andi supercontinuum, OPTICA 2024