CN102109380A - 一种开放式低温高分辨激光光谱测试系统 - Google Patents

Abstract

一种开放式低温高分辨激光光谱测试系统，主要由泵浦光源模块、低温光学恒温器模块、高分辨单色仪模块、荧光寿命测试模块、微弱信号探测模块等组成。其特征在于该系统采用了开放式和模块化的设计思路，与传统的光谱测试系统比，该系统具有如下优点：1.各个功能模块间采用反射镜、透镜等光学元件柔性的结合在一起，整个系统是开放式的，因此具有很好的功能扩展性，新的功能模块能够方便的加入该系统中。2.该系统具有多种测试功能，除了常规的下转换荧光谱、激发谱以及微毫秒荧光寿命，该系统还能对样品在低温下的上转换荧光谱、上转换荧光寿命、皮秒短寿命等进行测试，且光谱分辨率最高可达0.006nm。

Description

一种开放式低温高分辨激光光谱测试系统

技术领域

本发明属于光谱辐射测试领域，具体涉及一种开放式低温高分辨激光光谱测试系统。

背景技术

光谱仪是一种重要的科学仪器，在物理、化学、材料、生物和医学等领域均有着重要的应用，如(1)重元素光物理和光化学；(2)激发态物理、晶格弛豫动力学和化学反应动力学等；(3)晶体光谱学、半导体光谱学、荧光和激光光谱学等；(4)光伏器件研发、发光和显示材料研发、纳米材料研发、生物医学诊断及检测；(5)生物、药物、化学化工、环保等领域中痕量物质的定量分析等。其基本原理即是利用光栅等分光器件将被测物体发出的光从空间上按波长分开，并依次入射到电倍增管等光电传感器件上，光电传感器则同时记录下该波长光的发光强度，从而最终获得该材料的光谱学信息。对于光致发光材料，通常使用氙灯或者激光器作为泵浦光源。

目前商品化的光谱仪均采用一体化的设计思路，如英国Edinburgh公司的FLS920型光谱仪，它将泵浦光源，光栅分光器，样品室以及探测器等集成固定在一起，因此具有结构紧凑、易于使用的优点。但是，一体化的设计思路也存在其弊端，主要就是系统的扩展性差、功能较单一且光谱分辨率低。然而，目前光电子材料的飞速发展对光谱仪提出了更高的要求，以纳米光电子学为例，许多新颖的光学性能和物理效应都要求在很低温度(如＜4K)下观察，由量子限域效应导致的一些精细谱线分裂或振动光谱需要高分辨的单色仪和窄线宽的激发激光来探测，表面效应引起的快速弛豫和激子复合发光还需要结合超快激光光谱手段来测试。所有这些都对光谱仪提出了更高的要求，总体而言，新一代光谱仪应朝着低温、高分辨、多功能以及可扩展的方向发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种开放式低温高分辨激光光谱测试系统，其结构示意图如图1所示，它包括泵浦光源模块、低温光学恒温器模块、高分辨单色仪模块、荧光寿命测试模块、微弱信号探测模块等，用于各种光功能材料(晶体、固体粉末和溶液等形式)的低温高分辨光谱和光电子学性能测试。它和常规一体化设计的光谱仪相比，具有低温、高分辨、多功能以及可扩展的优点。

所述系统采用开放式和模块化的设计思路，泵浦光源、待测样品和各个功能模块间均通过反射镜和透镜等光学器件软性耦合在一起，各个模块间可相互移动和重新组合，便于新功能模块的添加。

上述系统中泵浦光源模块由各类激光器以及氙灯等光源组成。

上述系统中低温光学恒温器的主要功能为在一定温度范围内改变和控制样品的温度。

上述系统中高分辨单色仪的的作用是将样品发出的光通过光栅等分光器件按波长分开并依次进入出射狭缝。

上述系统中荧光寿命测试模块由皮秒短寿命和微毫秒寿命两部分组成，对于皮秒短寿命的测量，采用多通道快响应光电倍增管结合时间分辨单光子计数技术；而微毫秒寿命测量则采用多通道定标技术结合光电倍增管以及固体探测器结合示波器技术。

上述系统中微弱信号探测模块主要由光电倍增管和固体探测器组成，分别实现对紫外可见和近红外光的探测。

该系统具有很好的可扩展性，新的功能模块能很方便的与现有的系统耦合在一起，实现多种功能，如稳态荧光谱、激发谱；皮秒寿命，微毫秒寿命；上转换寿命；时间分辨光谱等的测量，且具有很高的分辨率和大的温度调节范围。

附图说明

图1开放式低温高分辨激光光谱测试系统结构示意图

图2钛宝石激光980nm激发下，Yb³⁺，Er³⁺双掺NaGdF₄纳米晶的上转换荧光谱

图3钛宝石激光808nm激发下，Nd³⁺:YVO₄晶体的下转换荧光谱

图4钛宝石激光360nm激发下，AlGaInP薄膜在3.2K下578nm发射荧光衰减曲线

图5钛宝石激光360nm激发下，GaInP薄膜在室温下656nm发射荧光衰减曲线

图6OPO激光980nm激发下，Yb³⁺，Tm³⁺，Ho³⁺三掺含YF₃纳米晶玻璃陶瓷的478nm上转换荧光发射的衰减曲线

图7OPO激光808nm激发下，Nd³⁺:YVO₄晶体1064nm发射的荧光衰减曲线

具体实施方式

本发明涉及的开放式低温高分辨激光光谱测试系统由激发光源模块、低温光学恒温器模块、高分辨单色仪模块、荧光寿命测试模块、微弱信号探测模块以及相应的控制软件等组成。

如图1的结构示意图所示，泵浦光源发出的光经过反射镜和透镜聚焦在待测样品上，样品发出的光同样经过反射镜和透镜的组合被引入至高分辨单色仪、荧光寿命测试模块、微弱信号探测模块等各个功能模块。根据该系统结构，采用不同的激发光源并结合对应的探测技术，即可实现多种光谱分析的功能。

根据该结构，激发光源模块可采用皮秒钛宝石激光器和倍频器，纳秒OPO激光器，氙灯，纳秒染料激光器等光源，以满足各种测试的不同要求。

根据该结构，低温光学恒温器可以采用带有光学窗口的低温装置，具体温度调节范围可根据需求配置。

根据该结构微弱信号探测模块可采用高分辨单色仪分光，并用光电倍增管、固体探测器以及锁相放大器等实现对微弱信号的探测。

根据该结构，皮秒短寿命测试模块可采用多通道快响应光电倍增管结合时间相关单光子计数技术。

根据该结构，微毫秒寿命测试模块可采用光电倍增管结合多通道时间定标技术以及固体探测器结合示波器技术。

根据该结构，其它新的功能模块可采用前述类似的方法耦合到现有系统上，实现系统功能的扩展。

实施例1：微弱信号探测模块

采用光谱物理公司皮秒钛宝石激光器和国产氙灯作为激发光源，高分辨单色仪为Jobin-Yvon公司1000M型单色仪，最佳分辨率可达0.006nm。紫外可见探测器采用R943-02型光电倍增管，近红外探测则采用InGaAs固体探测器结合锁相放大器。低温光学恒温器为Janis公司SHI-950型，温度调节范围为3-300K。如图1所示，激光经过反射镜和透镜后聚焦在低温光学恒温器中的待测样品上，样品发出的荧光经透镜收集后进入单色仪入射狭缝，并经光栅分光后进入探测器，探测器可根据需要选择光电倍增管或者固体探测器。单色仪的控制和探测器的信号处理均由计算机进行。图2为980nm钛宝石激光激发下，Yb³⁺，Er³⁺掺杂NaGdF₄纳米晶的上转换荧光光谱，探测器为光电倍增管。图3为808nm钛宝石激光激发下，Nd³⁺:YVO₄晶体的下转换荧光谱，探测器为InGaAs固体探测器。

实施例2：皮秒短寿命测试模块

采用光谱物理公司的皮秒钛宝石激光器及倍频器作为激发光源，探测器为R3809U-50型多通道快响应光电倍增管，探测光谱范围为200-850nm；数据采集为TCC900型时间相关单光子计数卡；单色仪为Seya-Namioka 100mm单色仪。测试样品为AlGaInP薄膜和GaInP薄膜，放置在低温恒温器中。钛宝石激光器输出波长为720nm，经倍频器倍频后得到360nm激光输出，激光经反射镜和透镜后聚焦在样品上，样品荧光再经反射镜和透镜导入至单色仪分光，最后到光电倍增管。图4为在3.2K低温下测得的AlGaInP薄膜578nm荧光衰减曲线，拟合得到的寿命为330皮秒。图5为在室温下测得的GaInP薄膜656nm荧光衰减曲线，拟合得到的寿命为11皮秒。

实施例3：微毫秒寿命测试模块

采用纳秒OPO激光器作为激发光源，对于紫外可见光谱范围，探测器为R943-02型光电倍增管，数据采集为多通道时间定标卡，单色仪为Jobin-Yvon公司1000M型高分辨单色仪。图6为用该模块测试的Yb³⁺，Tm³⁺，Ho³⁺三掺含YF₃纳米晶玻璃陶瓷的上转换荧光衰减曲线，激发波长为980nm，发射波长为478nm，拟合得到的寿命为0.252毫秒。对于近红外光谱范围，探测器为InGaAs固体探测器，数据采集为示波器。图7为用该模块测试的Nd³⁺:YVO₄晶体1064nm的荧光衰减曲线，激发波长为808nm，拟合得到的寿命为0.113毫秒。

Claims (7)

1.一种多功能开放式激光光谱测试系统，包括泵浦光源模块、低温光学恒温器模块、高分辨单色仪模块、荧光寿命测试模块、微弱信号探测模块。

2.按权利要求1所述的激光光谱测试系统，其特征在于采用开放式和模块化的设计思路，各个模块间通过反射镜和透镜等光学元件进行柔性的耦合，模块间可相互移动和重新组合。

3.按权利要求1所述的激光光谱测试系统，其特征是：泵浦光源模块由氙灯、皮秒钛宝石激光器、纳秒OPO激光器、纳秒染料激光器等多种激发光源组成。

4.按权利要求1所述的激光光谱测试系统，其特征是：待测样品放置在低温光学恒温器中，可在3-300K调节样品的温度，光学恒温器有多个光学窗口。

5.按权利要求1所述的激光光谱测试系统，其特征是：采用高分辨单色仪作为分光计，最高分辨率可达0.006nm。

6.按权利要求1所述的激光光谱测试系统，其特征是：采用多通道快响应光电倍增管结合时间相关单光子计数技术测量皮秒短寿命。

7.按权利要求1所述的激光光谱测试系统，其特征是：采用光电倍增管结合多通道时间定标卡测量微毫秒荧光寿命。

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