本发明专利技术公开一种消除大气吸收干扰的红外光致发光光路系统和实验方法。该光路包括以下部件：具有步进扫描模式的傅立叶变换红外光谱系统、作为激发光源的泵浦光系统、实现电信号处理和傅立叶变换功能的电路系统、用于光学信号调制和解调的斩波器和锁相放大器、以及用于获取大气吸收参考光谱的宽波段红外光源。本发明专利技术基于该光路，提出消除红外光致发光光谱中大气吸收干扰影响的方法。本发明专利技术有助于窄禁带半导体红外光致发光光谱的真实线型信号的获取，具有操作容易、有效可靠性高等优点。
【技术实现步骤摘要】
：本专利技术涉及一种消除大气吸收干扰红外光致发光(Photoluminescence,PL)测试的光路系统和实验方法。其在步进扫描傅立叶变换红外(Fouriertransforminfrared,FTIR)光谱仪的红外调制PL技术的基础上，结合共光路耦合和双通道信号调制/解调提取分离技术，将传统的单通道PL方法发展为双通道测试技术，藉此实现红外PL光谱大气吸收干扰的可靠消除。
技术介绍
：PL光谱作为材料无损检测的经典有效手段，被广泛应用于半导体和碳纳米管等材料的光学性质研究，其不但能揭示材料带隙、带边态等电子能带结构的信息，还能用于研究杂质、深能级缺陷等，极大地增进了对相关材料光电特性和物理过程的认识。基于步进扫描FTIR光谱仪的红外调制PL技术将探测波段拓展至波长20μm的红外领域，从而在窄禁带半导体的禁带宽度和近带边杂质的确定中得到重要的应用。窄禁带半导体的PL光谱通常位于3-20μm的红外波段。该波段的若干特定波长受到大气的强烈吸收。例如，大气中的二氧化碳对4.18-4.38μm的红外光具有强烈的吸收。窄禁带半导体位于此位置附近的PL光谱线型严重畸变，导致红外PL光谱确定材料参数的误差增大，甚至使得红外PL光谱无法应用。为消除光谱的大气干扰，当前已发展真空法、干燥气体吹扫法和谱图差减法等几种常用方法。但是这些方法在红外调制PL技术的应用中都受到了限制。真空法和干燥气体吹扫法都需要将光路封存在密闭空间内，不方便于样品更换和光路调节的操作，同时真空法需要高强度硬件的支持，增加设备成本。更为重要的是，抽真空和吹扫过程所引入的机械振动降低了动镜步进扫描的稳定性，导致环境噪声的增大甚至使得红外调制PL技术无法执行。另一方面，谱图差减法需要进行至少两次的光谱扫描，而且非常依赖于差减因子的选择，在实际应用中该方法很难彻底消除环境传递函数的影响。针对已有方法的局限，本专利技术公开一种消除红外PL光谱大气吸收干扰的光路结构和方法。具体地，基于步进扫描FTIR光谱仪红外调制PL的相敏检测模式，借助于双光路共轴耦合和双通道信号的解调提取技术，实现红外PL光谱和大气吸收参考光谱的同时获取，有效消除了大气吸收对PL光谱线型的干扰。本专利技术无需密闭封存PL光路，不引入机械振动，在消除大气干扰的同时不引入额外的光谱线型畸变或显著降低光谱信噪比，有助于窄禁带半导体PL光谱信息的准确获取。
技术实现思路
：综上所述，在保证红外PL光谱质量的前提下有效地消除大气吸收对光谱线型的干扰是准确获取PL光谱参数的关键所在，这也是本专利技术所要解决的技术难题。本专利技术旨在提供一种结合红外调制PL、双光路耦合和相敏检测信号提取分离技术的光路结构，能够有效消除大气吸收对红外PL光谱线型的干扰，为窄禁带材料PL光谱参数的准确获取提供保障。与其他消除PL光谱大气干扰的方法相比，本专利技术具有成本低、操作容易、有效性高等优点。本专利技术是一种基于步进FTIR红外PL技术、融合双光路耦合和双通道信号提取分离等手段、能够有效消除红外PL大气吸收干扰的光路结构和方法。该光路结构的主要部件包括：-FTIR光谱系统，其具有红外光分束器、定镜、动镜、引导光路的反射镜和具有双输出通道红外单元探测器；-调制与解调检测系统，包括机械斩波器和锁相放大器，机械斩波器由机械斩波轮、斩波控制器组成；-PL泵浦光源，其能输出长时间稳定的连续激光，激光光子能量大于待测样品的禁带宽度；-电信号处理与转换系统，包括电学低通滤波器、双通道傅立叶变换处理电路和计算机控制/显示平台；-大气吸收参考光源系统，包括平行输出的宽波段红外参考光源、红外分束器和参考光源位移控制单元，参考光源安装于导轨上，其移动由位移控制单元控制，而位移控制单元则由计算机控制；-待测样品，为窄禁带半导体样品。立叶变换红外光谱系统1包括由透反比为50:50红外分束器101、定镜102和可步进扫描的动镜103所组成的迈克尔逊干涉仪、引导干涉光的反射镜104和具有A、B双输出通道的红外单元探测器105；所述FTIR光谱系统中的红外分束器透反比为50:50，可以但不仅限于溴化钾分束器，动镜应具备步进扫描工作模式，探测器的探测范围覆盖中红外波段，可以但不限于光伏/光导型碲镉汞探测器。FTIR光谱系统可以但不限于BrukerVertex80v型商用研究级FTIR光谱仪。实际上只要是具备步进扫描工作模式的FTIR光谱仪，就可以用于实施本专利技术专利。所述机械斩波器可以但不限于StanfordSR540型机械斩波器。需要理解，此处涉及具体斩波器厂家和型号仅仅为了便于后续描述，而非限制本专利技术权利保护范围，实际上只要能够实现对激光施加音频范围内周期性幅度调制并输出调制频率作为解调参考信号，就可以用于实施本专利技术专利。所述锁相放大器可以但不限于StanfordSR830DSP型锁相放大器。需要理解，此处涉及具体锁相放大器厂家和型号仅仅为了后续描述需要，而非限制本专利技术权利保护范围，实际上只要能够实现对音频范围内周期性幅度调制信号进行锁相放大，就可以用于实施本专利技术专利。所述的PL泵浦光源可以但不限于Spectra-Physics2017型氪离子激光器，波长为647nm。需要理解，此处涉及具体激光器厂家和型号仅仅为了后续描述需要，而非限制本专利技术权利保护范围，实际上只要能够保证激光能量大于待测样品禁带宽度的可见/近红外激光输出、功率稳定且不低于10mW，就可以用于实施本专利技术专利。所述电信号处理与转换系统为兼容于光伏/光导型碲镉汞探测器输出信号的电路系统，可以但不限于Vertex80v型FTIR光谱仪的电信号处理系统。实际上只要是兼容于红外探测器输出信号的双通道低通滤波器和傅立叶变换电路，就可以用于实施本专利技术专利。所述大气吸收参考光源系统5包括平行输出的宽波段红外参考光源501、红外分束器502和参考光源位移控制单元503；参考光源501采用安装于导轨上的碳硅棒光源，具有沿输出光光路方向移动的功能，红外分束器502的透反比为50:50，参考光源位移控制单元503由计算机控制/显示平台403控制，并控制/微调参考光源501的位置；参考光源501的输出光通过分束器502反射进入傅立叶变换红外光谱系统1。所述参考光源系统的参考光源为碳硅棒光源，实际上只要能够提供平行输出的宽波段红外辐射光源，就可以用于实施本专利技术专利技术。参考光谱光源系统的红外分束器透反比为50:50的红外分束器，实际上只要能够保证足够PL信号进入FTIR光谱系统的分束器就可以用于实施本专利技术专利技术。所述参考光源位移控制单元为可编程控制的微型电动机。所述的待测材料为InAs/GaSbII型超晶格。此处涉及具体材料仅仅为了后续描述需要，而非限制本专利技术权利保护范围，实际上只要PL光谱受到大气吸收干扰的样品，就可以用于实施本专利技术专利技术。根据同一专利技术构思，本专利技术的基于步进FTIR红外调制PL技术、融合双光路耦合和双通道信号提取分离等手段、有效消除红外PL大气吸收干扰的方法，其步骤包括：1)泵浦光源3输出的稳定功率激光经过斩波轮201幅值调制辐照到待测样品6的表面上，斩波轮201对激光的调制频率由斩波控制器(202)控制；2)待测样品6的PL信号透过分束器502馈入傅立叶变换红外光谱系统1；3)打开参考光源5本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种消除大气吸收干扰的红外光致发光光路系统,包括傅立叶变换红外光谱系统(1)、调制与解调检测系统(2)、PL泵浦光源(3)、电信号处理与转换系统(4)、大气吸收参考光源系统(5)和待测窄禁带半导体样品(6)，其特征在于：所述的傅立叶变换红外光谱系统(1)包括由透反比为50:50红外分束器(101)、定镜(102)和可步进扫描的动镜(103)所组成的迈克尔逊干涉仪、引导干涉光的反射镜(104)和具有A、B双输出通道的红外单元探测器(105)；所述的调制与解调检测系统(2)包含机械斩波轮(201)、斩波控制器(202)和锁相放大器(203)；机械斩波轮(201)的斩波频率由斩波控制器(202)控制，同时斩波控制器(202)将频率信号馈入锁相放大器(203)的参考端，锁相放大器(203)的输入端和探测器(105)的A输出通道相连接；所述PL泵浦光源(3)为一台具有长时间稳定功能的连续输出激光器，输出光子能量大于待测样品的禁带宽度；所述电信号处理与转换系统(4)包括电学低通滤波器(401)、双通道傅立叶变换处理电路(402)和计算机控制/显示平台(403)；低通滤波器(401)接收来自红外探测器(105)的B输出通道的电信号，傅立叶变换处理电路(402)的双通道分别接受锁相放大器(203)和低通滤波器(401)输出端的信号，并将处理后的信号分别馈入计算机控制/显示平台(403)；所述大气吸收参考光源系统(5)包括平行输出的宽波段红外参考光源(501)、红外分束器(502)和参考光源位移控制单元(503)；参考光源(501)采用安装于导轨上的碳硅棒光源，具有沿输出光光路方向移动的功能，红外分束器(502)的透反比为50:50，参考光源位移控制单元(503)由计算机控制/显示平台(403)控制，并控制/微调参考光源(501)的位置；参考光源(501)的输出光通过分束器(502)反射进入傅立叶变换红外光谱系统(1)；所述待测窄禁带半导体样品(6)为PL波长位于红外波段的半导体样品，其PL信号透过分束器(502)馈入傅立叶变换红外光谱系统(1)；将泵浦光源(3)输出的激光照射到待测样品(6)的表面上，利用斩波控制器(202)控制斩波轮(201)的调制频率，并将斩波轮(201)置于光路中对激光进行幅值调制，将斩波控制器(202)的频率信号连接至锁相放大器(203)的参考端；将分束器(502)置于待测样品(6)的PL发光到傅立叶变换红外光谱系统(1)的光路中，使PL信号透过分束器进入傅立叶变换红外光谱系统(1)；连接计算机控制/显示平台(403)和参考光源位移控制单元(503)，同时由位移控制单元(503)控制/微调参考光源(501)的位置；打开参考光源(501)，使其输出光被分束器(502)反射，调节分束器(502)的空间角度，使经分束器(502)反射的参考光与待测样品(6)的PL信号共光路耦合进入傅立叶变换红外光谱系统(1)；将探测器(105)的A输出通道连接至锁相放大器(203)的输入端，B输出通道连接至低通滤波器(401)的输入端；锁相放大器(203)和低通滤波器(401)的输出端分别连接至双通道傅立叶变换处理电路(402)的两个通道，并将傅立叶变换处理电路(402)的两路输出信号分别连接至计算机控制/显示平台(403)；令动镜(103)进入步进扫描状态，适当调节斩波轮(201)的调制频率和锁相放大器(203)的灵敏度、积分时间参数，使其满足步进扫描调制PL技术的条件；运行步进扫描过程，获取待测样品(6)的PL光谱。...
【技术特征摘要】
2016.07.11 CN 20161053884021.一种消除大气吸收干扰的红外光致发光光路系统,包括傅立叶变换红外光谱系统(1)、调制与解调检测系统(2)、PL泵浦光源(3)、电信号处理与转换系统(4)、大气吸收参考光源系统(5)和待测窄禁带半导体样品(6)，其特征在于：所述的傅立叶变换红外光谱系统(1)包括由透反比为50:50红外分束器(101)、定镜(102)和可步进扫描的动镜(103)所组成的迈克尔逊干涉仪、引导干涉光的反射镜(104)和具有A、B双输出通道的红外单元探测器(105)；所述的调制与解调检测系统(2)包含机械斩波轮(201)、斩波控制器(202)和锁相放大器(203)；机械斩波轮(201)的斩波频率由斩波控制器(202)控制，同时斩波控制器(202)将频率信号馈入锁相放大器(203)的参考端，锁相放大器(203)的输入端和探测器(105)的A输出通道相连接；所述PL泵浦光源(3)为一台具有长时间稳定功能的连续输出激光器，输出光子能量大于待测样品的禁带宽度；所述电信号处理与转换系统(4)包括电学低通滤波器(401)、双通道傅立叶变换处理电路(402)和计算机控制/显示平台(403)；低通滤波器(401)接收来自红外探测器(105)的B输出通道的电信号，傅立叶变换处理电路(402)的双通道分别接受锁相放大器(203)和低通滤波器(401)输出端的信号，并将处理后的信号分别馈入计算机控制/显示平台(403)；所述大气吸收参考光源系统(5)包括平行输出的宽波段红外参考光源(501)、红外分束器(502)和参考光源位移控制单元(503)；参考光源(501)采用安装于导轨上的碳硅棒光源，具有沿输出光光路方向移动的功能，红外分束器(502)的透反比为50:50，参考光源位移控制单元(503)由计算机控制/显示平台(403)控制，并控制/微调参考光源(501)的位置；参考光源(501)的输出光通过分束器(502)反射进入傅立叶变换红外光谱系统(1)；所述待测窄禁带半导体样品(6)为PL波长位于红外波段的半导体样品，其PL信号透过分束器(502)馈入傅立叶变换红外光谱系统(1)；将泵浦光源(3)输出的激光照射到待测样品(6)的表面上，利用斩波控制器(202)控制斩波轮(201)的调制频率，并将斩波轮(201)置于光路中对激光进行幅值调制，将斩波控制器(202)的频率信号连接至锁相放大器(203)的参考端；将分束器(502)置于待测样品(6)的PL发光到傅立叶变换红外光谱系统(1)的光路中，使PL信号透过分束器进入傅立叶变换红外光谱系统(1)；连接计算机控制/显示平台(403)和参考光源位移控制单元(503)，同时由位移控...
【专利技术属性】
技术研发人员：邵军，陈熙仁，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31
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