CN113109282A - 一种广波长覆盖的光热偏转光谱测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种广波长覆盖的光热偏转光谱测试装置，包括沿光路依次布置的泵浦光源、单色仪、光学斩波器和分束器；分束器的反射光路上布置有光电探测器，分束器的透射光路上布置有吸收池；光电探测器的信号输出端与电脑连接；吸收池在与分束器透射光路相垂直的两侧面分别布置有探测光源和位敏探测器；位敏探测器的信号输出端依次与锁相放大器和电脑连接；吸收池内用于容纳导热介质，底部固定有样品台，样品台用于固定待测薄膜；吸收池与分束器之间设有聚焦透镜，透射过分束器的泵浦光通过聚焦透镜进入吸收池；泵浦光源采用激光驱动宽带光源，用于发射170nm～2100nm的泵浦光。利用本发明，可以同时满足从窄带隙材料到宽带隙材料的测试需求。
Description
技术领域
本发明属于光谱检测技术领域，尤其是涉及一种广波长覆盖的光热偏转光谱测试装置。
背景技术
薄膜是光电器件的基础，直接决定了光电器件的性能。现有的通用薄膜表征手段往往适用对象有限、灵敏度不高。因此，需要发展一种适用范围广、灵敏度高的薄膜表征方法来指导光电器件的开发应用。
目前，已有众多建立于光吸收基础上的薄膜表征手段。如公开号为CN106546536A的中国专利文献公开了一种高精度薄膜弱吸收测试装置及方法，公开号为CN105021627A的中国专利文献公开了光学薄膜及元件表面激光损伤的高灵敏快速在线探测方法。
薄膜吸光后，可释放光能或热能。材料吸收光能转化为热能的现象称为光热效应。一束泵浦光照射在薄膜上，薄膜吸光产生热量。在薄膜附近的介质区域，由于热扩散产生温度梯度。介质的折射率与温度相关，由此形成了折射率梯度。探测光从薄膜上方有明显折射率梯度的区域掠过，行进方向产生偏转。探测光的偏转量与薄膜吸光度之间存在定量关系。以上建立于光热效应基础上的表征手段称为光热偏转光谱技术。
受限于普通泵浦光源(如氙灯)在紫外区和近红外区的低功率输出以及整个测试装置的结构，已报道的光热偏转光谱测试装置无法满足窄带隙材料和宽带隙材料的高灵敏度测试需求。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种广波长覆盖的光热偏转光谱测试装置，可以同时满足从窄带隙材料到宽带隙材料的测试需求。
本发明的技术方案如下：
一种广波长覆盖的光热偏转光谱测试装置，包括沿光路依次布置的泵浦光源、单色仪、光学斩波器和分束器；所述分束器的反射光路上布置有光电探测器，分束器的透射光路上布置有吸收池；所述光电探测器的信号输出端与电脑连接；
所述的吸收池在与分束器透射光路相垂直的两侧面分别布置有探测光源和位敏探测器；所述的位敏探测器的信号输出端依次与锁相放大器和电脑连接；
所述的吸收池内用于容纳导热介质，吸收池的内底面固定有样品台，所述的样品台用于固定待测薄膜；所述的吸收池与分束器之间设有聚焦透镜，透射过分束器的泵浦光通过聚焦透镜进入吸收池；
所述的泵浦光源采用激光驱动宽带光源，用于发射170nm～2100nm的泵浦光。
本发明在进行测试时，泵浦光源的出射光被导入由电脑控制的单色仪中，导出特定波段的单色光；单色光经由置于单色仪之后的光学斩波器调制光强，调制频率导入锁相放大器作为参比信号；分束器将光分成两束，光电探测器监测光强其中一束光光强，信号传入电脑，另一束光被导入吸收池中；待测薄膜与基底固定于样品台中，薄膜在光路中的位置固定，吸收池中充满导热介质；泵浦光照射在薄膜上，探测光源发出的探测光掠过薄膜上方；位敏探测器置于吸收池的出射光路上，检测信号传入锁相放大器解调；锁相放大器解调后的信号传入电脑。
泵浦光源采用激光驱动宽带光源，泵浦光从紫外区(～170nm)到红外区(～2100nm)均有较强的功率分布，满足从到窄带隙材料如(硒化铅、碲化铅等)到宽带隙材料(如氧化锌、氧化镍等)的测试需求，极大地拓展了光热偏转光谱技术的适用范围。
吸收池内所充导热介质需选用对泵浦光与探测光无吸收、导热率低、折射率小、折射率随温度变化大的流体，从而有利于形成较大的折射率梯度，增大探测光偏转量，提升测试灵敏度。优选地，所述的导热介质为全氟代烷烃。
优选地，所述的样品台沿竖直方向设有上下对称的两组台阶，两组台阶构成内凹结构，所述样品台在内凹结构的底部设有透光孔，两组台阶上设有用于固定基底的固定部，所述的基底用于放置待测薄膜。
可选择地，所述的固定部包括对称设置在两组台阶上的两组安装孔以及设置在安钻孔上用于夹持基底的夹片。
为了便于样品台在吸收池内的固定与拆卸，所述吸收池的内底面设有与样品台下端嵌入配合的凹槽。
优选地，所述探测光源发出的探测光从待测薄膜的外表面前方穿过，距离待测薄膜的外表面小于50μm，，使探测光经过折射率梯度较大的区域，产生较大偏转，提升测试灵敏度。
优选地，所述泵浦光源发出的泵浦光照射在待测薄膜上的光斑直径大于3μm，该光斑直径可通过聚焦透镜的前后位置进行调节，使探测光经过足够长的具有折射率梯度的区域，产生较大偏转，提高信噪比。
优选地，所述的光热偏转光谱测试装置搭建在隔震平台上，减小地面振动对光路的扰动，降低干扰信号强度，提高信噪比。
优选地，所述光学斩波器与锁相放大器连接，光学斩波器的信号输入锁相放大器的参考信号端。
进一步地，测试时，用不透光盖子罩住整个光路***，降低外界杂散光与空气扰动形成的干扰信号强度，增大信噪比。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用激光驱动宽带光源作为泵浦光源，光谱检测范围覆盖了部分远紫外区至大部分近红外区，同时满足了从窄带隙材料(如硒化铅、碲化铅等)到宽带隙材料(如氧化锌、氧化镍等)的高灵敏度检测需求。
2、本发明的装置结构简单、安装和操作方便，具有较高的检测灵敏度。
附图说明
图1为本发明一种广波长覆盖的光热偏转光谱测试装置的光路示意图；
图2为本发明实施例中吸收池的俯视示意图；
图3为本明实施例中样品台的结构示意图；
图4为现有技术中氘灯发射光谱；
图5为本发明实施例中激光驱动宽谱光源EQ-99X发射光谱；
图6为本发明实施例中宽带隙材料紫外-可见吸收光谱，其中，(a)为氧化锌纳米晶紫外-可见吸收光谱；(b)为氧化镍纳米晶紫外-可见吸收光谱。
图中：1-泵浦光源；2-单色仪；3-光学斩波器；4-分束器；5-光电探测器；6-探测光源；7-吸收池；71-待测薄膜；72-基底；73-导热介质；74-样品台；741-内凹结构；742-透光孔；743-安装孔；8-位敏探测器；9-锁相放大器；10-电脑；11-聚焦透镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，一种广波长覆盖的光热偏转光谱测试装置，包括泵浦光源1、单色仪2、光学斩波器3、分束器4、探测光源6、吸收池7、位敏探测器8、光电探测器5、锁相放大器9和电脑10等装置。整个光热偏转光谱测试装置搭建在隔震平台上。
其中，泵浦光源1、单色仪2、光学斩波器3和分束器4沿光路依次布置；分束器4的反射光路上布置有光电探测器5，分束器4的透射光路上布置有吸收池7；光电探测器5的信号输出端与电脑10连接。
吸收池7在与分束器4透射光路相垂直的两侧面分别布置有探测光源6和位敏探测器8；位敏探测器8的信号输出端依次与锁相放大器9和电脑10连接。
泵浦光源1发射泵浦光PP通过光纤导入由电脑10控制的单色仪2中，导出特定波段的泵浦光PP。为满足测试的普适性与高灵敏度的要求，本发明装置选用激光驱动宽带光源，如EQ-99X(发射光谱见图5)作为泵浦光源1。同时单色仪2的分光范围与泵浦光源1匹配。
相比于普通的氘灯发射光谱(参见图4所示)，本发明采用的激光驱动宽带光源的光谱检测范围覆盖了部分远紫外区至大部分近红外区，同时满足了从窄带隙材料(如硒化铅、碲化铅等)到宽带隙材料(如氧化锌、氧化镍等)的高灵敏度检测需求。
泵浦光PP通过放置在单色仪2之后的光学斩波器3，泵浦光PP光强受到调制；光学斩波器3的信号输入锁相放大器9的参考信号端。
分束器4将泵浦光PP分成两束，其中一束反射光被光电探测器5接收，用以排除因泵浦光源1功率变化而产生的测试误差。光电探测器5信号经处理后输入电脑10。另外一束透射光射入吸收池7内。
如图2所示，吸收池7内充满导热介质73，底部固定有样品台74，样品台74上设有用于固定待测薄膜71的基底72。吸收池7与分束器4之间还设有聚焦透镜11，透射过分束器4的泵浦光通过聚焦透镜11进入吸收池7。
转置安装完毕后，待测薄膜71与基底72固定于样品台74中，样品台74固定于吸收池7中，吸收池7的位置固定，由此，待测薄膜71在光路中的位置固定。
如图3所示，样品台74沿竖直方向设有上下对称的两组台阶，两组台阶构成内凹结构741，样品台74在内凹结构741的底部设有透光孔742，两组台阶上对称有两组安装孔743，每组安钻孔(743)的数量为三个，安装孔743上设有用于夹持基底72的夹片(图中未示出)。
为了便于样品台74在吸收池7内的固定与拆卸，吸收池7的内底面设有与样品台74下端嵌入配合的凹槽。
本实施例中，吸收池7中充满导热率低、折射率小、折射率随温度变化大且对泵浦光PP与探测光PB无吸收的的导热介质-全氟代烷烃。泵浦光PP聚焦后照射在待测薄膜71上，形成直径大于3mm的光斑；待测薄膜71吸收光产生热量；在待测薄膜71附近的导热介质73区域，由于热扩散，产生温度梯度，越靠近薄膜表面温度越高。导热介质73的温度越高，折射率越小，由此形成了折射率梯度，越靠近薄膜表面折射率越小。
探测光源6发射的探测光PB射入吸收池7，在距离薄膜表面小于50μm的高折射率梯度区域掠过；受折射率梯度影响，探测光PB向远离薄膜方向偏转。位敏探测器9置于吸收池7的出射光路上，检测信号传入锁相放大器9解调；锁相放大器9解调后的信号传入电脑10进行数据分析。
如图6所示，为本实施例中宽带隙材料紫外-可见吸收光谱，其中，(a)为氧化锌纳米晶紫外-可见吸收光谱；(b)为氧化镍纳米晶紫外-可见吸收光谱。可以看出，两种宽带隙氧化物纳米晶的吸收峰均在低于350nm的紫外波段。普通氙灯的辐射光谱无法覆盖该波段，而本发明采用的激光驱动宽带光源在该波段有较强分布，可进行高灵敏度的准确测试。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种广波长覆盖的光热偏转光谱测试装置，其特征在于，包括沿光路依次布置的泵浦光源(1)、单色仪(2)、光学斩波器(3)和分束器(4)；所述分束器(4)的反射光路上布置有光电探测器(5)，分束器(4)的透射光路上布置有吸收池(7)；所述光电探测器(5)的信号输出端与电脑(10)连接；
所述的吸收池(7)在与分束器(4)透射光路相垂直的两侧面分别布置有探测光源(6)和位敏探测器(8)；所述的位敏探测器(8)的信号输出端依次与锁相放大器(9)和电脑(10)连接；
所述的吸收池(7)内用于容纳导热介质(73)，吸收池(7)的内底面固定有样品台(74)，所述的样品台(74)用于固定待测薄膜(71)；所述的吸收池(7)与分束器(4)之间设有聚焦透镜(11)，透射过分束器(4)的泵浦光通过聚焦透镜(11)进入吸收池(7)；
所述的泵浦光源(1)采用激光驱动宽带光源，用于发射170nm～2100nm的泵浦光。
2.根据权利要求1所述的广波长覆盖的光热偏转光谱测试装置，其特征在于，所述的导热介质(73)为全氟代烷烃。
3.根据权利要求1所述的广波长覆盖的光热偏转光谱测试装置，其特征在于，所述的样品台(74)沿竖直方向设有上下对称的两组台阶，两组台阶构成内凹结构(741)，所述样品台(74)在内凹结构(741)的底部设有透光孔(742)，两组台阶上设有用于固定基底(72)的固定部，所述的基底(72)用于放置待测薄膜(71)。
4.根据权利要求3所述的广波长覆盖的光热偏转光谱测试装置，其特征在于，所述的固定部包括对称设置在两组台阶上的两组安装孔(743)以及设置在安钻孔(743)上用于夹持基底(72)的夹片。
5.根据权利要求1所述的广波长覆盖的光热偏转光谱测试装置，其特征在于，所述吸收池(7)的内底面设有与样品台(74)下端嵌入配合的凹槽。
6.根据权利要求1所述的广波长覆盖的光热偏转光谱测试装置，其特征在于，所述探测光源(6)发出的探测光从待测薄膜(71)的外表面前方穿过，距离待测薄膜(71)的外表面小于50μm。
7.根据权利要求1所述的广波长覆盖的光热偏转光谱测试装置，其特征在于，所述的光热偏转光谱测试装置搭建在隔震平台上。
8.根据权利要求1所述的广波长覆盖的光热偏转光谱测试装置，其特征在于，所述光学斩波器(3)与锁相放大器(9)连接，光学斩波器(3)的信号输入锁相放大器(9)的参考信号端。
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