MStarter 100-SHG 二次谐波光谱测试系统

二次谐波(SHG)的产生来自两个相同频率光子与非线性材料相互作用后合并成一个两倍频率的新光子,具有非中心对称性/无反对称的化学结构才可以观测到SHG现象

MStarter 100 SHG二次谐波光谱测试系统将皮秒或者飞秒超快激光集成进入显微光路，通过100倍物镜聚焦于样品表面，激发样品的微区二次谐波，可以对样品的晶格取向、晶界分布以及原子层数、原子层排列方式做无损测试。

Ø 可测试内容：

a) SHG强度与激光功率的关系：方便、快捷的测试不同激光功率下的SHG数据，用于探究SHG强度与激光功率之间的相互依赖性。

b) SHG强度与偏振角度的关系（极化图）：搭载电动半波片旋转台，通过软件控制激光的偏振方向，自动测试不同角度下的SHG强度并输出极化图。

c) 高分辨率快速扫描，生成SHG mapping：使用超低暗噪声（7 count/s）和高灵敏度的光子计数器配合压电平移台 可以提供超过每秒500 点的高速扫描成像测试能力和10 倍以上灵敏度*。

d)  微纳材料显微尺寸测试：聚焦于样品表面的测试激光光斑小于1um，扫描点间距最小可达50nm

Ø 可应用领域：

a) 精准表征与定位材料晶界

b) 实现二维材料异质结的SHG信号表征

c) 研究二维材料的相结构与堆垛

d) 研究微纳米材料与结构的非线性光学特性

e) 研究铁电材料的极化域及晶体取向

f) 研究有机基微/纳米级低维结构

Ø 光路特点：

 

Ø 技术参数*：

放大倍数	5倍，10倍，20倍，50倍，100倍
SHG激发激光	1064nm皮秒激光（可选1030nm飞秒激光）
扫描功能	高精度压电平移台，100um*100um行程
扫描点间距	最小50nm
可选功能	APD光子计数探头（高分辨成像或高灵敏测试用）
附件	屏蔽测试环境，高精度功率计，阻尼式光学防震平台

*详细参数请咨询工作人员

 

Ø 二次谐波测试应用案例：

1. 判断晶格取向

图1.（A）白光明场图；（B）二次谐波信号随角度变化关系

 

图1为单层WSe2样品，二次谐波信号随偏振角度的变化关系。从样品的二次谐波信号极坐标曲线确定了单层WSe2样品晶格取向，二次谐波信号强度最大的方向指向WSe2晶格的镜面对称方向。

图2.（A）晶体结构。c轴的俯视图，b轴和a轴的侧视图;

（B）悬浮在SiO2/Si孔洞上的CrOCl薄片光学图像。插图:对应的AFM图像和模式的拉曼映射，比例尺为10 μm；

（C）微拉曼测温实验装置示意图，插图:对应的横截面；

（D）悬浮CrOCl薄片SHG强度极坐标图。[1]

 

层状CrOCl是一种具有低对称性晶体结构和原子水平平坦性的反铁磁绝缘体，图2（D）为该材料的SHG强度极坐标图。

 

图3. 与厚度相关的二次谐波产生 （SHG）

(a） SHG 强度在 H 和 V 方向（实验室坐标）的极坐标图，作为 100 nm 厚的 CIPS 薄片的激发激光线性偏振的函数。

（b） 厚度分别为100、50、30和10 nm的CIPS薄片的SHG强度的温度依赖性。每种厚度的SHG强度在300 K时归一化为其强度。[3]

 

图3（A）为二维铁电材料CuInP2S6， SHG强度对激发偏振的依赖性，非零SHG直接揭示了产生铁电性的破碎反演对称性。作者进一步研究了厚度为100至∼10 nm的CIPS薄片的SHG强度与温度的关系。图4b显示了归一化强度作为温度的函数。所有薄片都遵循相同的趋势：低于 Tc，有明显的SHG信号，但随着温度的升高，SHG强度逐渐降低，在高温下几乎消失。这是围绕Tc的铁电到顺电相变的强烈指示，这涉及从非中心对称 （m） 到中心对称 （2/m） 的结构变化。

 

图4.（A）白光明场图；SHG mapping：（B）无检偏，（C）检偏角度0°，（D）检偏角度90°

 

图4为蓝宝石基底单层WSe2样品在不同检偏条件下二次谐波信号图像。从图2（B）无检偏条件下的SHG mapping图中，可明显观察到3个区域的样品，SHG信号强度相当；而在检偏的偏振夹角为0°和90°时，该样品的3个晶畴的SHG信号都不一样，SHG信号强度的区别来自于每个样品取向的不同。

 

2. 观察晶界

图5. （A）SHG mapping；（B）箭头所指区域的计数值（使用APD光子计数测得）

 

图5使用了APD光子计数探头采集SHG mapping的数据。可明显看出该样品拥有多个晶界，属于多晶结构。可以利用我们的软件，选择指定范围，查看SHG信号的强度分布关系。

 

3. 判断二维材料层数

图6.（A）白光明场图；SHG mapping：（B）检偏角度0°，（C）检偏角度90°

 

图6为多层WSe2样品分别在起偏和检偏平行和垂直条件下的二次谐波成像图片，二次谐波成像图中可明显观察到该材料的晶界；同时，由于二次谐波信号与二维材料层数相关，通过观察多层样品二次谐波信号的强度即可判断不同区域的层数。

 

4. 分析SHG功率依赖性

图7.（A）非线性材料系统中SHG响应的示意图。

（B） SHG强度随波长的变化与激发功率的关系。(C)对数坐标下SHG强度的线性拟合。[2]

 

作者研究了具有分支图案的均质堆叠多晶WSe2，SHG强度与激发功率之间的相关性，在相同激发波长1064 nm下，测量了不同入射激光功率下SHG强度的变化范围为2.8 ~ 12.5 mW。正如预期的那样，SHG强度与激发功率之间有很强的相互依赖性。可见，SHG峰强度位于~ 532 nm处，随激光功率的增加而显著增加(图7b)。提取SHG强度的峰值，并与相应的激发功率进行绘制。因此，这两个变量在双对数坐标系下表现出明显的线性关系。

 

 

*相比于标准光谱探测器

[1] Zheng, X., Wei, Y., Wei, Z. et al. Highly anisotropic thermal conductivity of few-layer CrOCl for efficient heat dissipation in graphene device. Nano Res. 15, 9377–9385 (2022). https://doi.org/10.1007/s12274-022-4611-0

[2] Chemical Vapor Deposition Growth of Homogeneous Stacked Polycrystalline WSe2 with Branched Patterns for Modulating Light–Matter Interactions. Xiahong Zhou, Xudong Xue, Shan Liu, Mengya Liu, Le Cai, and Gui Yu. The Journal of Physical Chemistry C 2022 126 (37), 16016-16024      DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c04809

[3] Liu, F., You, L., Seyler, K. et al. Room-temperature ferroelectricity in CuInP2S6 ultrathin flakes. Nat Commun 7, 12357 (2016). https://doi.org/10.1038/ncomms12357