CN109781681A - 一种荧光量子产率测试仪及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种荧光量子产率测试仪，包括：激光光源***、光强光斑调节***、积分球***和光学收集***；所述激光光源***包括：激光器固定架和激光器；所述激光器固定在激光器固定架上；所述光强光斑调节***包括：可调光学中性滤光片、聚焦透镜、调节杆和导轨；所述可调光学中性滤光片位于激光光源***的激光器的正下方，所述聚焦透镜和调节杆连接，所述调节杆调节聚焦透镜在导轨上移动；本荧光量子产率测试仪不仅适用于检测高量子产率材料的量子产率而且适用于检测部分低量子产率材料的量子产率。

Description

一种荧光量子产率测试仪及其测试方法

技术领域

本发明涉及材料光学测试技术领域，具体涉及一种荧光量子产率测试仪及其测试方法。

背景技术

光电材料，特别是用于太阳能电池、发光二极管和光电探测器的半导体材料在近几十年来得到了长足的发展。面对环境污染和能源危机，人类对新能源的需求与渴望也愈发强烈。目前对太阳能电池的研究进入了高速发展的时期。太阳能电池所需要的材料也变得丰富多彩，其中包括无机硅基材料、无机三五族材料、有机小分子材料、有机聚合物材料以及有机无机杂合材料等。面对这些琳琅满目的材料，其不同的成分、结构、掺杂比率、以及表面形貌等因素将以不同程度的方式影响太阳能电池的性能。然而，如果每种材料都需要以最终制备出器件的方式来检测材料的性能，太阳能电池的研究和测试的效率将大大地降低，成本也将大幅度提升。因此，如何快速地检测出材料的性能在太阳能电池领域变得尤为重要。

为了面对太阳能电池材料方面的快速检测，在光电材料检测领域，多项检测技术得到了长足的发展，特别是光谱技术在这个领域的深入研究。其中包括了荧光光谱技术、红外光谱技术、拉曼光谱技术等。考虑到不同材料对光具有各向异性。在不同方向和角度，光谱的形态和强度将存在极大的不同。因此引入光学积分球装置做法是明智和正确的。同时，荧光量子产率依托于光学积分球装置是反映材料光生载流子辐射复合的比率。通常，量子产率是材料在受到激发光激发后发出光子数与材料吸收激发光光子数的比率。

对于无机半导体材料，譬如硅，砷化镓等无机半导体材料，由于原子间的相互作用，他们的能级将***并耦合成两个分立的能带。其中，能级较高的能带被定义为“导带”，相反，能级较低的能带被定义为“价带”。这些半导体材料在吸收光子后，电子载流子将会从较低能级的价带被激发跃迁至较高能级的导带，同时在价带能级留下一个空穴载流子。在光电器件的实际运用中，这些空穴和电子载流子中的一部分会形成自由载流子，另一部分将被材料中的缺陷俘获并再次以非辐射的形式复合。而荧光量子产率将运用光谱技术，无损地、简便地、较为直接地反映材料的缺陷浓度。而这些缺陷浓度将反映材料在器件实际运用中的性能。

然而，运用在这些光电器件中的半导体材料，不论是无机半导体材料还是一些有机的、聚合物的半导体材料，它们中相当一部分的荧光量子效率是极低的。这就导致了他们的量子效率在普通的量子产率测试***中是不可测量的。因此，行业内急需研发一种不但适用于高量子产率材料而且适用于部分低量子产率材料的量子产率测试仪。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种荧光量子产率测试仪。

本发明的另一目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种荧光量子产率测试仪的测试方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种荧光量子产率测试仪，包括：激光光源***、光强光斑调节***、积分球***和光学收集***；所述激光光源***包括：激光器固定架1和激光器2；所述激光器2固定在激光器固定架1上；所述光强光斑调节***包括：可调光学中性滤光片3、聚焦透镜4、调节杆5和导轨6；所述可调光学中性滤光片3位于激光光源***的激光器2的正下方，所述聚焦透镜4和调节杆5连接，所述调节杆5调节聚焦透镜4在导轨6上移动；所述荧光量子产率测试仪还包括：金属盒7；所述金属盒7的一侧开设有滤光片旋转开口8和聚焦透镜调节开口9，所述可调光学中性滤光片3的尾端伸出滤光片旋转开口8，所述调节杆5的尾端伸出聚焦透镜调节开口9；所述积分球***的顶部设置有开口；所述聚焦透镜4正对开口，所述积分球***一侧开设有出射口19，光学收集***和出射口19在同一水平线上。

优选地，所述积分球***包括：外壳14；所述外壳14包括前半部和后半部，前半部和后半部通过阀门锁15进行密封固定；所述外壳14内表面为涂覆层18，所述外壳14的内部形成一个圆形空腔；所述积分球***的底部设置有载物平台11，所述载物平台11在聚焦透镜4的正下方；所述载物平台11涂覆有与涂覆层18相同的覆盖材料；所述积分球***内设置有光学阻挡板17，所述光学阻挡板的表面涂覆有与涂覆层18相同的覆盖材料，出射口19和光学阻挡板17位于同一侧。

优选地，所述光学收集***包括：依次水平排列的准直透镜20、滤光片21、聚焦透镜22和用于与光谱仪24或光纤连接的接口23；所述准直透镜20的中心、滤光片21的中心、聚焦透镜22的中心和接口23的中心、出射口19的中心均位于同一中心线。

优选地，所述金属壳7的底边和积分球***的外壳14接触，当聚焦透镜4被调节到最下面时，聚焦透镜4位于所述积分球***顶部的开口内。

优选地，所述覆盖材料为硫酸钡。

优选地，所述硫酸钡的反射率为90％。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

一种荧光量子产率测试仪的测试方法，包括：

S1，在载物平台11上不放待测样品时，开启荧光量子产率测试仪测试激发光子数N_ex ⁰和发射光子数N_em ⁰；

S2，在载物平台11上不放待测样品，开启荧光量子产率测试仪测试激发光子数N_ex’和发射光子数N_em’；

S3，根据计算公式，计算待测样品的量子产率，计算公式为：

其中，N_abs＝N_ex ⁰-N_ex’，N_em＝N_em’-N_em ⁰。

优选地，步骤S1之前包括：将荧光量子产率测试仪的激光光源***换成标准灯源；开启荧光量子产率测试仪进行校准。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

本技术提出了一种运用激光作为激发光源的，激发光强在一定范围可调节，不但适用于检测高量子产率材料(待测样品)的量子产率而且适用于检测部分低量子产率材料的量子产率测试仪。此仪器极大地拓宽了半导体材料量子产率的测试范围。此***采用可调节的激发光源装置，再适当添加光纤和中性滤光片等装置，可简单便捷地接入到不同的荧光光谱仪设备中，同时也提高了仪器激发范围和响应范围。通过标准灯校准标定，材料荧光及量子产率范围可囊括紫外-可见-近红外范围。

附图说明

图1是本发明的荧光量子产率测试仪的结构示意图。

图2是本发明的荧光量子产率测试仪的测试方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1，一种荧光量子产率测试仪，包括：激光光源***、光强光斑调节***、积分球***和光学收集***；所述激光光源***包括：激光器固定架1和激光器2；所述激光器2固定在激光器固定架1上；所述光强光斑调节***包括：可调光学中性滤光片3、聚焦透镜4、调节杆5和导轨6；所述可调光学中性滤光片3位于激光光源***的激光器2的正下方，所述聚焦透镜4和调节杆5连接，所述调节杆5调节聚焦透镜4在导轨6上移动；所述荧光量子产率测试仪还包括：金属壳7；所述金属盒7的一侧开设有滤光片旋转开口8和聚焦透镜调节开口9，所述可调光学中性滤光片3的尾端伸出滤光片旋转开口8，所述调节杆5的尾端伸出聚焦透镜调节开口9；所述积分球***的顶部设置有开口；所述聚焦透镜4正对开口，所述积分球***一侧开设有出射口19，光学收集***和出射口19在同一水平线上。

激光器2为光源，作为荧光量子产率测试仪的主要组成部分，拥有灵活可替代的特点。根据待测样品吸收光谱的特征可进行选配激光器，激光器模块化使得仪器能较灵活及高效低成本地适应客户的需求。其中装配的铝制散热片及风冷***能将使得激光器快速稳定。可调光学中性滤光片3可以通过旋转来逐步调节激光功率，调节范围在透射率0.1％至100％。对于入射光光斑直径的调节是通过变换聚焦透镜4的位置以达到不同的聚焦点，以此达到变换光斑大小的作用。在此仪器中，光斑大小变化范围可达到一百微米至一厘米级别。也就是说仅仅通过光斑调节就可以将光强大小变化近万倍。加之通过可调光学中性滤光片3的调节，光强范围可延伸至近一千万倍。

在本实施例，所述积分球***包括：外壳14；所述外壳14包括前半部和后半部，前半部和后半部通过阀门锁15进行密封固定；所述外壳14内表面为涂覆层18，所述外壳14的内部形成一个圆形空腔；所述积分球***的底部设置有载物平台11，所述载物平台11在聚焦透镜4的正下方；所述载物平台11涂覆有与涂覆层18相同的覆盖材料；所述积分球***内设置有光学阻挡板17，所述光学阻挡板的表面涂覆有与涂覆层18相同的覆盖材料，出射口19和光学阻挡板17位于同一侧。若待测样品是固体样品10，则直接放置在载物平台11。若待测样品是溶液样品，则载物平台为样品台12，样品台12能轻松***外壳14底部，样品台12采用与涂覆层18相同的覆盖材料。溶液样品可放入到1cm×1cm的比色皿中，比色皿***此样品台。本方案荧光量子产率测试仪可测试量子产率低，材料光学吸收弱的样品，特别是测试无机半导体材料的量子产率；光学强度可调范围广；待测样品可选择性测试固体、粉末、薄膜及溶液样品；可灵活接入现有各式光谱仪；

在积分球***中，积分球***主要采用顶部单一入口及侧部单一出口的方式。此外积分球***并且配备气体入口25及气体出口26，以方便对测试环境进行气体氛围依赖性测试。所述外壳14包括前半部和后半部，前半部和后半部通过阀门锁15扣合密封，所述外壳14内表面为涂覆层18，所述外壳14的内部形成一个圆形空腔。整体外壳14可以半球形式打开，使得能较为方便地放置样品、调节样品位置，亦能较为便捷地对光强和光斑大小进行测量，

在本实施例，所述光学收集***包括：依次水平排列的准直透镜20、滤光片21、聚焦透镜22和用于与光谱仪24或光纤连接的接口23；所述准直透镜20的中心、滤光片21的中心、聚焦透镜22的中心和接口23的中心、出射口19的中心均位于同一中心线。

光学收集***提供了较大光通量的解决方案。通过共轴透镜以较大的收集效率将出射光导入荧光光谱仪或与荧光光谱仪相连接的光纤中。首先准直透镜20将用于荧光的准直作用。然后出射光将从可拆卸的滤光片21进入聚焦透镜22。其中，滤光片21的选择可根据测试样品的吸收和荧光发射峰进行灵活调整，极大地增大了测试的便捷性。此外聚焦透镜22起到再聚焦的效果，将出射光尽可能地进入光谱仪或光纤。在准直透镜20、滤光片21、聚焦透镜22均具备有对应的支架。

在本实施例，所述金属盒7的底边和积分球***的外壳14接触，当聚焦透镜4被调节到最下面时，聚焦透镜4位于所述积分球***顶部的开口内。

在本实施例，所述覆盖材料为硫酸钡。所述硫酸钡的反射率为90％，在可见和近红外区域接近100％。

参见图2，上述荧光量子产率测试仪的测试方法，包括：

S1，在载物平台11上不放待测样品时，开启荧光量子产率测试仪测试激发光子数N_ex ⁰和发射光子数N_em ⁰；

S2，在载物平台11上不放待测样品，开启荧光量子产率测试仪测试激发光子数N_ex’和发射光子数N_em’；

S3，根据计算公式，计算待测样品的量子产率，计算公式为：

其中，N_abs＝N_ex ⁰-N_ex’，N_em＝N_em’-N_em ⁰。

步骤S1之前包括：将荧光量子产率测试仪的激光光源***换成标准灯源开启荧光量子产率测试仪进行校准。通过标准灯源校准后，通过简单运算，荧光量子产率测试仪将拥有一条标准曲线，在数据处理的后期用于矫正光谱及量子产率。最终达到减小实验误差及提高实验结果精准度。根据标准灯光谱校正范围及光谱仪适用范围，荧光量子产率测试仪可测试紫外-可见-红外范围内的光谱及量子产率。

本发明相对现有技术具有如下的有益效果：

1、能精确测试出量子产率低或激发光吸收率低材料的量子产率；

2、采用了模块化的激光光源***、光强光斑调节***设计，极大地方便了针对不同样品的测试；

3、通过调节可调光学中性滤光片3和聚焦透镜4，实现光斑直径及激发光光强的调节，激发光光强调节范围可连续调节一千万倍，激发光光强依赖性测试范围较大；

4、量子产率可较方便地搭配不同形态的光谱仪。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种荧光量子产率测试仪，其特征在于，包括：激光光源***、光强光斑调节***、积分球***和光学收集***；

所述激光光源***包括：激光器固定架(1)和激光器(2)；所述激光器(2)固定在激光器固定架(1)上；

所述光强光斑调节***包括：可调光学中性滤光片(3)、聚焦透镜(4)、调节杆(5)和导轨(6)；

所述可调光学中性滤光片(3)位于激光光源***的激光器(2)的正下方，所述聚焦透镜(4)和调节杆(5)连接，所述调节杆(5)调节聚焦透镜(4)在导轨(6)上移动；

所述荧光量子产率测试仪还包括：金属盒(7)；所述金属盒(7)的一侧开设有滤光片旋转开口(8)和聚焦透镜调节开口(9)，所述可调光学中性滤光片(3)的尾端伸出滤光片旋转开口(8)，所述调节杆(5)的尾端伸出聚焦透镜调节开口(9)；

所述积分球***的顶部设置有开口；所述聚焦透镜(4)正对开口，所述积分球***一侧开设有出射口(19)，光学收集***和出射口(19)在同一水平线上。

2.根据权利要求1所述的荧光量子产率测试仪，其特征在于，所述积分球***包括：外壳(14)；所述外壳(14)包括前半部和后半部，前半部和后半部通过阀门锁(15)进行密封固定；所述外壳(14)内表面为涂覆层(18)，所述外壳(14)的内部形成一个圆形空腔；

所述积分球***的底部设置有载物平台(11)，所述载物平台(11)在聚焦透镜(4)的正下方；所述载物平台(11)涂覆有与涂覆层(18)相同的覆盖材料；

所述积分球***内设置有光学阻挡板(17)，所述光学阻挡板的表面涂覆有与涂覆层(18)相同的覆盖材料，出射口(19)和光学阻挡板(17)位于同一侧。

3.根据权利要求1或2所述的荧光量子产率测试仪，其特征在于，所述光学收集***包括：依次水平排列的准直透镜(20)、滤光片(21)、聚焦透镜(22)和用于与光谱仪(24)或光纤连接的接口(23)；

所述准直透镜(20)的中心、滤光片(21)的中心、聚焦透镜(22)的中心和接口(23)的中心、出射口(19)的中心均位于同一中心线。

4.根据权利要求2所述的荧光量子产率测试仪，其特征在于，所述金属盒(7)的底边和积分球***的外壳(14)接触，当聚焦透镜(4)被调节到最下面时，聚焦透镜(4)位于所述积分球***顶部的开口内。

5.根据权利要求2所述的荧光量子产率测试仪，其特征在于，所述覆盖材料为硫酸钡。

6.根据权利要求2所述的荧光量子产率测试仪，其特征在于，所述硫酸钡的反射率为90％。

7.一种荧光量子产率测试仪的测试方法，其特征在于，包括：

S1，在载物平台(11)上放待测样品时，开启荧光量子产率测试仪测试激发光子数N_ex ⁰和发射光子数N_em ⁰；

S2，在载物平台(11)上放待测样品，开启荧光量子产率测试仪测试激发光子数N_ex’和发射光子数N_em’；

S3，根据计算公式，计算待测样品的量子产率，计算公式为：

其中，N_abs＝N_ex ⁰-N_ex’，N_em＝N_em’-N_em ⁰。

8.根据权利要求1所述的荧光量子产率测试仪的测试方法，其特征在于，步骤S1之前包括：

将荧光量子产率测试仪的激光光源***换成标准灯源；

开启荧光量子产率测试仪进行校准。