CN106370629A - 一种用于光电材料光致发光谱辐射损伤的测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于光电材料光致发光谱辐射损伤分析的测试方法，该方法中涉及装置是由激光器、第一凸透镜、斩波器、低温样品室、载样铜片、待测光电材料、第二凸透镜、第三凸透镜、光栅光谱仪、探测器、锁相放大器和记录仪组成，利用斩波器斩波的具有频率的非连续激光，经过凸透镜聚焦后打在待测光电材料中心位置，样品受激光激发后发出的光经凸透镜收集聚焦并投射入光栅光谱仪的狭缝入口，经光谱仪分光后经由光电探测器接受信号，并经过锁相放大器对信号进行降噪放大，所采集的不同信号得出光电材料的光致发光谱，再将光电材料受高能粒子辐照后，再进行测试一次，即可得到光电材料的光致发光谱辐射损伤。该方法减轻了光电材料辐照前后光致发光谱测试的工作量；结构紧凑，操作简单方便。

Description

一种用于光电材料光致发光谱辐射损伤的测试方法
技术领域
本发明涉及光电器件质量检测技术领域，特别是涉及一种用于光电材料光致发光谱辐射损伤的测试方法。
背景技术
航天器及卫星所在的空间环境受太阳宇宙射线、银河宇宙射线及地球自身磁场的影响，构成极为复杂的空间辐射环境，高能粒子及射线能穿透航天器的屏蔽层与电子***相互作用，导致其性能发生退化，严重的甚至能使电子***性能丧失，为航天器可靠性及寿命带来威胁。对于应用在空间载荷中的光电材料和器件而言，辐射损伤引起的晶格位移缺陷被认为是光电器件性能退化的致命因素。人们常常应用光致发光谱的退化来评价光电器件受空间粒子辐照后的辐射损伤，这样有利于评价光电器件发光特性的退化。研究光电材料辐照前后光谱响应的测试方法，能够为星用光电器件选型、抗辐射加固设计、器件受辐照后光响应性能退化的机理研究提供检测手段，具有重要的现实意义。
与本发明最为接近的已有技术是中国科学院上海技术物理研究所邵军2009年公开的一种红外光调制光致发光谱的方法和装置，该装置包括傅立叶变换红外光谱测量***、作为泵浦和探测光源的激光器***、以及联结傅立叶变换红外光谱仪中探测器与电路控制板的锁相放大器和低通滤波器、置于测试样品与激光器***之间光路上的两个斩波器。
由于上述方法主要进行光调制光致发光光谱的测量，针对的是在薄膜材料生长制备行业中对薄膜材料晶格完整性和均匀性的监测。然而红外光电材料如量子点材料无法精确的控制其尺寸、形状、分布等，样品的光致发光谱即便是在非常相近的两个位置仍有较大差别，该方法无法在辐照前后保证在样品的同一位置进行测试，因此不能用来准确评价光电材料受高能粒子辐射后光谱响应的辐射损伤。
发明内容
本发明目的在于，提供一种用于光电材料光致发光谱辐射损伤分析的测试方法，该方法涉及装置是由激光器、凸透镜、斩波器、低温样品室、载样铜片、待测光电材料、光栅光谱仪、探测器、锁相放大器和记录仪制成，本发明利用经斩波器斩波的具有一定频率的非连续激光，并经过凸透镜聚焦后投射在待测光电材料中心位置，样品受激光激发后发出的光经透镜收集聚焦并投射入光栅光谱仪的狭缝入口，经光谱仪分光后经由光电探测器接受信号，并经过锁相放大器对信号进行降噪放大，由所采集的不同光谱段的探测器响应信号得出光电材料的光致发光谱，再将光电材料受高能粒子辐照后，再进行测试一次，即可得到该光电材料的的光致发光谱辐射损伤。本发明使用一定频率的非连续激光对光电材料辐照前后的光致发光谱进行测试，能够对光电材料受高能粒子辐照后光致发光谱的辐射损伤进行分析评价；利用载样铜片固定的方式保证辐照前后光电材料的受激发位置不变，减轻了光电材料辐照前后光致发光谱测试的工作量；结构紧凑，操作简单方便。
本发明所述的一种用于光电材料光致发光谱辐射损伤的测试方法，该方法中涉及装置是由激光器、第一凸透镜、斩波器、低温样品室、载样铜片、待测光电材料、第二凸透镜、第三凸透镜、光栅光谱仪、探测器、锁相放大器和记录仪组成，激光器(1)所发出的激光束的中心高度与第一凸透镜(2)焦点一致；第一凸透镜(2)垂直固定位置与载物铜片(5)之间距离为175mm，第一凸透镜(2)焦点高度与载样铜片(5)中心点高度一致；第一凸透镜(2)中心法线与载物铜片(5)表面呈45度角；载物铜片(5)垂直固定在低温样品室(4)中；待测光电材料(6)贴于载样铜片(5)中心处；第二凸透镜(7)垂直固定位置与栅光谱仪(9)狭缝入口之间的距离为350mm，第二凸透镜(7)焦点高度与光栅光谱仪(9)狭缝入口中心点高度一致；第三凸透镜(8)中心法线与载物铜片(5)表面呈135度角，第三凸透镜(8)固定位置与栅光谱仪(9)狭缝入口之间距离为175mm，第三凸透镜(8)与凸透镜(7)保持平行；第三凸透镜(8)焦点高度与上光栅光谱仪(9)入口狭缝中心点高度一致，锁相放大器(11)分别与斩波器(3)、探测器(10)和记录仪(12)连接，具体操作按下列步骤进行：
a、将连接好的测试装置进行仪器初始化，待测光电材料(6)受高能粒子辐照前，贴于载物铜片(5)中心位置，安装在低温样品室(4)中；
b、激光器(1)发出的激光经聚焦第一透镜(2)聚焦以及和斩波器(3)斩波后，形成具有频率f的非连续激光；
c、将步骤b得到的非连续激光投射到低温样品室(4)中贴于载样铜片(5)上的待测光电材料(6)表面，受激发后发出具有波长850-2000纳米的非连续光；
d、将步骤c得到的由待测光电材料(6)受到步骤b得到的非连续激光激发而发出的球面光致发光信号经由第二凸透镜(7)转成一束平行光；
e、将步骤d得到的平行光通过第三凸透镜(8)聚焦在光栅光谱仪(9)入口处；
f、将步骤e得到的聚焦光致发光信号经光栅光谱仪(9)分光后送至探测器(10)收集光信号并传送至锁相放大器(11)，锁相放大器(11)参考斩波器(3)的频率将信号降噪并放大传送至记录仪(12)得到待测光电材料(6)受激发后发出的光致发光谱；
g、将待测光电材料(6)接受高能粒子辐照，再按步骤b-步骤g重复进行测试一次光致发光谱，再将两次测试结果进行比对，即可得到光电材料受辐照后光致发光谱的辐射损伤。
步骤b中的第一凸透镜(2)为焦距175mm，直径76.2mm。
步骤d中的第二凸透镜(7)为焦距175mm，直径76.2mm，第二凸透镜(7)在水平面内沿光轴方向、水平面内垂直光轴方向或沿光轴转动方向进行三个维度的调整。
步骤e中的第三凸透镜(8)为焦距175mm，直径76.2mm。
步骤f中的待测光电材料(6)为铟镓砷量子阱材料。
本发明所述的一种用于光电材料光致发光谱辐射损伤的测试方法，该方法工作原理是：利用经斩波器斩波的具有一定频率的非连续激光，并经过透镜聚焦后投射在待测光电材料中心位置，样品受激光激发后发出的光经透镜收集聚焦并投射入光栅光谱仪的狭缝入口，经光谱仪分光后经由光电探测器接受信号，并经过锁相放大器对信号进行降噪放大，由所采集的不同光谱段的探测器响应信号得出光电材料的光致发光谱，再将光电材料受高能粒子辐照后，再进行测试一次，即可得到该光电材料的的光致发光谱辐射损伤。
本发明与现有技术相比，本发明使用具有一定频率的激光对光电材料受高能粒子辐照后的光致发光谱辐射损伤进行测试，能够对光电材料光致发光谱的辐射损伤进行评价，为星用光电器件的选型、抗辐射加固设计以及器件受辐照后光响应性能退化的机理研究提供检测手段；利用铜片固定的方式保证辐照前后光电材料的受激发位置不变，减轻了光电材料辐照前后光致发光谱测试的工作量；结构紧凑，操作简单方便。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明光路走向示意图；
图3为本发明测试流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例
本发明所述的一种用于光电材料光致发光谱辐射损伤的测试方法，该方法中涉及装置是由激光器、第一凸透镜、斩波器、低温样品室、载样铜片、待测光电材料、第二凸透镜、第三凸透镜、光栅光谱仪、探测器、锁相放大器和记录仪组成，各部件中激光器1是中国科学院长春光学精密机械研究所提供的532nm激光器；光源聚焦凸透镜采用北京卓立汉光有限公司提供的OLB系列K9凸透镜；低温样品室由CRYOMECH公司提供；光栅光谱仪9为HORIBA公司提供的IHR550光栅光谱仪；，其中光栅型号为7OG1200-300,7OG600-750,7OG300-1250；斩波器与锁相放大器是Stanford Research System提供的SR830锁相放大器；探测器是卓立汉光有限公司提供的InGaAs探测器；记录仪为一台计算机，内置测试软件由Jobin Yvon公司提供；激光器1所发出的激光束的中心高度与第一凸透镜2焦点一致；第一凸透镜2垂直固定位置与载物铜片5之间距离为175mm，第一凸透镜2焦点高度与载样铜片5中心点高度一致；第一凸透镜2中心法线与载物铜片5表面呈45度角；载物铜片5垂直固定在低温样品室4中；待测光电材料6贴于载样铜片5中心处；第二凸透镜7垂直固定位置与栅光谱仪9入口狭缝之间的距离为350mm，第二凸透镜7焦点高度与光栅光谱仪9狭缝入口中心点高度一致；第三凸透镜8中心法线与载物铜片5表面呈135度角，第三凸透镜8固定位置与栅光谱仪9狭缝入口之间距离为175mm，第三凸透镜8与凸透镜7保持平行；第三凸透镜8焦点高度与上光栅光谱仪9狭缝入口中心点高度一致，锁相放大器11分别与斩波器3、探测器10和记录仪12连接，具体操作按下列步骤进行：
对铟镓砷量子阱光电材料进行光致发光谱辐射损伤测试：
a、将连接好的测试装置进行仪器初始化，待测铟镓砷量子阱光电材料6受高能粒子辐照前，贴于载物铜片5中心位置，安装在低温样品室4中；
b、开启测试设备后，激光器1中发出的连续激光经过斩波器3的斩波片，再经过第一凸透镜2聚焦后，形成一束具有频率f的非连续的聚焦激光，第一凸透镜2为焦距175mm，直径76.2mm；
c、将步骤b得到的非连续激光投射到低温样品室4中贴于载样铜片5上的待测铟镓砷量子阱光电材料6表面中心位置，受激发后发出具有波长850-2000纳米的非连续光；
d、将步骤c得到的由待测光电材料6受到步骤b得到的非连续激光激发而发出的球面光致发光信号经由第二凸透镜7转成一束平行光，第二凸透镜7为焦距175mm，直径76.2mm，第二凸透镜7在水平面内沿光轴方向、水平面内垂直光轴方向或沿光轴转动方向进行三个维度的调整；
e、将步骤d得到的平行光通过第三凸透镜8聚焦在光栅光谱仪9狭缝入口处；
f、将步骤e得到的聚焦光致发光信号经光栅光谱仪9将被测样品受激发出的荧光经光栅进行分光，送至探测器10光敏面上，探测器10收集光信号并传送至锁相放大器11，锁相放大器11参考斩波器3的频率将信号降噪并放大传送至记录仪12记录光致发光谱信号，得到待测铟镓砷量子阱光电材料6受激发后发出的光致发光谱初值，将此值保存备用；
g、将得到的待测铟镓砷量子阱光电材料6接受高能粒子辐照，然后再按步骤b-步骤g重复进行测试一次光致发光谱，再将两次测试结果进行比对，即可得到光电材料受辐照后光致发光谱的辐射损伤。
再将待测铟镓砷量子阱光电材料6受不同剂量辐射前后光谱响应的测试结果进行处理、分析，即可获得InGaAs量子阱光电材料光致发光谱辐射损伤规律，最终可对光电材料器件的抗辐射性能做出准确评价。
实验室的规定条件：
环境温度20±5℃；环境湿度40％-60％；
铟镓砷量子阱光电材料受高能粒子辐照前，通过多次测试获得光电材料光致发光光谱初值，得到的实验结果重复性误差小于4％，因此用本发明所述测试方法对光电材料光致发光光谱辐射损伤进行评价是客观合理的。将辐照前后的测试结果结合气象卫星、通信卫星、地球资源卫星的轨道辐射环境及运行寿命要求进行估算，即可判断器件是否能够满足卫星的设计要求。

Claims (5)

1.一种用于光电材料光致发光谱辐射损伤的测试方法，其特征在于该方法中涉及装置是由激光器、第一凸透镜、斩波器、低温样品室、载样铜片、待测光电材料、第二凸透镜、第三凸透镜、光栅光谱仪、探测器、锁相放大器和记录仪组成，激光器（1）所发出的激光束的中心高度与第一凸透镜（2）焦点一致；第一凸透镜（2）垂直固定位置与载物铜片（5）之间距离为175mm，第一凸透镜（2）焦点高度与载样铜片（5）中心点高度一致；第一凸透镜（2）中心法线与载物铜片（5）表面呈45度角；载物铜片（5）垂直固定在低温样品室（4）中；待测光电材料（6）贴于载样铜片（5）中心处；第二凸透镜（7）垂直固定位置与栅光谱仪（9）入口狭缝之间的距离为350mm，第二凸透镜（7）焦点高度与光栅光谱仪（9）狭缝入口中心点高度一致；第三凸透镜（8）中心法线与载物铜片（5）表面呈135度角，第三凸透镜（8）固定位置与栅光谱仪（9）狭缝入口之间距离为175mm，第三凸透镜（8）与凸透镜（7）保持平行；第三凸透镜（8）焦点高度与上光栅光谱仪（9）狭缝入口中心点高度一致，锁相放大器（11）分别与斩波器（3）、探测器（10）和记录仪（12）连接，具体操作按下列步骤进行：
a、将连接好的测试装置进行仪器初始化，待测光电材料（6）受高能粒子辐照前，贴于载物铜片（5）中心位置，安装在低温样品室（4）中；
b、激光器（1）发出的激光经聚焦第一透镜（2）聚焦以及和斩波器（3）斩波后，形成具有频率f的非连续激光；
c、将步骤b得到的非连续激光投射到低温样品室（4）中贴于载样铜片（5）上的待测光电材料（6）表面，受激发后发出波长850-2000纳米的非连续光；
d、将步骤c得到的由待测光电材料（6）受到步骤b得到的非连续激光激发而发出的球面光致发光信号经由第二凸透镜（7）转成一束平行光；
e、将步骤d得到的平行光通过第三凸透镜（8）聚焦在光栅光谱仪（9）入口处；
f、将步骤e得到的聚焦光致发光信号经光栅光谱仪（9）分光后送至探测器（10）收集光信号并传送至锁相放大器（11），锁相放大器（11）参考斩波器（3）的频率将信号降噪并放大传送至记录仪（12）得到待测光电材料（6）受激发后发出的光致发光谱；
g、将待测光电材料（6）接受高能粒子辐照，再按步骤b-步骤g重复进行测试一次光致发光谱，再将两次测试结果进行比对，即可得到光电材料受辐照后光致发光谱的辐射损伤。
2.根据权利要求1所述的一种用于光电材料光致发光谱辐射损伤的测试方法，其特征在于步骤b中的第一凸透镜（2）为焦距175mm，直径76.2mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于光电材料光致发光谱辐射损伤的测试方法，其特征在于步骤d中的第二凸透镜（7）为焦距175mm，直径76.2mm，第二凸透镜（7）在水平面内沿光轴方向、水平面内垂直光轴方向或沿光轴转动方向进行三个维度的调整。
4.根据权利要求1所述的一种用于光电材料光致发光谱辐射损伤的测试方法，其特征在于步骤e中的第三凸透镜（8）为焦距175mm，直径76.2mm。
5.根据权利要求1所述的一种用于光电材料光致发光谱辐射损伤的测试方法，其特征在于步骤f中的待测光电材料（6）为铟镓砷量子阱材料。
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