专利名称：一种基于纯相位型液晶空间光调制器的电子自旋扩散输运动力学光学测试方法
技术领域：
本发明涉及一种电子自旋扩散输运动力学光学测试方法。其特点是利用纯相位型液晶空间光调制器(P0LCSLM)直接调制泵浦与探测光束的偏振态分布，产生圆偏振度ー维周期变化的调制光场，分别激发瞬态电子自旋光栅和探測其衰减动力学。在半导体电子自旋扩散输运动力学测量领域具有重要应用价值。
背景技术：
超大規模半导体微电子集成器件目前遭遇到了散热难和量子尺寸效应的限制，所以，目前的CPU制作不能朝更高集成度发展，而只能朝多CPU方向发展。如何突破这样的限制，发展超大規模纳电子集成器件，是目前国际上的研究热点。半导体自旋电子学正是为此目标而诞生的，其目标是要研制出低功耗、高速度的纳米电子器件，解决目前超大規模微电子集成器件遇到的困难，实现更高集成度的超大規模集成制造。基于电子自旋相干态，甚至可能实现半导体量子逻辑与计算器件。然而，实现半导体自旋电子器件，需要研究解决的基本问题之一是半导体中电子自旋输运过程所涉及的基本问题。对此问题，目前理论研究较多，而实验研究相当少，但少数的实验研究结果却发现了重要的新现象，如自旋库仑拖拽效应、爱因斯坦关系不成立等，显示出自旋输运动力学中包含丰富的物理新现象。实验研究少的主要原因在于目前没有简单高灵敏度的实验测试技木。目前报道的唯一实验测试技术是瞬态自旋光栅衍射測量法。这种方法的实验测试系统非常复杂，需要四束激光，并排列成特殊的几何结构。其中两束作为泵浦光，它们的偏振正交，迭加合成产生ー个圆偏振度ー维周期变化的光场，此光场激发半导体样品，则可以产生电子自旋极化光栅，即瞬态自旋光柵。而另外两束光中，一束作为瞬态自旋光栅的衰减动力学衍射测量的探測光，另一束作为衍射信号光外差放大的參考光。所以，不仅装置复杂，操作难度也很大。另ー方面，衍射信号也相当弱，探测灵敏度也不高，即使使用了光外差放大技木。此外，这种技术中瞬态自旋光栅由两束光的合成光场激发，容易受到两束光之间的相位差涨落干扰，引起噪声。这些问题阻碍了自旋输运动力学实验研究的广泛开展。因而，发展实验装置和操作简单，探测灵敏度高的自旋输运测试新技术，是非常必要的，将能够促进自旋输运动力学实验研究的广泛、深入开展。本发明正是要发展这样的新方法。

发明内容
本发明发展了ー种简单的电子自旋扩散输运动力学光学测试方法。它组合一个纯相位型液晶空间光调制器(商业化产品)与传统的泵浦-探测实验装置。换句话讲，只需要在传统的泵浦-探测实验装置中増加一个纯相位型液晶空间光调制器，即可实现电子自旋输运的測量。实验装置原理如图I所示。图中7为纯相位型液晶空间光调制器。显然，此装置极其简単，只有一束泵浦光2和一束探測光3。更重要的是本发明测量的是瞬态自旋光栅的吸收饱和变化。如图I所示，探測器10直接測量探測光3透过样品9后的光功率变、化，而不是象目前报道的衍射测量法那样测量探測光通过样品后的衍射信号強度。已经有实验研究报道，同一个瞬态光栅引起的探測光的透射功率变化是其引起的探測光的衍射功率的200倍以上。所以，使用吸收饱和效应测量能提高测试灵敏度200倍以上。因此，本发明不仅简化了实验装置结构和降低了实验操作难度，而且极大地提高了探测灵敏度本发明的光学原理如图I所示。其关键特征在于引入空间光调制器7。它是ー个一维纯相位型液晶阵列或称空间光调制器。一维阵列中每个单元或象素都是ー个可控相位延迟片(双折射片)，而不同象素的相位延迟量是可以独立设置的。如果设置一维阵列液晶中各象素的相位延迟量随其位置周期性的在0-2 π之间变化，则可实现其透射光横截面上偏振态的ー维周期变化调制，等效于目前报道的实验方法中用两束正交偏振泵浦光迭加合成的光场。图I所示，传统的时间分辨泵浦-探測装置I输出线偏振泵浦光脉冲2和探測光脉冲3，分别通过1/2波片4和5后，再通过透镜6聚焦在纯相位型液晶空间光调制器7上；如果旋转1/2波片4和5的方位角，使泵浦光2和探测光3的偏振方向均与7的快或慢轴成45度角，并设置7的各象素的相位延迟量随其位置周期性的在0-2 π之间变化，则透过7的泵浦光2与探測光3变成同旋向的圆偏振度一维空间周期调制的光场。反之，如果再旋转波片5的方位角90度，则2和3变成正交线偏振，它们透过7后变成相反旋向的圆偏振度一维空间周期调制的光场。成象透镜8将7成象(可縮小或放大)到样品9上，結果，圆偏振度一维空间周期调制的泵浦光场激发样品9，在样品内产生电子自旋极化度一维空间周期变化，但总电子浓度空间均匀的电子布居，即所谓瞬态自旋光栅(TSG)。而相同或相反旋向的圆偏振度ー维同周期空间调制探測光3測量TSG的瞬态圆二色饱和吸收变化或透射变化，则能反映电子自旋输运动力学。值得强调的是正是探测光3具有与泵浦光2同周期的圆偏振度空间调制，才能够测量到电子自旋输运动力学。反之，如果探测光3为非空间调制的圆偏振光，则对自旋输运动力学不灵敏。下面将以两个实例来说明本发明的实施方式。


图I电子自旋扩散输运动力学实验测试装置原理I中，I为传统的时间分辨泵浦-探測装置，包括飞秒激光器，非共线双臂干涉仪和光学延迟线；2和3分别为来自I中双臂干涉仪两个臂的光束，2强于3，故作为泵浦光，而3较弱，作为探测光；4和5为1/2波片，分别控制2和3的偏振方向；6为聚焦透镜，将2和3聚焦到7上同一点；7为ー维纯相位型液晶空间光调制器(1D-P0LCSLM)，调制通过它的光束2和3的横截面上的偏振态的空间分布；8为成象透镜，成象7到样品9上，放大率可根据需要设置；10为光电探測器，測量探測光3透过样品9中由2激发的瞬态自旋光栅后被感应的透射功率变化量。
具体实施例方式依据上述原理，本发明已具体实施了两个实例，分别产生圆偏振度ー维正弦型和方波型空间周期调制光场，并用于电子自旋扩散输运动力学測量，获取电子自旋扩散系数。实例ー圆偏振度ー维正弦型空间周期调制光场产生与电子自旋扩散输运动力学測量
设Xy坐标位于1D-P0LCSLM平面上，y轴平行于象素长边，而x轴描述象素的ー维
位置分布。通过控制器设置各象素的相位延迟量满足如下关系
权利要求
1.一种基于纯相位型液晶空间光调制器的电子自旋扩散输运动力学光学测试方法，组合一维纯相位型液晶空间光调制器与时间分辨泵浦-探測装置，其特征是使用纯相位型液晶空间光调制器同时调制泵浦与探測光斑的圆偏振度成相同的一维空间周期分布；受调制的泵浦光激发样品，产生电子自旋极化瞬态光栅，而受调制的探測光透过自旋极化瞬态光栅，測量自旋扩散输运动力学，其透射功率变化量随延迟时间变化，则反映了电子自旋扩散输运动力学；当圆偏振度的调制周期远大于一维纯相位型液晶空间光调制器的象素単元尺度，并按方程(I)设置ー维纯相位型液晶空间光调制器的周期相位时，探測光透过样品中瞬态自旋光栅后的透射功率变化量随延迟时间变化由方程(2)描述；
2.权利要求I中所述的ー种基于纯相位型液晶空间光调制器的电子自旋扩散输运动力学光学测试方法，当圆偏振度的调制周期仅为几个象素単元，按方程(3)设置ー维纯相位型液晶空间光调制器的周期相位时，探測光透过样品中瞬态自旋光栅后的透射功率变化量随延迟时间变化由方程(4)描述；
全文摘要
发明了一种基于纯相位型液晶空间光调制器的电子自旋扩散输运动力学光学测试方法，组合一维纯相位型液晶空间光调制器与时间分辨泵浦-探测装置，实验装置原理如摘要附图所示。一维纯相位型液晶空间光调制器7位于泵浦光2和探测光3的重叠区域，同时调制2和3的横截面的圆偏振度成一维空间周期分布。这样的调制光场由成象透镜8成象到样品9上。受调制的泵浦光在样品中激发起电子自旋极化瞬态光栅，而受调制的探测光测量此电子自旋极化瞬态光栅的衰减动力学。给出了圆偏振度一维正弦型和方波型空间周期调制光场的电子自旋扩散输运动力学的解析模型。本发明具有实验装置和操作简单，使用吸收饱和效应测试自旋扩散输运动力学，具有灵敏度高的优点。
文档编号G01J1/04GK102636258SQ20121014198
公开日2012年8月15日 申请日期2012年5月8日 优先权日2012年5月8日
发明者李佳明, 赖天树, 闫涌 申请人:中山大学