一种高时间分辨的光谱检测设备及应用制造技术

本发明专利技术公开了一种高时间分辨的光谱检测设备及应用，其中，光谱检测设备包括光谱仪，以及与所述光谱仪电连接的单光子计数器；所述光谱仪包括：光信号采集模块、分光模块和信号增强模块；所述单光子计数器用于获得所述脉冲光源一个脉冲内的的光谱信号。本发明专利技术的光谱检测设备是一种结合了放大器与鉴别器的装置，集成了时钟和数据分析功能，能够跟踪脉冲放电等离子体演化过程的光谱信号，理论时间分辨率可达2 ns，可研究普通光谱仪无法检测的等离子体瞬态过程。

A High Time Resolution Spectral Detection Equipment and Its Application

The invention discloses a high time-resolution spectral detection device and its application, in which the spectral detection device comprises a spectrometer and a single photon counter electrically connected with the spectrometer; the spectrometer comprises an optical signal acquisition module, a light splitting module and a signal enhancement module; and the single photon counter is used to obtain a spectral signal within a pulse of the pulse light source. The spectral detection device of the present invention is a device combining amplifier and discriminator, integrating clock and data analysis functions, and can track the spectral signal of the evolution process of pulsed discharge plasma. The theoretical time resolution can reach 2 ns. It can study the plasma transient process which can not be detected by ordinary spectrometer.

【技术实现步骤摘要】
一种高时间分辨的光谱检测设备及应用
本专利技术涉及光谱检测领域，尤其涉及一种高时间分辨的光谱检测设备及应用。
技术介绍
脉冲放电是一种十分普遍的放电形式，并在表面工程，光学工程，以及航空航天、海洋防腐等领域有着重要应用，也是真空镀膜领域的前沿放电技术。其中，高功率脉冲磁控溅射技术（Highpowerimpulsemagnetronsputtering，HiPIMS），是将传统的直流放电电压改成低频、高幅值脉冲放电电压，利用高能量耦合来实现的一种最新的放电方式，其通过改变传统的放电区间，解决了传统磁控放电等离子体密度低的问题，并可获得高达90%的溅射材料离化率，其制备的薄膜致密度高，沉积离子绕射性好，可在结构复杂的工件表面均匀地沉积薄膜。由于该技术采用了非传统的放电区间，其等离子体特性也发生了明显改变，研究其中的物理放电本质就十分重要，同时，其短脉冲内的放电特征也给等离子体诊断带来了严峻挑战。等离子体诊断方法主要有发射光谱法、等离子体质谱法、朗缪尔探针法等。其中，等离子体发射光谱法（Opticalemissionspectroscopy，OES）将等离子体作为光源，是一种非介入式的可用于诊断等离子体状态及监测等离子体状态变化的技术，因此，采用等离子体发射光谱法对放电过程中的等离子体状态进行跟踪，对研究脉冲放电本质具有重要意义。但是脉冲放电等离子体特性是瞬态的，其脉冲放电的脉冲时间为µs量级，采用传统的等离子体检测装置时间响应慢，只能对一段时间内的等离子体演化进行平均化处理，得到平均值，因此其对瞬态等离子体的检测存在明显缺陷，即不能很好地反映脉冲内等离子体特征及其随时间的演化关系。采用时间分辨光谱法可以很好地克服这一问题，然而，当前研究等离子体瞬态特性主要通过改造搭建时间分辨光谱仪进行研究，其时间分辨率较低，一般在20-50μs，难以实现对脉冲等离子体光谱信号的精确跟踪，且成本高昂，不能很好地适应不同的放电要求。因此，现有技术还有待于改进和发展。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种高时间分辨的光谱检测设备及应用，旨在解决现有的等离子体检测装置时间分辨率低、难以实现对脉冲等离子体光谱信号的精确跟踪的问题。本专利技术的技术方案如下：一种高时间分辨的光谱检测设备，包括光谱仪，以及与所述光谱仪电连接的单光子计数器；所述光谱仪包括：光信号采集模块，用于收集待测试系统中的脉冲光源的光信号；分光模块，用于对所述光信号进行分光处理，并转化为第二电信号；信号增强模块，用于将所述第二电信号进行放大，得到第三电信号；所述单光子计数器用于：获取所述脉冲光源的第一电信号，以确定数据采集的起始位置，并采集所述第三电信号，从而获得所述脉冲光源一个脉冲内的的光谱信号。所述的高时间分辨的光谱检测设备，其中，所述光信号采集模块的型号为：AndorME-OPT-0007，北京卓立汉光仪器有限公司；和/或所述分光模块的型号为：AndorSR-500i-B1-R，北京卓立汉光仪器有限公司；和/或所述单光子计数器的型号为：StanfordResearchSystemsSR430。一种如上所述的高时间分辨的光谱检测设备的应用，将其用于检测等离子体放电系统中放电阴极的光谱信号。所述的应用，其中，检测前，采用标准汞光源对所述光谱检测设备进行波长校准。所述的应用，其中，选择253.65nm谱线作为所述光谱检测设备的校准波长。所述的应用，其中，所述等离子体放电系统包括脉冲电源，以及与所述脉冲电源电连接的放电阴极，还包括一示波器，所述示波器分别与所述放电阴极、所述单光子计数器电连接，用于实时显示所述放电阴极产生的第一电信号以及所述单光子计数器输出的所述脉冲光源的光谱信号。所述的应用，其中，所述脉冲电源为中频脉冲、射频脉冲、高功率脉冲或复合脉冲。所述的应用，其中，所述放电阴极为筒形阴极、平面阴极或柱状阴极。所述的应用，其中，所述放电阴极采用了辉光放电、辉光放电或复合放电的方法进行放电。所述的应用，其中，设定一脉冲幅度的阈值，所述脉冲光源的光谱信号中，当脉冲幅度小于所述阈值，为噪声，当脉冲幅度大于等于所述阈值，为光子脉冲。有益效果：本专利技术提供了一种如上所述的高时间分辨的光谱检测设备，包括光谱仪和单光子计数器，光谱仪对需要检测的位置进行收光和分光处理，并将光信号转化为电信号，再对电信号进一步放大并输出到单光子计数器中；单光子计数器采集放大后的电信号，并获得不同波长光的相对强度值，单光子计数器还用于获取脉冲光源的脉冲模拟信号，以确定数据采集的起始位置，从而获得所述脉冲光源一个脉冲内的光谱信号。本专利技术的光谱检测设备是一种结合了放大器与鉴别器的装置，集成了时钟和数据分析功能，能够跟踪脉冲放电等离子体演化过程的光谱信号，理论时间分辨率可达2ns，可研究普通光谱仪无法检测的等离子体瞬态过程。本专利技术的整套系统平台通过自主搭建完成，成本低且适用于多种脉冲放电模式。附图说明图1是本专利技术的高时间分辨的光谱检测装置的原理图。图2是本专利技术的高时间分辨的光谱检测装置的一种应用实例的原理图。图3是本专利技术实施例1中在Ar+N2气氛条件下测试得到的不同波长光谱随时间的变化关系图。具体实施方式本专利技术提供了一种高时间分辨的光谱检测设备及应用，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提供的高时间分辨的光谱检测设备的较佳实施例，如图1所示，包括光谱仪与单光子计数器，两者之间电连接；光谱仪包括：光信号采集模块、分光模块和信号增强模块。原理如图1所示，光信号采集模块对需要检测的位置进行收光，然后再通过光纤传导至分光模块进行分光处理，同时分光模块将光信号转化为电信号（第二电信号）；信号增强模块将分光模块输出的第二电信号进行增强放大得到第三电信号，并输入到单光子计数器中；单光子计数器首先获取脉冲光源的电信号（第一电信号），以确定数据采集的起始位置，然后采集信号增强模块输出的放大电信号（第三电信号），获得与不同波长光对应的相对强度值，从而获得所述脉冲光源一个脉冲内的的光谱信号。最终单光子计数器可以将采集到的信号通过GPIB数据传输装置传输至计算机。本专利技术的光谱检测设备是一种结合了放大器与鉴别器的装置，集成了时钟和数据分析功能，能够跟踪脉冲放电等离子体演化过程的光谱信号，理论时间分辨率可达2ns，可研究普通光谱仪无法检测的等离子体瞬态过程。本专利技术还提供了上述光谱检测设备的应用，例如将其用于检测等离子体放电系统中放电阴极的光谱信号，为更好地理解等离子体放电机制提供数据支持。较佳应用实施例如图2所示。等离子体放电系统包括脉冲电源，以及与脉冲电源电连接的放电阴极，放电阴极由脉冲电源控制，用于放电产生等离子体，作为激发光源，光通过光纤传导至光谱仪。其中，脉冲电源可以是中频脉冲（MF）、射频脉冲（RF）、高功率脉冲（HiPIMS）或复合脉冲，为放电阴极提供驱动；放电阴极可以是筒形阴极、平面阴极或柱状阴极，优选筒形阴极，可以采用了辉光放电、辉光放电或复合放电的方法进行放电。具体的，激发光源发出的光进入光谱仪后，由光谱仪主机内部的光学准直镜汇聚成平行光，然后通过衍射光栅色散为分开的波长，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高时间分辨的光谱检测设备，其特征在于，包括光谱仪，以及与所述光谱仪电连接的单光子计数器；所述光谱仪包括：光信号采集模块，用于收集待测试系统中的脉冲光源的光信号；分光模块，用于对所述光信号进行分光处理，并转化为第二电信号；信号增强模块，用于将所述第二电信号进行放大，得到第三电信号；所述单光子计数器用于：获取所述脉冲光源的第一电信号，以确定数据采集的起始位置，并采集所述第三电信号，从而获得所述脉冲光源一个脉冲内的的光谱信号。

【技术特征摘要】
1.一种高时间分辨的光谱检测设备，其特征在于，包括光谱仪，以及与所述光谱仪电连接的单光子计数器；所述光谱仪包括：光信号采集模块，用于收集待测试系统中的脉冲光源的光信号；分光模块，用于对所述光信号进行分光处理，并转化为第二电信号；信号增强模块，用于将所述第二电信号进行放大，得到第三电信号；所述单光子计数器用于：获取所述脉冲光源的第一电信号，以确定数据采集的起始位置，并采集所述第三电信号，从而获得所述脉冲光源一个脉冲内的的光谱信号。2.根据权利要求1所述的高时间分辨的光谱检测设备，其特征在于，所述光信号采集模块的型号为：AndorME-OPT-0007，北京卓立汉光仪器有限公司；和/或所述分光模块的型号为：AndorSR-500i-B1-R，北京卓立汉光仪器有限公司；和/或所述单光子计数器的型号为：StanfordResearchSystemsSR430。3.一种如权利要求1或2所述的高时间分辨的光谱检测设备的应用，其特征在于，将其用于检测等离子体放电系统中放电阴极的光谱信号。4.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴忠振，肖舒，刘亮亮，马正永，林海，潘锋，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44