CN1804592A - 600－700nm波段傅立叶变换光致发光谱方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种600－700nm波段傅立叶变换光致发光谱方法及装置。该装置包括具有步进扫描功能的傅立叶变换红外光谱测量***，作为激发光源的激光器、以及连接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、置于样品与激光器之间光路上的斩波器，从而使连续激发光变为幅度调制激发光，并馈入锁相放大器的输入参考端来控制锁相。该方法使用上述装置进行可见/近红外波段调制光致发光谱测量，包括消除傅立叶变换红外光谱仪内部氦氖激光的干扰；消除傅立叶频率和增强可见/红外波段光致发光微弱信号的探测能力三个功能。经过对发光峰位于600－700nm附近的InGaP/A1GaInP多量子阱材料进行光致发光谱的测试。表明：本发明显著提高探测灵敏度和光谱信噪比，并具有快速、便捷的优点，特别适用于600－700nm波段半导体材料微弱光致发光特性的检测。

Description

600-700nm波段傅立叶变换光致发光谱方法及装置

技术领域

本发明涉及可见/近红外光电材料光致发光特性测试方法及装置，具体的说，主要是一种600-700nm附近波段傅立叶变换(FTIR)光致发光谱的方法及装置。

背景技术

基于傅立叶变换红外光谱仪的光致发光谱是一种研究红外半导体材料光电性能的先进方法，它不仅能揭示材料的禁带和带尾态等电子带结构，而且能提供杂质和深能级缺陷等信息。

然而，在可见/近红外波段，由于傅立叶变换红外光谱仪内部用于光路准直和采样控制的氦氖(He-Ne)激光(波长为632.8nm)的干扰，严重影响了600-700nm附近波段范围内光致发光谱的可靠获取。而恰好在这一波段存在很重要的半导体光电材料，比如用于制备大功率半导体激光器的InGaP量子阱等。为此，有效去除内部He-Ne激光干扰就显得相当重要。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提出一种600-700nm附近波段傅立叶变换(FTIR)光致发光谱的方法及装置，通过对激发光进行幅度调制，并结合相位敏感检测技术，有效去除内部He-Ne激光干扰，为研究相关材料光致发光特性提供可靠保障。

本发明的技术构思的核心是使用具有连续和步进扫描功能的FTIR光谱仪，还包括泵浦激光、斩波器和双通道锁相放大器等组件。对于步进扫描的PL光谱测量，激光器提供的泵浦激光经过斩波器调制成正弦波，照射到样品上。斩波器的调制频率同时作为参考频率进入锁相放大器。由样品发出的PL信号经由探测器转换为电信号，馈入锁相放大器，然后由锁相放大器输出到FTIR光谱仪中的电路控制板，最后通过傅立叶变换得到PL光谱。通过选择可见分束器和硅二极管探测器，可以实现对600-700nm波段范围PL光谱的有效测量。

综上所述，本发明的技术方案如下：

根据本发明的一种600-700nm附近波段傅立叶变换(FTIR)光致发光谱的装置，包括：

-激光器，其产生连续泵浦激光；-傅立叶变换红外光谱测量***，其具有傅立叶变换红外光谱仪和与之相配合的傅立叶变换红外光谱处理的计算机，该光谱仪具有样品架，其上置放测试样品，与样品的发光信号构成光路的干涉仪部件，该部件中的动镜置于步进扫描状态，探测器以及与计算机相连接的电路控制板；-光调制装置，其包括成电路联结的锁相放大器和斩波器，该斩波器将该激光器发出的连续泵浦激光斩波形成调制激光，其入射至样品架上的样品而产生调制的光致发光信号，另外该调制激光还作为锁相放大器的参照信号馈入其参考信号输入端；该锁相放大器的信号输入端连接该探测器的输出端；而其输出端则与该电路控制板的输入端相连接。

所述的锁相放大器为Standford SR830DSP型锁相放大器；所述的斩波器为Standford SR540型机械斩波器；所述的激光器为Coherent 360型氩离子激光器；所述的傅立叶变换红外谱仪为Bruker IFS 660v/S型FTIR光谱仪；以及所述的样品为所有可见、近红外材料，例如InGaP/AlGaInP多量子阱光致发光材料。

根据同一发明构思，本发明的一种600-700nm波段傅立叶变换(FTIR)调制光致发光谱的方法，其步骤包括：

S1、通过对激发光进行幅度调制，并结合在FTIR光谱仪的探测器和电路控制板之间接入锁相放大器，进行相敏检测，消除内部准直光路的He-Ne激光对光致发光谱的干扰；

S2、利用FTIR光谱仪的步进扫描功能，消除傅立叶频率，放松对外调制频率选取的苛刻限制，使可见、近红外波段调制傅立叶变换光致发光谱方法真正可行；

S3、结合锁相放大器的相敏检测与FTIR连续傅立叶变换红外光致发光谱的数据处理方法，显著增强可见、近红外波段光致发光微弱信号的探测能力，有效缩短光谱采集所需时间。

进一步，在步骤S1之前还有预调节步骤S0，其系将该红外光谱仪置于连续扫描状态，监控泵浦激光激发样品得到的光致发光信号，通过调整、优化与位于样品架上的相关光路，使该光谱仪监测到的信号达到极大。

另外，所述的测试样品为所有可见、近红外材料，例如InGaP/AlGaInP多量子阱材料。

与传统傅立叶变换光致发光谱方法相比，本发明的最大优点是：

1.结合锁相放大器和斩波器，有效消除傅立叶变换红外光谱仪内部He-Ne激光干扰；

2.利用步进扫描工作模式，有效解决调制频率、动镜速率和锁相放大器采样时间常数的相互制约关系；

3.可以快速、可靠地获得免干扰、高信噪比光致发光谱，有利于微弱信号的提取和指认。

附图说明

图1给出了600-700nm附近波段傅立叶变换光致发光谱实验装置示意图。

图2为室温条件下InGaP/AlGaInP多量子阱光致发光谱比较图，(a)为利用传统方法获得，(b)为利用本发明提出的调制光致发光谱方法获得的光致发光谱。

具体实施方式

下面根据图1-图2给出本发明的较好实施例，并予以详细描述，能更好地说明本发明的技术特征和功能特点。

从图1可见，本发明的调制光致发光谱测量装置，包括-激光器3，其产生泵浦激光；-傅立叶变换红外光谱***1，其上具有傅立叶变换红外光谱仪10和与其相配合的傅立叶变换红外光谱处理计算机20，该光谱仪10具有放置样品4的样品架101，接受样品4的光致发光信号的干涉仪部件102，该部件102中的动镜1026置于步进扫描状态，信号经过干涉仪部件102傅立叶变换后送入的探测器103，以及与该计算机20相连接的电路控制板104；-光调制装置2，其包括成电路联结的锁相放大器21和斩波器22，该斩波器22位于激光器3和样品4之间，将连续泵浦激光调制成调制激光入射到样品4上使其光致发光，该调制激光还作为锁相放大器21的参照信号馈入该放大器21的参考信号输入端，以及该放大器21的输入和输出端还分别连接探测器103和电路控制板104。

基于FTIR光谱仪10的PL光谱测量主要由以下几个过程：(1)FTIR光谱仪10记录干涉图I(δ)；(2)完成对干涉图的傅立叶变换，得到光致发光谱B(σ)。I(δ)和B(σ)分别可表示为：

$I\left(\mathrm{\δ}\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}B\left(\mathrm{\σ}\right)\cos \left(2\mathrm{\π\σ\δ}\right)\mathrm{d\σ},$

$B\left(\mathrm{\σ}\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}I\left(\mathrm{\δ}\right)\cos \left(2\mathrm{\π\σ\δ}\right)\mathrm{d\δ},---\left(1\right)$

其中δ和σ分别表示光程差(cm)和谱能量(cm^-1)。

测量时，探测器103收集到的信号(I^d(δ))主要包括两部分：真实光致发光信号(I_PL(δ))和内部He-Ne激光信号(I_He-Ne(δ))，可以表示为：

          I^d(δ)＝I_pL(δ)+I_He-Ne(δ)，                            (2)

其中

$I_{\mathrm{PL}}\left(\mathrm{\δ}\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{B}_{\mathrm{PL}}\left(\mathrm{\σ}\right)\cos \left(2\mathrm{\π\σ\δ}\right)\mathrm{d\σ},$

$I_{\mathrm{He}-\mathrm{Ne}}\left(\mathrm{\δ}\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{B}_{\mathrm{He}-\mathrm{Ne}}\left(\mathrm{\σ}\right)\cos \left(2\mathrm{\π\σ\δ}\right)\mathrm{d\σ}.---\left(3\right)$

因而，对于传统光致发光谱测量，对应于附图1就是移开锁相放大器21和斩波器22，同时将探测器103输出信号馈入到电子控制部分，光谱图可表示为：

                        B_RS(σ)＝B_PL(σ)+B_He-Ne(σ)，             (4)显然，它们包含了探测器能够探测到的所有信息。

当测试***处于调制状态时，对应于附图1就是包含锁相放大器21和斩波器22部分，由于激发光束被以角频率ω的正弦波调制，因而有：

$I_{\mathrm{SS}}^d\left(\mathrm{\δ}\right)=I_{\mathrm{PL}}\left(\mathrm{\δ}\right)\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{PL}})+I_{\mathrm{He}-\mathrm{Ne}}\left(\mathrm{\δ}\right),---\left(5\right)$

馈入以u_refsin(ωt+θ_ref)为参考信号的锁相放大器21，可以得到输出：

$I^{\mathrm{LIA}}\left(\mathrm{\δ}\right)=\frac{u_{\mathrm{ref}}{K}^{\mathrm{LIA}}}{2}{I}_{\mathrm{PL}}\left(\mathrm{\δ}\right)\cos ({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{PL}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}),---\left(6\right)$

其中K^LIA表示锁相放大器21的传输函数，主要由锁相放大器灵敏度的设定值决定。相应地，经过傅立叶变换后为光致发光谱即为：

$B_{\mathrm{SS}}^x\left(\mathrm{\σ}\right)=\frac{u_{\mathrm{ref}}{K}^{\mathrm{LIA}}}{2}{B}_{\mathrm{PL}}\left(\mathrm{\σ}\right)\cos ({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{PL}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}}),---\left(7\right)$

其中相位差(θ_R-θ_ref)的依赖关系可以通过引入第二个相敏探测器来消除。将I_SS ^d(δ)和参考信号位移90°相乘，得到B_SS ^y。经过计算可以得到

$B_{\mathrm{SS}}\left(\mathrm{\σ}\right)=\sqrt{{\left(B_{\mathrm{SS}}^x\right)}^2+{\left(B_{\mathrm{SS}}^x\right)}^2}=\frac{u_{\mathrm{ref}}{K}^{\mathrm{LIA}}}{2}{B}_{\mathrm{PL}}\left(\mathrm{\σ}\right)---\left(8\right)$

对比公式(4)和(8)，可以看出，传统傅立叶变换红外光致发光谱包含He-Ne激光的干扰，而调制傅立叶变换红外光致发光谱则仅包含由激发光产生的光致发光信号。这样对于发光峰位于630nm左右的光谱就不受He-Ne激光的干扰了。

在具体实现上，调制光致发光谱测量将基于傅立叶变换红外光谱仪的步进扫描模式。步进扫描能够将傅立叶频率和激发光调制频率可靠区分开来，因而非常有利于调制的有效实施。

下面结合附图2所示应用实例，对本发明作进一步说明。

所测样品是用金属有机气相沉积外延法在GaAs衬底(001)面上的生长的InGaP/AlGaInP多量子阱。生长温度为700℃，结构依次包括30nm厚的GaAs缓冲层、2nm厚的InGaP层、20nm厚的(Al_0.66Ga_0.34)_0.52In_0.48P层、10个周期的10nm-InGaP/4nm(Al_0.66Ga_0.34)_0.52In_0.48P量子阱层，以及50nm厚的(Al_0.66Ga_0.34)_0.52In_0.48P缓冲层和2nm厚的InGaP覆盖层。实验时激发光源为Ar⁺离子488nm连续光源，功率密度约为8W/cm²。斩波器22频率设定在3kHz附近。FTIR光谱仪10配备可见分束器和硅二极管探测器。

基于上述思路，在本实施例中，锁相放大器21采用Standford SR830 DSP锁相放大器、斩波器22采用Standford SR540机械斩波器、激光器3采用Coherent 360氩离子激光器、FTIR光谱仪10采用Bruker IFS66v/S型FTIR光谱仪进行本发明提出新方法的实施。其光路图如图1所示，具体操作过程如下：

1.数据获取：为了获取传统连续扫描傅立叶变换红外光致发光谱，首先移除斩波器22，并将探测器103的电输出信号直接馈送到电路控制板104。将FTIR光谱仪10置于连续扫描的信号监控状态，通过调整、优化样品相关部分光路，使FTIR光谱仪10监测到的信号达到极大，从而可以保证最佳光谱信噪比。在此设置条件下，可以获得传统的连续扫描傅立叶变换红外光致发光谱，如图2(a)所示。

为了获取调制傅立叶变换光致发光谱，本发明在保持样品相关光路不变的前提下，移入并开启斩波器22，并将探测器103输出信号馈送到锁相放大器的输入端，后者的x、y端输出分别接入到FTIR光谱仪10电路控制板104的两个输入通道上。将斩波器22的工作频率设定到3kHz，并用其参考信号锁定锁相放大器21。然后，将FTIR光谱仪10置于步进扫描状态，并试运行光谱扫描过程，此时，FTIR光谱仪10工作状态指示灯将进入绿一红交替闪烁状态，表明步进扫描正常进行。适当选取锁相放大器21的灵敏度，既保证整个扫描过程不致出现过载，又有尽可能高的微弱信号放大能力，对于本实验设置，大致在1mV。选择锁相放大器21的采样积分时间，以保证其在步进扫描过程中始终处于锁定状态。最后，根据采样积分时间，设定FTIR光谱仪10步进等待时间。原则是，等待时间不小于积分时间的3倍。至此，可以正式开始调制傅立叶变换光致发光谱的测量。

2.数据处理：由于在完整的步进扫描过程中，经由探测器103给出并经锁相放大器放大、电路控制板104采样、记录的是干涉图，因此需要经过傅立叶变换，才能得到最终的光致发光谱。类似于传统的连续扫描傅立叶变换红外光致发光谱的数据处理过程，本发明提出的调制傅立叶变换光致发光谱也可以利用FTIR***操控软件来完成相关数据处理工作，因此便于实施。最后，根据方程(2)，将x、y两通道结合起来，就可以获得步进扫描的调制光致发光谱了。结果如图2(b)所示。

在上述二方面中包含的本发明的关键发明点是(1)通过对激发光进行幅度调制，并结合相敏检测技术，消除FTIR光谱仪10内部He-Ne激光器谱线对600-700nm附近波段范围内光致发光谱的干扰；(2)利用FTIR光谱仪10的步进扫描功能，消除傅立叶频率，从而放松对外调制频率选取的苛刻限制，使可见、近红外波段调制傅立叶变换光致发光谱方法真正可行；(3)有效地结合相敏检测技术与FTIR光谱技术，显著增强600-700nm附近波段范围内微弱信号的探测能力。

附图2给出了InGaP/AlGaInP多量子阱的传统(a)和调制(b)傅立叶变换光致发光谱。可以看出，在室温下，由传统方法获得的光致发光谱受到内部He-Ne激光波长为632.8nm的严重干扰。而由本发明所提出的方法测得的光致发光谱则完全不受该谱线的影响，既使量子阱发光主峰(660nm附近)得以清晰显现，又揭示短波端(600nm附近)存在弱发光信号。基于相关理论的分析表明，它是源于量子阱导带一势垒价带之间的间接跃迁。

由此可见，调制傅立叶变换红外光致发光谱方法不但可以有效消除光谱仪内部He-Ne激光的严重干扰、提高光谱的信噪比，而且还可以探测间接跃迁弱发光信号，从而为研究相关材料的电子能带结构提供了一条有效途径。

Claims (8)

1、一种600-700nm波段傅立叶变换光致发光谱装置，包括：

-激光器(3)，其产生连续的泵浦激光；

-傅立叶变换红外光谱测量***(1)，其具有傅立叶变换红外光谱仪(10)和与之相配合的傅立叶变换红外光谱处理的计算机(20)，该光谱仪(10)具有样品架(101)，其上置放测试样品(4)，样品(4)受泵浦激光激发后产生的信号进入光谱仪的干涉仪部件(102)，该部件(102)中的动镜(1026)置于步进扫描状态，与干涉仪部件(102)、探测器(103)，以及计算机(20)相连接的电路控制板(104)；

-光调制装置(2)，其包括形成电路联结的锁相放大器(21)和斩波器(22)，该斩波器(22)将激光器(3)连续发出的激发光束斩波形成调制激光，其入射至样品架(101)上的样品(4)而产生调制光致发光，另外该调制激光光束的调制频率信号还作为锁相放大器(21)的参考信号馈入其参考信号输入端；该锁相放大器(21)的信号输入端连接该探测器(103)的输出端；而其输出端则与该电路控制板(104)的输入端相连接。

2、根据权利要求1所述的一种600-700nm波段傅立叶变换光致发光谱装置，其特征在于，傅立叶变换红外光谱仪具备连续和步进两种扫描功能。

3、根据权利要求1所述的一种600-700nm波段傅立叶变换光致发光谱装置，其特征在于：所述的样品(4)可以是所有600-700nm波段的半导体材料。

4、根据权利要求3所述的一种600-700nm波段傅立叶变换光致发光谱装置，其特征在于：所述的600-700nm波段的半导体材料为InGaP/AlGaInP多量子阱半导体材料。

5、一种600-700nm波段傅立叶变换光致发光谱方法，其步骤包括：

S1、通过对入射到测试样品的激发光进行幅度调制，并结合在傅立叶变换红外光谱仪的探测器和电路控制板之间接入锁相放大器，进行相敏检测，消除内部用于光路准直和采样控制的波长为632.8nm氦氖激光的干扰；

S2、利用傅立叶变换红外光谱仪的步进扫描功能，消除傅立叶频率，放松对外调制频率选取的苛刻限制，使可见/近红外波段调制傅立叶变换红外光致发光谱测量方法真正可行；

S3、结合锁相放大器的相敏检测与传统的连续扫描傅立叶变换红外光致发光谱的数据处理方法，显著增强可见/近红外波段光致发光微弱信号的探测能力，有效缩短光谱采集所需时间。

6、根据权利要求5所述的一种600-700nm波段傅立叶变换光致发光谱方法，其特征在于：在S1之前还有预调节步骤S0，其系将该红外光谱仪置于连续扫描状态，监控泵浦激光激发样品得到的光致发光信号，通过调整、优化与位于样品架上的测试样品相关的光路，使该光谱仪监测到的信号达到极大。

7、根据权利要求5所述的一种600-700nm波段傅立叶变换光致发光谱方法，其特征在于：所述的样品(4)可以是所有600-700nm波段的半导体材料。

8、根据权利要求7所述的一种600-700nm波段傅立叶变换光致发光谱方法，其特征在于：所述的600-700nm波段的半导体材料为InGaP/AlGaInP多量子阱半导体材料。

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