CN110530793B - 一体化傅里叶变换光致发光光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种一体化傅里叶变换光致发光光谱仪，其特点在于由安装在同一个底板上的样品布放模块、内置泵浦光源模块、光致发光光路模块、干涉仪模块和控制处理模块组成，这些模块分别实现待检测样品安放与空间调节；自带两个不同光波长光致发光泵浦光；光致发光信号的产生与高效收集；光致发光光谱信号的检测；以及激光器输出控制与显示、光谱电信号的采样与傅里叶变换、光谱显示存储及与外部通讯。本发明具有小型、一体化、自带双泵浦光源、光路预准直免调试、高传输效率、按预设位置调整样品即可开机测试等特点，消除了光致发光光谱测试光路难优化易偏离、光谱信号弱难分辨的局限，在微电子、光电子、新材料等领域具有广阔应用前景。

Description

一体化傅里叶变换光致发光光谱仪

技术领域

本发明涉及光谱分析仪器，特别一种一体化傅里叶变换光致发光光谱仪。

背景技术

光致发光(Photoluminescence,PL)光谱作为一种强大的无损光谱检测手段广泛应用于半导体光学性质测试分析。它不仅可以揭示材料的电子能带结构，如带隙和带尾状态，还可以提供杂质和深能级缺陷的信息，从而大大提高对材料光电特性的理解。傅立叶变换(Fourier transform,FT)光谱具有完善的理论和仪器，用于区分材料和器件的多样化特征。与传统色散型光谱仪相比，傅立叶变换光谱仪的多通道、全通量、低等效噪声、快速扫描等特性使其成为众多领域有效方法和最佳选择。傅立叶变换光谱仪通常设计用于吸收或反射类光谱测量，采用内部宽带红外辐射源。为实现其它功能应用，还引入发射端口，可以表征来自外部材料和器件发射光谱特征，例如光致发光。

基于傅立叶变换光谱仪，融合其与光致发光光谱的优点，实现从可见-红外波段傅里叶变换光致发光光谱测试，在实验室已经得到多方发展和应用，特别是在传统色散光谱仪无法有效运行的弱信号、长波长等情形：使用常规连续扫描模式的傅立叶变换光谱仪可以实现可见-近红外波段相对较强光致发光信号检测；采用步进扫描模式的傅立叶变换光谱仪与相敏检测技术相结合，还可以消除环境热背景干扰，实现中远红外波段光致发光测试。

即便如此，兼之有诸多国内外相关专利公开，光致发光光谱应用却仍然存在显著技术局限，因而严重制约了其推广普及：基于传统色散型光谱仪的光致发光光谱测试***由于狭缝和分光制约弱信号和红外波段检测能力；所见傅里叶变换光致发光光谱测试设备均非一体化光谱仪，而是傅里叶变换光谱仪与外部搭建泵浦光源、光致发光光路结合的光谱测试***，移植性差不易推广；光致发光信号产生、传输、收集所涉光路随意性大、难调优、易受干扰，不利于弱光谱检测和变条件调控。

CN109030427A公开了一种专用光致发光光谱测量的CCD光谱仪，其由入射狭缝、准直镜、光栅、成像反射镜以及CCD探测器组成，通过在CCD探测器与成像反射镜之间设置伸缩式低反射率陷光挡板，并根据激发峰的波长进行位置调节以确保挡住该激发峰而仅通过发射峰，达到增加光致发光光谱测量质量、实现低量子效率物质准确测量等目的。但是，它是基于色散型而非傅立叶变换光谱仪，狭缝的使用严重约束通光效率，进而显著影响光致发光光谱测试灵敏度和信噪比；CCD探测器的使用也因此局限了其可适用波段范围。

CN101949845A公开了一种光致发光扫描测量装置，其由激光器、耦合装置、光纤耦合器、电动样品台、光谱仪、***控制器构成，通过使用光纤光路，结合由分光仪和CCD探测器组成的光谱仪，实现光致发光光谱的测试和整套装置的小型化。同样可见，它是基于分光仪和CCD探测器而非傅立叶变换光谱仪，光纤光路和CCD探测器限制了其可适用波段范围。

CN105911029B公开了一种用于测量深低温强磁场下光致发光的***，其由光纤激光器、光纤组件、光纤、真空密封接头、O型圈、螺母、待测样品、磁输运样品室、光谱仪和测试分析计算机等组成。主要特征是利用光纤组件在深低温、强磁场环境中对样品进行光致发光测试，却并没有关于光谱仪类型/工作模式的具体描述，因而属于一种由不同仪器松散组合的实验***方案，而非一体化光致发光光谱仪。

CN100424499C公开了一种基于步进扫描傅立叶变换红外光谱仪的红外调制光致发光谱的方法及装置，其包括傅立叶变换红外光谱测量***、激光器、锁相放大器、斩波器，进行红外调制光致发光谱测量时能够实现包括消除室温背景辐射、消除傅立叶频率和增强红外波段光致发光微弱信号探测能力三个功能。但是，它属于一种由不同仪器松散组合的实验***，而非一体化光致发光光谱仪。

US6377340B1公开了一种用于检测天然金刚石是否已经在高压和高温条件下处理的光致发光光谱方法，其包括将金刚石置于设置在等于或低于液氮的温度的光学恒温器中、用激光束照射钻石、用光致发光光谱仪记录金刚石的光谱、检查钻石的光谱以检测不存在所选择的光致发光光谱线。其主要特征是提供一种金刚石处理状况的光致发光光谱评价方法，并没有关于光谱仪类型/工作模式的具体描述，因而属于一种由不同仪器松散组合的金刚石光谱评价方法，而非一体化光致发光光谱仪。

US5499095A公开了一种具有可更换入口和出口的快速光谱仪，允许内部和外部辐射源切换，其着重点在于具有多个入口和出口以耦合外部源或样品，却并没有涉及光致发光光谱及其实现所必须的光路等模块，不是光致发光光谱仪。

US2011189787A1提供了一种光致发光光谱仪，其包括：用于激发样品中光致发光的电磁辐射源、用于检测从样品发射的光致发光的检测器、以及光路中的可改变由检测器接收的具有与激发辐射相同波长的电磁辐射的强度的装置。其着重点在于透镜与分束器组合的进出样品光路，以及基于多光学滤光片组合的探测器接收光强调节模式，却并不涉及傅立叶变换干涉仪，不包含基于离轴抛物面反射镜组合的光致发光信号最大化收集、优化传输、向干涉仪匹配馈送的光路设置，不是傅里叶变换光致发光光谱仪。

US5309217A公开了一种傅里叶变换光谱仪，其带有双光束干涉仪，通过两个后向反射器实现镜面驱动，这两个后向反射器位于双摆的两个180°移位臂上。偏转镜布置在分束器和后向反射器之间。分束器相对于摆的平面移位。因此，实现了稳定，易于对准和紧凑的配置。其主要特征是提供一种稳定，易于对准和紧凑的傅里叶光谱仪配置，却并没有涉及光致发光光谱及其实现所必须的光路等模块，不是傅里叶变换光致发光光谱仪。

US9121755B2介绍了一种新型发射和透射光谱仪，其有益方面是限制在光谱仪外壳壁内的单个样品室，更紧凑的附件。其主要特征是通过切换内光源/探测器前椭圆镜取向，能够进行发射(例如，拉曼和荧光)和红外(IR，NIR)透射测量，却并不包含产生发射的泵浦源及相关光路设置，不是傅里叶变换光致发光光谱仪。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种一体化傅里叶变换光致发光光谱仪，该装置具备一体化自带双泵浦光源、基于干涉仪分光、反射光路宽波段预准直免调试、双离轴抛物面反射镜光束耦合转换小型化高传输效率、按预设位置调整样品即可开机测试等特点，消除光致发光光谱测试对使用者光谱实验技能要求高、光路易偏离难优化、光谱信号弱难分辨等局限，易于推广，可在物理、材料、微电子与光电子等领域得到广泛应用。

本发明的技术解决方案如下：

一种小型一体化傅里叶变换光致发光光谱仪，其特点在于：由5个功能模块组成，安装在同一个底板上。模块1实现待检测样品安放与空间调节,其包括三维空间调节台和待测样品位置标识，用所述三维空间调节台安放样品或内置样品的低温光学恒温器(样品或/和恒温器均非所述光谱仪的组成部分)，用所述样品位置标识指示待测样品前表面适当位置。模块2提供自带的光致发光泵浦光，其包括输出波长可在紫外-近红外波段内选择的两个不同输出波长的第一激光器和第二激光器，用所述激光器配合模块3实现对所述待测样品的有效光激发。模块3辅助实现光致发光信号的产生、高效收集和向模块4干涉仪馈送，其由第一平面反射镜、二向色滤光片、第二平面反射镜、会聚透镜组、第三平面反射镜、沿汇聚光束方向中心开孔的第一离轴抛物面反射镜将所述激光器输出激光会聚到所述待测样品表面，产生光致发光信号；由所述中心开孔的第一离轴抛物面反射镜收集光致发光信号，经由双离轴抛物面反射镜光束转换、平面反射镜和长波通光学滤光片向模块4馈送。模块4干涉仪实现光致发光光谱信号的检测。模块5实现激光器输出控制与显示、干涉仪输出光谱电信号的采样与傅里叶变换、光致发光光谱显示存储及藉由USB端口与外部通讯。

所述待测样品位置标识的作用是，标示光致发光光谱测试时样品前表面(与水平面垂直)在水平面内投影位置，该位置经预优化，可保障光致发光信号的最佳收集。

所述平面反射镜与二向色滤光片联合使用，以二向色滤光片的通带高透过率和阻带高反射率，保证两个不同输出波长激光器的光路共存和预准直调优，实现激发波长可改变而不需用户调优光路的便利性。

所述第一离轴抛物面反射镜是沿汇聚光束方向中心开孔的离轴抛物面反射镜，以其开孔实现激发激光与收集光致发光光束的共轴，其数值孔径的选择以最大化收集光致发光信号为度。

所述的第二离轴抛物面反射镜、第三离轴抛物面反射镜的双离轴抛物面反射镜光束转换的作用是，在最大化收集光致发光信号，因而采用大孔径抛物面反射镜的情况下，仍然可以使用小通光孔径干涉仪，在不损失所收集光致发光信号的同时，实现傅里叶变换光致发光光谱仪小型一体化。

所述的干涉仪在满足光致发光光谱测试分辨率要求情况下，尽量选择小通光孔径的，从而使得整个所述傅里叶变换光致发光光谱仪尽可能紧凑、小型化；通过所述分束器材料(可以是但不限于CaF₂或ZnSe)与光谱信号探测器种类(可以是但不限于InGaAs或HgCdTe光电二极管)的适当选取，可以实现近、中红外波段的测试。

所述控制处理平台实现激光器输出控制与显示、干涉仪输出光谱电信号的采样与傅里叶变换、光致发光光谱显示存储及藉由USB端口与外部通讯。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供一种基于干涉仪和浦激发光源的一体化傅里叶变换光致发光光谱仪，有效规避光路设置调整与弱光致发光信号检测难题，使光致发光光谱测试简单易操作，从而显著提升光致发光光谱的有效适用性。

2、本发明采用基于二向色滤光片的两个内置不同输出波长激光器预准直调优共存光路，可改变激发波长而不需用户调优光路。

3、本发明利用待测样品位置标识，标示预优化的光致发光光谱测试时样品前表面位置，可保障光致发光信号的便捷、优化收集。

4、本发明采用双离轴抛物面反射镜光束转换的方式，在采用大孔径抛物面反射镜收集光致发光信号情况下，可使用小通光孔径干涉仪而不损失所收集光致发光信号，实现傅里叶变换光致发光光谱仪一体小型化。

5、本发明采用干涉仪分光替代常用的色散分光，利用干涉仪的多通道、全通量优势，改善光致发光信号利用效率，提升了光谱检测灵敏度、谱分辨率和信噪比。

6、本发明傅里叶变换光致发光光谱仪具备激光器输出控制与显示、干涉仪输出光谱电信号的采样与傅里叶变换、光致发光光谱显示存储及藉由USB端口与外部通讯等功能，保障所述光致发光光谱仪的小型一体化。

本发明具有小型、一体化、自带泵浦光源、光路预准直高效免调试、依预设位置布防样品即可开机测试等特点，显著提升光致发光光谱测试便捷性、可靠性与弱信号检测能力，可在微电子、光电子、新材料等领域得到广泛应用。

附图说明

图1为本发明傅里叶变换光致发光光谱仪光路构成及待测样品预设位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例，对本发明做进一步详细的描述，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明一体化傅里叶变换光致发光光谱仪构成及待测样品标识位置示意图。由图可见，本发明一体化傅里叶变换光致发光光谱仪，其由安装在同一个底板上的样品布放模块1、内置泵浦光源模块2、光致发光光路模块3、干涉仪模块4和控制处理模块5组成，所述的样品布放调控模块1用来实现待检测样品安放与空间调节,包括三维空间调节平台10和待测样品前表面的水平面投影位置标识11，10用于安放样品或内置样品的低温光学恒温器(样品或/和恒温器均非所述光谱仪的组成部分)，11标示预期的待测样品前表面在水平面内的投影位置；所述的内置泵浦光源模块2提供自带的光致发光泵浦光，包括两个不同输出波长的第一激光器20和第二激光器21，其输出激光波长可依需在紫外-近红外波段内选择，配合模块3实现对模块1所述待测样品的有效光激发；所述的光致发光光路模块3用来保证光致发光信号的产生、高效收集和向模块4干涉仪馈送功能，该功能可以通过第一平面反射镜30、二向色滤光片31、第二平面反射镜32、会聚透镜组33、第三平面反射镜34、第一离轴抛物面反射镜35、第二离轴抛物面反射镜36和第三离轴抛物面反射镜37、第四平面反射镜38和长波通光学滤光片39组合实现；所述的干涉仪模块4用来实现光致发光光谱信号的检测，包括分束器40、运动反射镜41、固定反射镜42、第四离轴抛物面反射镜43和光检测器44等主要部件；所述的控制处理模块5用来实现激光器输出控制与显示、干涉仪输出光谱电信号的采样与傅里叶变换、光致发光光谱显示存储及借助USB端口与外部通讯。

模块1包括三维空间调节台10和待测样品位置标识11。三维空间调节台10用于安放样品或内置样品的低温光学恒温器(如光致发光光谱实验人员所熟知，样品或/和恒温器均非所述光谱仪的组成部分)，保证样品面向泵浦激光的表面(所述前表面)在竖直平面内并与泵浦激光垂直；水平前后、左右以及竖直上下三维调节的范围以满足待测样品可被泵浦激光直接照射的需求为准。用所述样品位置标识11指示待测样品前表面适当位置，该位置基于内光路预优化，可保障光致发光信号的最佳收集。考虑到固态样品的材料物理属性，其发光性能可随温度降低显著改善，在光谱仪的实际使用过程中，低温光学恒温器往往是必须的。为此模块1的空间尺寸兼顾了其与常见商业化小型光学恒温器的可靠兼容，比如作为范例而不限于，英国牛津仪器的液氦连续流制冷光学恒温器(Oxford Instruments,MicrostatHe)、美国Janis液氦连续流制冷ST-500显微低温恒温器或闭循环制冷机SHI-4XG-X光学恒温器。

模块2包括输出波长可在紫外-近红外波段内选择的两个不同波长第一激光器20,第二激光器21，其提供自带的光致发光泵浦光，配合模块3实现对所述待测样品的有效光激发；利用所述模块3的第一平面反射镜30与二向色滤光片31组合，以二向色滤光片31的通带高透过率和阻带高反射率，保证长输出波长激光器与短输出波长激光器的光路共存和预准直调优，实现激发波长可改变而不需用户调优光路的便利性。

模块3包括依顺序排布的第一平面反射镜30、二向色滤光片31、第二平面反射镜32、会聚透镜(组)33、第三平面反射镜34、沿汇聚光束方向中心开孔的第一离轴抛物面反射镜35，其将模块2的激光器输出激光会聚到待测样品表面，产生光致发光信号；由所述中心开孔的第一离轴抛物面反射镜收集光致发光信号并准直输出平行光，经由第二第三双离轴抛物面反射镜36,37光束转换、第四平面反射镜38和长波通光学滤光片39向模块4馈送。所述沿汇聚光束方向中心开孔的第一离轴抛物面反射镜35，以其开孔实现激发激光与收集光致发光光束的共轴，其数值孔径的选择以最大化收集光致发光信号为度。所述双离轴抛物面反射镜光束转换的作用是在采用大孔径抛物面反射镜收集光致发光信号情况下，仍然可以使用小通光孔径干涉仪而不损失所收集光致发光信号。

模块4包括分束器40、运动反射镜41、固定反射镜42、离轴抛物面反射镜43、光电检测器44等主要干涉仪组件，在满足光致发光光谱测试分辨率要求情况下，可选择小通光孔径设计，使得整个傅里叶变换光致发光光谱仪紧凑、小型化。通过所述分束器材料(可以是但不限于CaF₂或ZnSe)、光谱信号检测器种类(可以是但不限于InGaAs或HgCdTe光电二极管)及制冷方式的适当选取，可以实现可见、近、中红外波段的光致发光光谱测试。

模块5包括激光器输出控制与显示、干涉仪输出光谱电信号的采样与傅里叶变换、光致发光光谱显示存储及藉由USB端口与外部通讯等部组件。所述激光器输出控制与显示组件可以选择所泵浦需激光，实时控制显示所选激光器的输出功率等状态。干涉仪输出光谱电信号的采样与处理组件实现光谱信号采样、傅里叶变换、光致发光光谱显示存储。数据交换组件保障藉由USB端口与外部进行光谱数据通讯的功能。

基于上述为实现各模块功能的具体实施，实现具备小型一体化自带泵浦光源、光路预准直高效免调试、依预设位置布防样品即可开机测试等特点的傅里叶变换光致发光光谱仪，藉此显著提升光致发光光谱测试便捷性、可靠性与弱信号检测能力，拓展其在微电子、光电子、新材料等领域应用范围。

Claims (2)

1.一体化傅里叶变换光致发光光谱仪，其特征在于，由样品布放调控模块(1)、内置泵浦光源模块(2)、光致发光光路模块(3)、干涉仪模块(4)、以及控制处理与显示存储模块(5)5个功能模块组成，安装在同一个底板上，5个模块功能可通过不同的光、机、电组件配置实现：样品布放调模块(1)包括三维空间调节平台(10)和待测样品前表面的水平面投影位置标识(11)，所述内置泵浦光源模块(2)包括两个不同输出波长的激光器(20、21)；所述光致发光光路模块(3)包括第一平面反射镜(30)、二向色滤光片(31)、第二平面反射镜(32)、会聚透镜组 (33)、第三平面反射镜(34)、沿汇聚光束方向中心开孔的第一离轴抛物面反射镜(35)、第二和第三离轴抛物面反射镜(36、37)、第四平面反射镜(38)和长波通光学滤光片(39)；所述干涉仪模块(4)包括分束器(40)、运动反射镜(41)、固定反射镜(42)、第四离轴抛物面反射镜(43)和光检测器(44)；所述控制处理与显示存储模块(5)是控制、信号处理与光谱显示、存储及与外部数据通讯模块；所述控制处理与显示存储模块(5)具备激光器输出控制与显示、干涉仪输出光谱电信号的采样与傅里叶变换、光致发光光谱显示存储及藉由USB端口与外部通讯功能；所述的激光器(21)输出的激光经所述的第一平面反射镜(30)反射后透过所述二向色滤光片(31)进入光路，所述的激光器(20)输出的激光经所述的二向色滤光片(31)反射后进入所述的光路，沿所述的光路激光依次经过第二平面反射镜(32)、会聚透镜组(33)、第三平面反射镜(34)、第一离轴抛物面反射镜(35)的中心开孔和待测样品，该待测样品的光致发光信号依次经过所述的第一离轴抛物面反射镜(35)、第二离轴抛物面反射镜(36)和第三离轴抛物面反射镜(37)、第四平面反射镜(38)、长波通光学滤光片(39)、分束器(40)，所述的分束器(40)将所述的光致发光信号分为反射光和透射光，在所述的反射光方向是所述的运动反射镜(41)，在所述的透射光方向是所述的固定反射镜(42)，所述的运动反射镜(41)的反射光透过所述的分束器(40)经所述的第四离轴抛物面反射镜(43)进入所述的光检测器(44)，所述的固定反射镜(42)的反射光经所述的分束器(40)反射后经所述的第四离轴抛物面(43)反射镜进入所述的光检测器(44)；所述光致发光光路模块(3)基于双离轴抛物面反射镜光束转换实现大孔径抛物面反射镜收集光致发光信号与小通光孔径干涉仪的共存。

2.根据权利要求1所述光谱仪，其特征在于采用干涉仪分光替代常用的色散分光并提供一种基于干涉仪和泵浦激发光源的一体化设置；基于二向色滤光片和平面反射镜组合的双激光器共存光路，实现可选择不同激发波长而不需调优光路；利用待测样品位置标识标示预优化的光致发光光谱测试样品前表面位置。

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