成功交付 | 1.25 mJ 高能量飞秒激光器赋能瞬态吸收光谱与超快动力学平台
2026.10.14
一、应用价值:瞬态吸收光谱为什么对泵浦源如此苛刻
光被材料吸收之后的第一个皮秒里发生了什么?激子如何形成与解离、热载流子如何冷却、电荷如何跨越界面转移、缺陷态如何俘获载流子——这些决定太阳能电池、光催化剂与发光器件最终效率的过程,都发生在飞秒到纳秒的时间窗口内,稳态光谱完全看不到。

瞬态吸收光谱(Transient Absorption Spectroscopy,TAS)是打开这个窗口最通用的工具:一束飞秒"泵浦"脉冲把样品激发到非平衡态,另一束延迟可调的宽带"探测"脉冲记录样品吸收随延迟时间的变化 ΔA(λ, τ)。泵浦-探测(pump-probe)的时间分辨率不由探测器决定,而由两束脉冲的互相关宽度决定——这是超快动力学测量与任何电子学手段的本质区别。

问题在于信号极其微弱。典型 TAS 的 ΔA 落在 10⁻³ – 10⁻⁴ 量级,而它是由"有泵浦"与"无泵浦"两次测量相减得到的。泵浦源自身的功率抖动会等比例地进入白光超连续(WLC)探针的强度涨落,指向漂移则会让泵浦与探测光斑在样品上的重叠度随时间变化——两者都会直接抬高基线噪声。因此一台合格的科研泵浦源必须同时跨过六道门槛:

▪ 门槛 1 · mJ 级单脉冲能量:泵浦臂要留出驱动 OPA / SHG 做波长转换的能量预算,探测臂还要分出几微焦在蓝宝石或 YAG 中稳定产生白光超连续。
▪ 门槛 2 · 百飞秒级脉宽:互相关宽度决定时间分辨率;200 fs 级脉宽足以分辨载流子冷却、激子解离等主流超快过程,同时保证非线性转换效率。
▪ 门槛 3 · 双档重频:低重频让样品在两个脉冲之间完成热与激发态弛豫,避免累积效应;高重频用更多脉冲数换信噪比,缩短扫描时间。
▪ 门槛 4 · 长时功率稳定性 < 0.2 % RMS:TAS 扫描动辄数小时至整夜,泵浦功率的慢漂移会直接伪装成"动力学"。
▪ 门槛 5 · 指向稳定性 < 5 μrad 量级:泵浦-探测重叠区通常只有百微米量级,指向漂移必须远小于光斑尺寸。
▪ 门槛 6 · 高光束质量与高预脉冲对比度:M² 接近衍射极限才能高效产生 WLC;预脉冲会提前激发样品、污染零时刻附近的动力学。

镱镭飞秒本次交付的 HELIOS-10W-HE 高能量飞秒激光器,正是围绕这六道门槛做工程化设计的 1 mJ 飞秒激光 平台级泵浦源。

二、成功交付:一台 1 mJ 级科研泵浦源,撑起 TAS 与泵浦-探测全平台
1.客户类型
某双一流高校 · 超快光谱与光电功能材料研究组。该研究组围绕新型光伏与光电功能材料的光物理开展工作,关注光生载流子的产生、弛豫、复合与界面转移过程,需要一台可长时间连续运行、能同时服务泵浦臂与探测臂的公共驱动源,用于建设瞬态吸收光谱与飞秒泵浦-探测实验平台。

2.交付内容
▪ HELIOS-10W-HE 高能量飞秒激光器:Yb 全固态啁啾脉冲放大(CPA)架构,二极管直接抽运、水冷,中心波长约 1036 nm,水平线偏振。
▪ 双档重频全档验收:10 kHz(1.25 mJ / 12.47 W / 230 fs)与 200 kHz(83.5 μJ / 16.7 W / 245 fs)两档均通过出厂测试。
▪ 长时稳定性验收:10 kHz 档连续 24 h 烤机,功率稳定性 0.11 % RMS、指向稳定性 2.11 μrad。
▪ 光束与对比度验收:M²x / M²y ≤ 1.148 / 1.079,近场光斑 4.85 – 5.30 mm,预脉冲对比度 1000:1。

3.覆盖的核心研究方向
▪ 瞬态吸收光谱(TAS):可见-近红外宽带 ΔA(λ, τ) 测量,飞秒-皮秒-纳秒三段时间窗口覆盖。
▪ 光生载流子超快动力学:热载流子冷却、带边填充、电子-声子耦合与非辐射复合通道的时间分辨观测。
▪ 激子与电荷转移过程:给体-受体体系的界面电荷分离、激子解离与复合动力学。
▪ 泵浦-探测非线性光谱:瞬态反射、瞬态光栅等基于同一泵浦源的时间分辨技术。
▪ 波长扩展实验:1.25 mJ 能量预算足以驱动 OPA / SHG,把泵浦波长从 1036 nm 扩展到紫外-可见-近红外。
▪ 高通量快扫实验:200 kHz 档以脉冲数换信噪比,把长延迟扫描的采集时间压缩一个量级。

三、为什么选了镱镭飞秒?
📍 一台设备覆盖两种实验模式:10 kHz / 1.25 mJ 满足高能量泵浦与波长转换需求,200 kHz / 16.7 W 满足快扫描与高信噪比需求,无需为两类实验各配一台主机。
📍 24 h 功率稳定性 0.11 % RMS:通宵扫描全程功率漂移可忽略,差分信号的系统噪声底被压在 10⁻⁴ ΔA 量级,不必频繁中断实验重新归一化。
📍 指向稳定性 2.11 μrad:以 500 mm 聚焦透镜实测质心 RMS 位移仅 1.11 μm;对 0.5 – 1 m 的泵浦-探测光程,累积偏移仍在 1 – 2 μm 量级,远小于百微米级光斑。
📍 230 fs 近变换极限脉冲:自相关全宽 320.1 fs,高斯拟合 R² = 1.000,脉宽 230.7 fs——峰值功率约 5.4 GW,白光超连续与 OPA 转换都有充足驱动余量。
📍 预脉冲对比度 1000:1 + 光高 72 mm:前者避免提前激发污染零时刻附近的动力学;后者让整机可以直接与 TAS 探测臂共用同一块光学平台。

四、【硬指标】
HELIOS-10W-HE 高能量飞秒激光器

项目 10 kHz 200 kHz
中心波长 1036.7 nm 1036.3 nm
脉冲宽度(FWHM) 230 fs 245 fs
单脉冲能量 1.25 mJ 83.5 μJ
平均功率 12.47 W 16.7 W
峰值功率(E/τ 估算) ≈ 5.4 GW ≈ 0.34 GW
光束质量 M²(x / y) 1.146 / 1.079 1.148 / 1.074
光束直径(距出光口约 1 m) 4.85 mm 5.30 mm
24 h 功率稳定性 0.11 % RMS
24 h 指向稳定性 2.11 μrad
预脉冲对比度 1000:1
偏振 / 光高 / 冷却 水平线偏振 / 72 mm / 水冷

注:功率与指向稳定性在 10 kHz 参数组下测得,烤机时长口径统一为 24 h(热机 0.5 h)。

*优势 1 · 10 kHz 输出光谱:中心 1036.7 nm,近变换极限带宽
飞秒脉冲的最短时间宽度由其光谱带宽的傅里叶变换极限决定。10 kHz 档光谱主体位于约 1030 – 1044 nm,半高全宽约 7 nm,顶部的细结构来自再生放大过程中的增益窄化与光谱整形。以 7 nm 带宽估算,高斯型变换极限脉宽约 230 fs 量级——与实测的 230.7 fs 基本重合,说明 CPA 链路的展宽-压缩色散匹配已接近最优,脉冲没有残余啁啾可压缩的余量被浪费。对 TAS 而言,这意味着泵浦脉冲的时间分辨能力已由物理带宽而非工程装调决定。

*优势 2 · 200 kHz 输出光谱:切换重频,中心波长仅移动 0.4 nm
把重频从 10 kHz 提高到 200 kHz,单脉冲能量从 1.25 mJ 降到 83.5 μJ,放大器内的增益饱和深度与热负载分布随之改变,光谱形貌会出现细微差异;但实测中心波长为 1036.3 nm,与 10 kHz 档仅相差 0.4 nm,光谱包络形状几乎一致。对下游的 OPA 或倍频单元而言,这意味着切换工作模式后相位匹配角基本无需重新标定;对白光超连续产生而言,则意味着两档下的 WLC 光谱形状与阈值行为保持可比。

图 1 | HELIOS-10W-HE · 10 kHz 输出光谱 · 中心波长 1036.7 nm 图 2 | HELIOS-10W-HE · 200 kHz 输出光谱 · 中心波长 1036.3 nm

*优势 3 · 10 kHz 自相关脉宽:230 fs,峰值功率约 5.4 GW
出厂采用强度自相关测量脉宽:实测自相关全宽(ACF FWHM)320.1 fs,按高斯脉冲去卷积(除以 √2)得到脉宽 230.7 fs,拟合优度 R² = 1.000,说明脉冲形状与高斯模型高度吻合。自相关曲线两翼干净、无可见基座,表明能量集中在主峰内、没有明显的附属脉冲结构。结合 1.25 mJ 单脉冲能量,E/τ 估算的峰值功率约 5.4 GW——白光超连续产生只需微焦量级能量,因此泵浦臂可以放心地把绝大部分能量留给 OPA / SHG 波长转换。

*优势 4 · 200 kHz 自相关脉宽:245 fs,快扫描档同样保持百飞秒量级
200 kHz 档实测自相关全宽 346.5 fs,去卷积后脉宽 245.1 fs(R² = 1.000),相比 10 kHz 档仅展宽约 6 %。对应单脉冲峰值功率约 0.34 GW,仍足以驱动白光超连续产生。高重频档的价值在信噪比:同样的采集时间内脉冲数增加 20 倍,在散粒噪声限制下信噪比约提升 √20 ≈ 4.5 倍,这对长延迟窗口的精细扫描尤为重要——前提是样品在 5 μs 的脉冲间隔内能够完成激发态弛豫。

图 3 | HELIOS-10W-HE · 10 kHz 自相关曲线 · 脉宽 230 fs(FWHM) 图 4  |  HELIOS-10W-HE · 200 kHz 自相关曲线 · 脉宽 245 fs(FWHM)

*优势 5 · 24 h 功率稳定性:0.11 % RMS ★ TAS 平台的核心指标
这是整份报告中与 TAS 数据质量关系最直接的一条。ΔA 是两次测量相减的结果,泵浦功率的相对涨落会近似等比例地传递到差分信号的基线上;当 ΔA 本身只有 10⁻³ – 10⁻⁴ 时,0.5 % 级的功率漂移足以把真实动力学淹没。HELIOS-10W-HE 在 10 kHz 档热机 0.5 h 后连续监测 24 h,平均功率 12.47 W、RMS 波动 0.11 %(约 14 mW),曲线全程平直、无阶跃与周期性起伏。配合平衡探测与参考臂归一化,这一稳定性足以支撑整夜无人值守的长时间扫描。

*优势 6 · 24 h 指向稳定性:2.11 μrad
指向稳定性决定泵浦与探测光斑在样品上的重叠度能否长时间保持。出厂测试以 500 mm 焦距透镜将光束聚焦到相机上,24 h 内光斑质心 RMS 位移 1.11 μm,对应角度指向稳定性约 2.1 μrad;图中两条曲线分别为两个正交方向的质心位置,全程为平直基线。按 0.5 – 1 m 的典型泵浦-探测光程折算,指向漂移引入的位置偏移仅 1 – 2 μm 量级,相对于百微米级的泵浦光斑可以忽略——重叠度不会因主机漂移而在通宵扫描中退化。

图 5 | HELIOS-10W-HE · 10 kHz 24 h 功率稳定性 · 平均 12.47 W · 0.11 % RMS 图 6  |  HELIOS-10W-HE · 10 kHz 24 h 指向稳定性 · 质心 RMS 位移 1.11 μm

*优势 7 · 光束质量、光斑与预脉冲对比度
参量转换与白光超连续产生都对空间模式敏感:M² 越接近 1,聚焦后越能获得均匀、可重复的功率密度分布。两档重频下 M²x / M²y 分别为 1.146 / 1.079(10 kHz)与 1.148 / 1.074(200 kHz),全部优于 1.15;距出光口约 1 m 处近场光斑直径 4.85 mm(10 kHz)与 5.30 mm(200 kHz)。预脉冲对比度 1000:1 意味着主脉冲之前的能量泄漏被压低三个数量级——对 TAS 而言,这是保证"零时刻之前样品确实处于基态"的必要条件。

五、客户怎么说?
我们真正在意的是整夜扫描后的基线。装机后连续跑了几轮长延迟扫描,差分信号的基线没有出现以往那种缓慢漂移,数据不用反复重测。两档重频切换很方便:能量档做波长转换,高重频档做快扫,一台设备把两类实验都覆盖了。

—某超快光谱与光电功能材料研究组

把 TAS 平台建起来并不难,难的是让它在半年、一年之后仍然给出同样质量的数据。泵浦源的长时稳定性,就是超快动力学数据的信噪比上限。HELIOS-10W-HE 交出的 0.11 % RMS 与 2.11 μrad,配合 1.25 mJ 的能量预算和 230 fs 的近变换极限脉冲,让研究组可以把精力放在样品与物理上,而不是每天重新调光路。围绕这台科研泵浦源,平台还有三条清晰的升级路径:

▪ 波长扩展:接入 AURORA 系列 OPA,把泵浦波长扩展到紫外-可见-近红外,直接激发目标材料的带边或特征吸收带。
▪ 时间分辨率提升:接入 HYPERION 系列多通池(MPC)脉冲压缩,把脉宽从 230 fs 压缩到数十飞秒量级,看清载流子冷却与相干振荡的早期过程。
▪ 探测谱段延伸:在 OPA 之后加装独立 DFG 设备,把探测臂推进到中红外,用振动光谱直接指认反应中间体的结构。

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