一种光电导谱自动测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种光电导谱自动测量系统及方法，所述系统包括：带有计算机接口的集成式光源、放置在光学暗箱中的光路系统、测试盒、偏置电源、两台锁相放大器和一台计算机。方法：通过引入特殊的样品结构、针对高阻样品和低阻样品设计不同的测试线路来增强信号的幅度，通过使用锁相放大器(参考频率由斩波器提供)来测量矩形狭缝样品在光照/不光照两种情况下在测试线路中引入的与交变光同频率的周期性电压脉冲信号，然后通过一定的计算将实测的“电压—波长”数据转换为材料的“光电导率—波长”数据(即光电导谱)。测试过程不但更加省时、省力，而且测试结果还更加准确、可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种光电导谱自动测量系统及方法
本专利技术属于光电材料表征
，具体涉及一种光电导谱自动测量系统及方法。
技术介绍
对于应用于太阳电池或光电探测器等领域的光电功能材料而言，研究在不同波长光的激发下材料在黑暗/光照下电导率的变化(或者材料在黑暗/光照下电导率的变化对入射光波长的响应)，对于现有光电功能材料性能的表征、制备工艺的优化和新型光电功能材料的筛选具有非常重要的科学价值和实际意义。然而，由于单色仪通过光栅分光输出的单色光的光强往往较弱，一般的光电功能材料在光强较弱的单色光的激发下电导率的变化往往非常微弱，通常会淹没在噪声信号中，很难检测到材料在黑暗/光照下电导率的变化(光电导率)对不同波长入射光响应的真实信号。通过借鉴测量太阳电池短路电流对不同波长入射光响应(称为光谱响应或量子效率测量)所使用的“交变光+锁相放大器”的测量方法，再通过引入特殊的样品结构、针对高阻样品和低阻样品设计不同的测试线路来增强信号的幅度，本专利技术可以实现对材料光电导率对不同波长入射光响应真实信号的检测。此外，通过引入宽光谱分束镜将入射光分为光强相等的两束光，用其中一束光通过凸透镜聚焦到样品上，利用一台锁相放大器(锁放1)检测与样品相连的测试线路上电压的变化，可得到样品的光电导谱，与此同时，用另一束光通过凸透镜聚焦到已知绝对灵敏度因子的光敏二极管上，利用另一台锁相放大器(锁放2)检测光敏二极管输出的电流可得到入射到样品表面的光强随波长的变化，利用前者除以后者就可得到单位光强、不同波长光激发下材料的光电导谱。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用计算机精确自动测量单位光强、不同波长光激发下材料的光电导谱(或光电导率随入射光波长的变化)的测量系统及方法。为了实现上述目的，本专利技术按以下技术方案予以实现：一种光电导谱自动测量系统，包括：用于自动控制、数据采集和保存、实时显示的计算机；带有计算机接口的集成式光源，用于输出波长连续可调的矩形单色交变光斑；交变光的频率由集成式光源系统中的斩波器控制；测试盒，所述测试盒内设有电子线路，所述测试盒的盒体上设有一个多阻值切换开关、一个高阻与低阻切换开关和若干电连接接口；光学暗箱，光学暗箱内设有光路系统；所述光学暗箱的箱体设有通光孔以及若干电连接接口；所述通光孔连接到集成式光源；所述光路系统包括宽光谱分束镜、第一聚焦透镜、样品架及样品、第二聚焦透镜、用来检测光强的已知绝对灵敏度因子的光敏二极管；样品通过所述电连接接口与测试盒连接；所述宽光谱分束镜将入射光分为光强相等的两束光，其中一束光通过第一聚焦透镜聚光到样品上，另一束光通过第二聚焦透镜聚光到光敏二极管上；偏置电源，用于给样品和测试盒提供偏压；两台锁相放大器，包括与测试盒电连接的第一锁相放大器和与所述光敏二极管电连接的第二锁相放大器；所述第一锁相放大器工作在电压测量模式，用于检测与样品相连的测试线路上与交变光同频率的电压脉冲信号；所述第二锁相放大器工作在电流测量模式，用于检测光敏二极管输出的与交变光同频率的电流脉冲信号。进一步的技术方案为，还包括外环连接件和圆环状螺母；输出光筒嵌入到外环连接件的内孔并由螺丝固定；输出光筒嵌入到光学暗箱的通光孔并且输出光筒的前端伸入到光学暗箱内；输出光筒的前端设有外螺纹，圆环状螺母通过所述外螺纹与输出光筒固定，光学暗箱的侧壁夹紧在外环连接件与圆环状螺母之间。进一步的技术方案为，所述测试盒的电子线路包括可变电阻，所述多阻值切换开关用于选择所述可变电阻的阻值；所述高阻与低阻切换开关为双刀双掷开关；所述可变电阻的一端连接到测试盒的与所述样品一端连接的电连接接口，可变电阻的另一端连接到高阻与低阻切换开关的D1端，高阻与低阻切换开关的D2端通过电连接接口与样品的另一端连接；高阻与低阻切换开关的G1端与D2端相连，G2端与D1端相连；所述偏置电源分别通过测试盒的电连接接口连接到高阻与低阻切换开关的两个电键；所述第一锁相放大器的一端连接到可变电阻相连的电连接接口，第一锁相放大器的另一端连接到与偏置电源负极相连的电连接接口。进一步的技术方案为，所述样品架包括底座、设置于底座上的可调节支撑杆、设置于可调节支撑杆顶端的有机玻璃背板，有机玻璃背板的前表面中部两侧各设有一个用于夹紧样品的金属弹簧片，所述金属弹簧片连接到光学暗箱箱体上的电连接接口；有机玻璃背板的前方底部还设有高度可调的横档。本专利技术还涉及一种利用所述系统实现光电导谱自动测量的方法，所述测量方法包括以下步骤：S1：将样品放在样品架上，用金属弹簧片压紧样品狭缝两侧的面电极固定样品，并形成电接触；S2：根据样品的电阻，选择高阻或低阻测量模式、选择可变电阻的阻值、选择偏置电压、选择交变光频率；S3：调节光路，使得投射到样品和光敏二极管上的光斑的大小和亮度相近，且光斑的面积正好覆盖矩形狭缝样品；S4：在计算机上设置测试参数，由计算机控制系统各部件自动完成测试，并在测试过程中实时保存并显示第一锁相放大器所测电压随入射光波长变化，以及第二锁相放大器所测电流随入射光波长变化的数据，测试完毕后计算机提醒测试完成；S5：数据处理，根据实测的第一锁相放大器所测电压随入射光波长变化和第二锁相放大器所测电流随入射光波长变化的数据，所选择的测量模式和可变电阻的阻值、偏置电压、矩形狭缝样品的宽度、高度和薄膜厚度、光敏二极管的绝对灵敏度因子，计算单位光强不同波长单色光激发下材料的光电导谱。进一步的技术方案为，所述步骤S3具体为，由计算机控制集成式光源输出波长为550nm的绿色交变光斑，调节所述集成式光源输出的交变光斑的宽度和高度、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、光敏二极管以及样品的位置。进一步的技术方案为，所述步骤S4具体为，设定起始波长、终止波长以及步进波长；控制第一锁相放大器检测样品在光照与未光照状态下的电导变化引起的与交变光同频率的电压脉冲信号；同时，控制第二锁相放大器检测光敏二极管在光照与未光照状态下输出的与交变光同频率的电流脉冲信号；分别从第一锁相放大器和第二锁相放大器读取测得的电压值和电流值；将测得的“电压—波长”和“电流—波长”数据实时显示在屏幕上；并将“波长—电压—电流”数据保存；计算机根据起始波长、步进波长和终止波长来判断并控制集成式光源系统输出下一个波长，如果下一个波长小于等于终止波长，则重复上面的过程；如果下一个波长大于终止波长，则说明测量已经完成，则计算机会保存完整的“电压—波长”和“电流—波长”波形文件，并提醒测量结束。进一步的技术方案为，所述步骤S5具体为，利用第二锁相放大器测得的“电流—波长”数据和光敏二极管绝对灵敏度因子数据，得到入射到样品表面的光强数据；利用第一锁相放大器测得的“电压—波长”数据、测量模式、可变电阻的阻值R0和偏置电压ε，高阻测试模式利用公式Δσ＝ΔV/R0ε或者低阻测试模式利用公式Δσ＝-ΔVR0/ε/R2计算光电导Δσ随波长的变化；利用联系光电导Δσ和光电导率Δδ的公式Δσ＝ΔδLd/w、矩形狭缝样品的宽度w、高度L和薄膜厚度d，计算材料的光电导谱；将材料的光电导谱除以入射到样品表面的光强数据，得到单位光强、不同波长单色光激发下材料的光电导谱。进一步的技术方案为，所述步骤S1中，样品的制备工艺为，将材料以薄膜的形式沉积在尺寸为宽2cm×高1cm×本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光电导谱自动测量系统，其特征在于，所述系统包括：用于自动控制、数据采集和保存、实时显示的计算机；带有计算机接口的集成式光源，用于输出波长连续可调的矩形交变单色光斑；交变光的频率由集成式光源系统中的斩波器控制；测试盒，所述测试盒内设有电子线路，所述测试盒的盒体上设有一个多阻值切换开关、一个高阻与低阻切换开关和若干电连接接口；光学暗箱，光学暗箱内设有光路系统；所述光学暗箱的箱体设有通光孔以及若干电连接接口；所述通光孔连接到集成式光源；所述光路系统包括宽光谱分束镜、第一聚焦透镜、样品架及样品、第二聚焦透镜、用来检测光强的已知绝对灵敏度因子的光敏二极管；样品通过所述电连接接口与测试盒连接；所述宽光谱分束镜将入射光分为光强相等的两束光，其中一束光通过第一聚焦透镜聚光到样品上，另一束光通过第二聚焦透镜聚光到光敏二极管上；偏置电源，用于给样品和测试盒提供偏压；两台锁相放大器，包括与测试盒电连接的第一锁相放大器和与所述光敏二极管电连接的第二锁相放大器；所述第一锁相放大器工作在电压测量模式，用于检测与样品相连的测试线路上与交变光同频率的电压脉冲信号；所述第二锁相放大器工作在电流测量模式，用于检测光敏二极管输出的与交变光同频率的电流脉冲信号。...

【技术特征摘要】
1.一种光电导谱自动测量系统，其特征在于，所述系统包括：用于自动控制、数据采集和保存、实时显示的计算机；带有计算机接口的集成式光源，用于输出波长连续可调的矩形交变单色光斑；交变光的频率由集成式光源系统中的斩波器控制；测试盒，所述测试盒内设有电子线路，所述测试盒的盒体上设有一个多阻值切换开关、一个高阻与低阻切换开关和若干电连接接口；光学暗箱，光学暗箱内设有光路系统；所述光学暗箱的箱体设有通光孔以及若干电连接接口；所述通光孔连接到集成式光源；所述光路系统包括宽光谱分束镜、第一聚焦透镜、样品架及样品、第二聚焦透镜、用来检测光强的已知绝对灵敏度因子的光敏二极管；样品通过所述电连接接口与测试盒连接；所述宽光谱分束镜将入射光分为光强相等的两束光，其中一束光通过第一聚焦透镜聚光到样品上，另一束光通过第二聚焦透镜聚光到光敏二极管上；偏置电源，用于给样品和测试盒提供偏压；两台锁相放大器，包括与测试盒电连接的第一锁相放大器和与所述光敏二极管电连接的第二锁相放大器；所述第一锁相放大器工作在电压测量模式，用于检测与样品相连的测试线路上与交变光同频率的电压脉冲信号；所述第二锁相放大器工作在电流测量模式，用于检测光敏二极管输出的与交变光同频率的电流脉冲信号。2.根据权利要求1所述的光电导谱自动测量系统，其特征在于，还包括外环连接件和圆环状螺母；输出光筒嵌入到外环连接件的内孔并由螺丝固定；输出光筒嵌入到光学暗箱的通光孔并且输出光筒的前端伸入到光学暗箱内；输出光筒的前端设有外螺纹，圆环状螺母通过所述外螺纹与输出光筒固定，光学暗箱的侧壁夹紧在外环连接件与圆环状螺母之间。3.根据权利要求1所述的光电导谱自动测量系统，其特征在于，所述测试盒的电子线路包括可变电阻，所述多阻值切换开关用于选择所述可变电阻的阻值；所述高阻与低阻切换开关为双刀双掷开关；所述可变电阻的一端连接到测试盒的与所述样品一端连接的电连接接口，可变电阻的另一端连接到高阻与低阻切换开关的D1端，高阻与低阻切换开关的D2端通过电连接接口与样品的另一端连接；高阻与低阻切换开关的G1端与D2端相连，G2端与D1端相连；所述偏置电源分别通过测试盒的电连接接口连接到高阻与低阻切换开关的两个电键；所述第一锁相放大器的一端连接到可变电阻相连的电连接接口，第一锁相放大器的另一端连接到与偏置电源负极相连的电连接接口。4.根据权利要求1所述的光电导谱自动测量系统，其特征在于，所述样品架包括底座、设置于底座上的可调节支撑杆、设置于可调节支撑杆顶端的有机玻璃背板，有机玻璃背板的前表面中部两侧各设有一个用于夹紧样品的金属弹簧片，所述金属弹簧片连接到光学暗箱箱体上的电连接接口；有机玻璃背板的前方底部还设有高度可调的横档。5.一种利用权利要求1所述系统实现光电导谱自动测量的方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：S1：将样品放在样品架上，用金属弹簧片压紧样品狭缝两侧的面电极固定样品，并形成电接触；S2：根据样品的电阻，选择高阻或低阻测量模式、选...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾斌，孔光临，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44