Pump-&-Probe-Phasenmikroskop

Ein mikroskopisches System zur Auslösung und Überwachung der Dynamik von Phasenübergängen im Material, die sich in lokalen Änderungen der optischen Durchlässigkeit und Reflektivität äußern.

Eines der vielversprechenden Ergebnisse der Materialforschung der letzten Jahre sind dünne Chalkogenidschichten, die bereits heute kommerziell genutzt werden, beispielsweise in Technologien zur Datenspeicherung. Dank ihrer hervorragenden Kombination von Eigenschaften könnte ihr Einsatz jedoch schon bald auch auf den Bereich der Photonik (Metamaterialien oder andere integrierte aktive photonische Bauelemente) ausgeweitet werden. Das Prinzip der Datenspeicherung beruht auf einem reversiblen Übergang zwischen der amorphen und der kristallinen Phase des Materials, der optisch ausgelöst werden kann. Derzeit spielen dabei Laser, die im roten und infraroten Spektralbereich strahlen, eine vorrangige Rolle. Ähnlich wie bei klassischen CDs lässt sich jedoch auch hier durch den Übergang in den blauen Bereich (Blue-Ray) eine deutliche Kapazitätssteigerung erzielen.

Genau in dieser Hinsicht wollen Wissenschaftler der Universität Pardubice die Grenzen des Wissens erweitern. Ziel war es, ein funktionsfähiges Gerät mit zwei Pulslasern zu entwickeln, von denen einer mit einem kürzeren, stärkeren Puls die Phasenänderung im Material auslöst (Pump) und der andere diese gleichzeitig mit einem längeren, schwächeren Puls überwacht (Probe). Voraussetzung war die Möglichkeit, gleichzeitig die Veränderung der Durchlässigkeit und der Reflektivität der Probe zu verfolgen, woraus dann die Dynamik der Aufzeichnung ausgewertet wird. Zum Lieferumfang sollten außerdem die Möglichkeit der präzisen Positionierung der Proben, ein mikroskopischer Abzweig zur Beobachtung der Probenoberfläche sowie ein voll funktionsfähiger Detektionsteil mit Oszilloskop und PC zur Steuerung des Systems und zur Verarbeitung der Messdaten gehören.

Zwar gibt es bereits ähnliche Forschungssysteme, doch basieren deren Funktionen in der Regel auf dem Einsatz von roten oder infraroten Lasern. Gerade der vom Kunden gewünschte Übergang in den blauen Spektralbereich – zudem unter Verwendung von Lasern mit Faserausgang – war die wichtigste Innovation und zugleich die technische Herausforderung dieses Projekts.
Als grundlegende Bauteile des mikroskopischen Systems wurden ein Diodenlaser (405 nm), eine Laserdiode (450 nm), zwei Mikroskopobjektive, drei schnelle Fotodioden (Transmission, Reflexion und Referenz) sowie eine rote LED mit Kamera für den Bildgebungszweig verwendet. Ergänzt wurde das Ganze durch eine geeignete Kombination aus verstellbaren Halterungen, dichroitischen Spiegeln, Filtern und Linsen, sodass beide Laser auf denselben Punkt in der Probenebene gerichtet sind, deren Fokussierung durch den Abbildungszweig ermöglicht wird. Das prinzipielle optische Schema ist in der Abbildung dargestellt.

Die maßgefertigte Probenhalterung ist in einem XYZ-Präzisionspositioniersystem von PI befestigt. Die Ausgänge der Detektoren sind an ein Hochgeschwindigkeits-Oszilloskop von NI angeschlossen, von dem aus die Daten über einen PCI-Express-Bus an den PC übertragen werden. Die Steuerung der gesamten Hardware (Lasermodulation zur Einstellung von Pulslänge und -intensität, Probenpositionierung, Datenerfassung am Oszilloskop usw.) erfolgt über von uns ausgewählte elektronische Komponenten, die zusammen mit den Lasern in einer gemeinsamen Steuereinheit (Rack) untergebracht sind. Die Bedienung des Systems sowie die Auswertung der gewonnenen Daten erfolgen über eine vorinstallierte grafische Benutzeroberfläche (GUI) auf dem mitgelieferten PC. Dadurch ist es möglich, das System in ein Gehäuse einzubauen, das den Benutzer vor Laserstrahlung schützt – auch dieses Gehäuse ist im Lieferumfang enthalten.

Geräteparameter

• Pump-Laser mit einer zentralen Wellenlänge von 405 nm, einstellbarer Leistung und Pulsdauer
• Sondierungslaser (Probe) mit einer zentralen Wellenlänge von 450 nm, einstellbarer Leistung und Pulsdauer
• Fokussierung der Laserpulse in der Probenebene auf einen Spot mit einem Durchmesser von < 1 µm
• Detektion des reflektierten und des durchgelassenen Sondenpulses mit einer Abtastrate von < 10 ns
• Gleichzeitiges Auslesen der Daten von 2 Detektoren mit einem Oszilloskop mit einer Bandbreite von 1,5 GHz, einer Auflösung von 10 Bit und einer Abtastrate von 5 GS/s
• Positionierung der Probe in drei Achsen mit einer minimalen Schrittweite von 0,25 µm und einem Bereich von > 25 mm (YZ) sowie > 75 mm (X)
• Steuerung über den PC, die eine vollständige Abdeckung des Systems ermöglicht