CN102538968B

CN102538968B - 真空紫外半球反射率测试装置

Info

Publication number: CN102538968B
Application number: CN 201110450917
Authority: CN
Inventors: 李博; 王淑荣; 林冠宇; 黄煜; 王俊博
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2031-12-29
Also published as: CN102538968A

Abstract

一种真空紫外半球反射率测试装置属于真空紫外光谱传输测试领域，该装置包括氘灯光源、超环面镜、Seya-Namioka单色仪、准直反射镜、斩光器、内壁涂有荧光转换膜的荧光积分球、样品、漫透射滤光片、探测器、精密转台、波长驱动机构、数据采集系统、计算机和真空罐；本发明各光学元件均采用反射结构，分光系统采用Seya-Namioka单色仪，采用数值孔径较大的IV型消相差凹面光栅作为单色仪的分光器件，保证了真空紫外光谱能量的高效传输；探测器接收系统采用荧光积分球方案，避免了真空紫外光束在积分球内壁多次反射后能量损失过大，通过两种工作模式(样品/参考)实现了真空紫外半球反射率的绝对测量。

Description

真空紫外半球反射率测试装置

技术领域

本发明属于真空紫外光谱传输测试领域，涉及一种真空紫外半球反射率测试装置。

背景技术

真空紫外光谱测试技术近年来已经成为国际研究的热点，漫反射光学元件的半球反射率测试对提高真空紫外光谱技术研究具有重要意义。在可见与红外波段，半球反射率测量已经成熟，主要采用单色仪与积分球结合的测量方法。但在真空紫外波段，光谱传输效率低，且常用的积分球内壁材料无法使用。目前，真空紫外波段漫反射样品的半球反射率测量仍没有解决办法，这将严重制约真空紫外光学技术发展。

发明内容

为了解决真空紫外半球反射率无法准确测量的技术问题，本发明提供一种真空紫外半球反射率测试装置，单色仪采用Seya-Namioka结构，信号接收系统采用荧光积分球与探测器结合的结构。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

真空紫外半球反射率测试装置，包括氘灯光源、超环面镜、Seya-Namioka单色仪、第一准直反射镜、第二准直反射镜、斩光器、样品、漫透射滤光片、探测器、精密转台、数据采集系统、计算机和真空罐；所述Seya-Namioka单色仪包括单色仪入缝、波长驱动机构、凹面光栅和单色仪出缝；其特征在于，该测试装置还包括荧光积分球，所述荧光积分球包括荧光积分球开口、涂有荧光转换膜的积分球内壁和探测器开口；荧光积分球放置在精密转台上，精密转台精密控制荧光积分球转动的角度；探测器放置在探测器开口的后端，漫透射滤光片放置在探测器开口和探测器之间；斩光器、荧光积分球、样品、漫透射滤光片和探测器均置于真空罐内；数据采集系统与探测器连接，计算机分别与波长驱动机构、数据采集系统连接；氘灯光源发出的紫外光束经超环面镜成像于单色仪入缝，经单色仪入缝入射至凹面光栅，经凹面光栅分光会聚于单色仪出缝，经单色仪出缝的单色光入射至第一准直反射镜，经过第一准直反射镜和第二准直反射镜准直后的准直光入射至斩光器；计算机发送指令驱动精密转台，调整荧光积分球的角度，使经斩光器和荧光积分球开口的单色光照射到样品的中心位置，进入样品测量模式：真空紫外光束经过积分球内壁涂有的荧光转换膜后变为峰值波长为430nm的荧光辐射，该荧光辐射在积分球内壁多次均匀反射后到达探测器开口，经过漫透射滤光片到达探测器的接收窗口；探测器将接收的光信号转换为电信号后传送给数据采集系统，数据采集系统将接收的电信号传送给计算机；计算机再次发送指令驱动精密转台，调整荧光积分球的角度，使经斩光器和荧光积分球开口的单色光照射到样品附近的积分球内壁，进入参考测量模式，重复上述样品工作模式的过程；最后，由计算机计算样品工作模式与参考工作模式下的测量数据之比，得到样品的真空紫外半球反射率。

本发明的有益效果是：利用Seya-Namioka单色仪作为真空紫外单色光源的分光系统，采用法国JY公司IV型消相差光栅与反射式光学系统提高了真空紫外光谱传输能量；本发明突破常规方法，采用荧光积分球避免了真空紫外光束在积分球内壁多次反射造成的能量传输效率低的问题，巧妙利用荧光转换膜，使光谱传输效率高的荧光辐射在积分球内壁多次反射，通过样品/参考两种测量模式实现了真空紫外半球反射率的绝对测量。本发明不仅提高了能量传输效率，而且使真空紫外半球反射率测试成为了可能。

附图说明

图1是本发明真空紫外半球反射率测试装置的原理示意图；

图2是本发明的荧光积分球系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明的真空紫外半球反射率测试装置包括氘灯光源1、超环面镜2、Seya-Namioka单色仪、第一准直反射镜6、第二准直反射镜7、斩光器8、荧光积分球、样品10、漫透射滤光片13、探测器14、精密转台15、数据采集系统17、计算机18和真空罐19；所述Seya-Namioka单色仪包括单色仪入缝3、波长驱动机构16、凹面光栅4和单色仪出缝5；所述荧光积分球包括荧光积分球开口9、涂有荧光转换膜的积分球内壁11和探测器开口12；荧光积分球放置在精密转台15上，精密转台15精密控制荧光积分球转动的角度；探测器14放置在探测器开口12的后端，漫透射滤光片13放置在探测器开口12和探测器14之间；斩光器8、荧光积分球、样品10、漫透射滤光片13和探测器14均置于真空罐19内；数据采集系统17与探测器14连接，计算机18分别与波长驱动机构16、数据采集系统17连接，波长驱动机构16用于调整单色仪的输出波长，数据采集系统17用于采集探测器14的输出信号。

为了获得高精度测试结果，应确保各光学元件在同一平面内。为实现真空紫外光谱测试，系统中的光学元件与探测器均在真空系统内，真空度高于1.0×10-3Pa时，可对光源与探测器进行预热，预热时间约为20分钟。计算机18发送指令驱动精密转台15，调整荧光积分球的角度，使单色光照射到样品10的中心位置，计算机18发送指令给波长驱动机构16与数据采集系统17，实现样品测量模式的光谱扫描与数据采集；计算机18再次发送指令驱动精密转台15，调整荧光积分球的角度，使单色光照射到样品10附近的积分球内壁，计算机18发送指令到波长驱动机构16与数据采集系统17，实现参考测量模式的光谱扫描与数据采集，两次测量结果之比(样品模式/参考模式)为样品的半球反射率。

测量原理是：样品测量模式时，探测器14接收的光信号为φ₁(λ)·ρ(λ)·η₁(λ)·R₁(λ)，参考测量模式时，探测器14接收的光信号为φ₂(λ)η₂(λ)R₂(λ)，φ₁(λ)与φ₂(λ)表示两次入射到荧光积分球开口9的辐通量，φ₁(λ)≈φ₂(λ)；η₁(λ)与η₂(λ)表示两次测量时荧光膜的转换效率，由于荧光膜层厚度均匀，量子效率近似相等，所以，η₁(λ)≈η₂(λ)；R₁(λ)与R₂(λ)表示荧光辐射在荧光积分球内多次反射到达探测器14接收表面的转换效率，由于积分球入射开口面积占积分球内壁面积很小(＜3％)，所以，R₁(λ)≈R₂(λ)。由上述可知，两次测量结果之比近似为ρ(λ)。因此，样品10的半球反射率可通过两次测量结果求得。

积分球内壁11除样品位置外均涂有水杨酸钠荧光转换膜，厚度大于1.5mg/cm²。为保证两次测量荧光转换膜的量子效率相等，要求荧光膜在整个积分球内壁喷洒均匀；为了提高荧光辐射在积分球内壁11的传输效率，积分球内壁11采用了聚四氟乙烯基底，经测试，荧光辐射半球反射率高于92％；为保证样品反射的真空紫外光束直接照射到探测器14，在探测器开口12前放置漫透射滤光片13，透射滤光片13采用K9玻璃，消除真空紫外光束对测试结果的影响。

氘灯光源1采用的是英国Cathoden公司V03型氘灯，该光源光谱范围115nm～400nm，功率30W，工作电流300mA，工作电压约70V，触发电压500V。

本发明适用波长范围为115nm～200nm，单色仪采用法国JY公司数值孔径较大的IV型消相差光栅，光栅常数σ＝1200g/mm，光栅尺寸：面积40mm×45mm，入射臂长度200mm，出射臂长度187.9mm，入射光束与出射光束夹角64°，F数：4.2。

探测器14选用日本滨松公司R7378A型光电倍增管，高压电源输出电压为500-1100V，可按探测信号进行调整；前置放大器负责I-V转换，将探测的光信号转换为电压信号并进行放大，其零点纹波＜50mV；工作温度为-30℃～50℃。R7378A采用双碱光电阴极，探测器窗口为合成石英。光谱范围为160nm-650nm，峰值波长430nm。

经过实验验证，本发明能够满足真空紫外半球反射率测试要求，使漫反射样品在真空紫外波段半球反射率的测试成为可能。

Claims

1.真空紫外半球反射率测试装置，包括氘灯光源（1）、超环面镜（2）、Seya-Namioka单色仪、第一准直反射镜（6）、第二准直反射镜（7）、斩光器（8）、样品（10）、漫透射滤光片（13）、探测器（14）、精密转台（15）、数据采集系统（17）、计算机（18）和真空罐（19）；所述Seya-Namioka单色仪包括单色仪入缝（3）、凹面光栅（4）、单色仪出缝（5）和波长驱动机构（16）；其特征在于，该测试装置还包括荧光积分球，所述荧光积分球包括荧光积分球开口（9）、涂有荧光转换膜的积分球内壁（11）和探测器开口（12）；荧光积分球放置在精密转台（15）上，精密转台（15）精密控制荧光积分球转动的角度；探测器（14）放置在探测器开口（12）的后端，漫透射滤光片（13）放置在探测器开口（12）和探测器（14）之间；斩光器（8）、荧光积分球、样品（10）、漫透射滤光片（13）和探测器（14）均置于真空罐（19）内，样品（10）、荧光积分球、荧光积分球开口（9）三者的中心在一条直线上；数据采集系统（17）与探测器（14）连接，计算机（18）分别与波长驱动机构（16）、数据采集系统（17）连接；

氘灯光源（1）发出的紫外光束经超环面镜（2）成像于单色仪入缝（3），经单色仪入缝（3）入射至凹面光栅（4），经凹面光栅（4）分光会聚于单色仪出缝（5），经单色仪出缝（5）的单色光入射至第一准直反射镜（6），经过第一准直反射镜（6）和第二准直反射镜（7）准直后的准直光入射至斩光器（8）；计算机（18）发送指令驱动精密转台（15），调整荧光积分球的角度，使经斩光器（8）和荧光积分球开口（9）的单色光照射到样品（10）的中心位置，进入样品测量模式：真空紫外光束经过积分球内壁（11）涂有的荧光转换膜后变为峰值波长为430nm的荧光辐射，该荧光辐射在积分球内壁（11）多次均匀反射后到达探测器开口（12），经过漫透射滤光片（13）到达探测器（14）的接收窗口；探测器（14）将接收的光信号转换为电信号后传送给数据采集系统（17），数据采集系统（17）将接收的电信号传送给计算机（18）；计算机（18）再次发送指令驱动精密转台（15），调整荧光积分球的角度，使经斩光器（8）和荧光积分球开口（9）的单色光照射到样品（10）附近的积分球内壁（11），进入参考测量模式，重复上述样品工作模式的过程；最后，由计算机（18）计算样品工作模式下探测器（14）接收的光信号φ₁（λ）·ρ（λ）·η₁（λ）·R₁（λ）与参考工作模式下探测器（14）接收的光信号φ₂（λ）η₂（λ）R₂（λ）之比，得到样品的真空紫外半球反射率，其中，φ₁（λ）与φ₂（λ）表示两次入射到荧光积分球开口（9）的辐通量，η₁（λ）与η₂（λ）表示两次测量时荧光膜的转换效率，R₁（λ）与R₂（λ）表示荧光辐射在荧光积分球内多次反射到达探测器（14）接收表面的转换效率。

2.如权利要求1所述的真空紫外半球反射率测试装置，其特征在于，所述积分球内壁（11）涂的荧光转换膜为水杨酸钠荧光转换膜，厚度大于1.5mg/cm²。

3.如权利要求1所述的真空紫外半球反射率测试装置，其特征在于，所述积分球内壁（11）采用聚四氟乙烯作为基底。

4.如权利要求1所述的真空紫外半球反射率测试装置，其特征在于，所述探测器（14）为光电倍增管。