CN1025930C - 电场分布自动电光检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种电场分布自动电光检测装置，包括光路系统、光电探测器和锁相放大器，特征是设置了以微机控制的二维步进驱动系统，实现探测激光对被测样品的二维自动扫描，并从锁相放大器输入表征被测样品内电场强度的电压量，进行自动采集、处理、存贮、显示或曲线描绘。该装置测量灵敏度和扫描精度高，测量重复性好，缩短了测量时间，提高了效率，采用不同光源的光路系统和不同的检测方式，可测量不同的材料及其器件中电场分布及有关特性。
Description
本发明涉及电场分布的自动测量技术，具体地说，涉及电子、光电子材料和器件中电场分布及有关特性的自动电光检测装置。
电场和电位分布是电子和光电子材料及其器件的一个基本问题，它们的许多特性都与其密切相关。因此，对材料和器件特性深层次的了解必然会涉及到场分布的问题。
以往，没有合适的实验方法可用于电子和光电子材料及其器件中电场分布特性的直接测量，由发明人提出的连续波电光检测法，为其直接测量开辟了途径。实现该方法的测量装置是由激光器、准直物镜、1/4波片、聚焦物镜、被测样品、检偏器、分束器、光功率计、光电探测器、锁相放大器、红外摄像仪组成。由于研究的是电场、电位的分布特性，故而每一分布特性曲线的获得均需作多次的测量。用这样的装置，测量时间长，操作不方便，测量的精度和重复性均不理想，即使测量完毕，处理数据和描绘曲线又要耗费许多时间，这些问题的存在，显然严重地妨碍了该方法的应用向实用化前进。
鉴此，本发明的目的旨在提供一种自动测量电子、光电子材料和器件中电场分布及其有关特性的电光检测装置。
本发明的目的是这样来实现的：设置了以微机为主体的数据采集、处理系统和二维步进驱动系统，微机控制驱动电路及机械传动机构组成的二维步进驱动系统带动样品架，使固定在样品架上的被测样品，相对于激光器发出的探测激光束作预先设置的二维自动步进移动的同时，微机将锁相放大器输出的，表征被测样品内电场强度的电压量，进行自动采集、处理、存贮，由微机的终端记录设备进行屏幕显示或进行曲线描绘。
本发明由于采用了以微机控制的数据采集、处理系统，及二维步进驱动自动扫描系统，因此具有扫描精度高，最小步距达1.25μm，最大扫描量程为15mm;电测量灵敏度优于1μv;大大缩短了完成一次测量所需时间，提高了工效;测量重复性好，避免了手动测量产生的人为误差;采用不同光源的光路系统和不同的检测方式，可测量不同的材料及其器件中的电场分布及有关特性。
下面结合附图详细描述本发明最佳方案。
图1a和图1b是本发明的原理框图;
图2是二维步进机械驱动自动扫描系统的原理框图;
图3是步进驱动电路的原理图;
图4是数据采集处理系统的原理框图;
图5是铌酸锂定向耦合器平行加电压时测得的电极间电场分布的曲线图。
本发明工作的基本物理原理是基于电光晶体的线性电光效应。在实验中，根据测量对象和要求的不同，在工作原理上，既可利用纵向电光效应（探测光传播方向与待测电场方向一致），又可利用横向电光效应（探测光传播方向与待测电场方向正交）;在检测方式上，或是采取反射测量模式，如图1a所示，或是采取透射测量模式，如图1b所示。
本发明主要包括三个部份：光路系统、二维步进驱动系统和数据采集、处理系统。
（1）光路系统
如图1a所示的反射测量光路电光检测系统示意图中，激光器1发出的探测激光经准直物镜2准直后，通过偏振器3、分束器4和聚焦物镜5，会聚在样品架上被测样品（材料或器件芯片）6表面入射进入样品。为避免探测激光被测样品6吸收，应选择探测激光波长大于被测样品6材料禁带宽度相对应的波长，在图1a中，被测样品6中被激励电场调制过的探测激光，由被测样品6后表面反射，由原光路返回，经过分束器4转向探测光路部分。分束器7、透镜8和电视摄像机9构成的成像系统，使被测样品6和探测激光束图像清晰地显示在电视屏幕上，以监控测量位置。分束器10、聚焦物镜11和光电接收器及其放大电路12组成探测激光强度测量电路，其输出端接入数据采集、处理系统25，用于测得的电场电光信号对探测光功率的归一。分束器10设置在滤光片19和1/4波片13之间，它使探测激光分出射向聚集物镜11被测样品6内电场调制后反射回来的探测激光，经过1/4波片13、检偏器（其偏振方向与探测激光偏振方向，即偏振器3的偏振方向正交）14后，其偏振变化将转变为光强度的变化，基于电光效应，在一般实验条件下，这种转换是线性的。然后通过聚焦物镜15，由光电探测器16所接收，进行光电变换，输出的电信号进入锁相放大器17，最后输出与被测样品6内部电场强度成正比的电光信号，至数据采集与处理系统25。由终端记录设备26显示或描绘测量结果。
在图1b所示的透射测量光路电光检测系统示意图中，被激励电场调制过的探测激光聚焦透过的被测样品6后，先由准直物镜5b准直为平行光束，再经分束器4分束，透射部分经透镜8和电视摄像机9，使被测样品6和探测激光束图像清晰地显示在电视屏幕上，以监控测量位置，而由分束器4反射的探测激光束则进入探测光路，以后的过程同前反射光路。
反射、透射两种光路中，被测样品6内部电场的激励均由激励电路18所提供。
当被测样品6是自身发光的有源光电子器件时，在光路中，应分别在分束器4之后和聚焦物镜5之前，设置专门设计的滤光片19、20，以排除被测器件自身发光对测量结果带来的影响，以及避免对探测激光器1可能产生的影响。
（2）二维步进驱动系统
这是由微机控制的二维步进自动扫描系统，本系统包括驱动电路21、23和步进机械传动机构22、24，其原理如图2所示。步进机械传动机构22、24分别由步进电机44、45和螺旋测微式机械传动机组成。步进电机44、45以四相双拍或者四相八拍的方式工作，步距角为1.8°或0.9°。在测试过程中，固定在样品架上的被测样品6在X、Y方向步进移动，来实现激光束对被测样品6的扫描。放大电路32、33的输入脉冲，在手动时由调速电路27、时钟脉冲产生电路28、脉冲分配器29，再经控制电路31产生给定相序、速度可调的脉冲信号;在微机控制状态下，由微机软件控制微机输出门30至控制电路31，完成给定脉冲的输出。放大电路32、33输出推动步进机械传动机构22、24，使样品架在二维方向作进、退、行、止等动作。电源34提供所有电路的工作电压。上述电路所有逻辑功能均由发光二极管显示。
图3中，集成电路IC1、电容C1～C4、电阻R1～R5、波段开关K1组成了时钟脉冲产生电路28和手动调速电路27.IC1是555时钟脉冲发生器，K1、C1～C4为速度粗调，R1为速度细调双层电位器，电容C5为滤波电容旁路来自电源的噪声或纹波电压。集成电路IC4～IC13组成了脉冲分配器29和控制电路31.IC4～IC12均为与非门电路组成控制信号产生电路以完成进、退、行止功能.IC13是TTL双向移位串并行送数寄存器与控制信号产生电路相配合，完成脉冲的分配。输入由电阻R12～R39、晶体管BG1～BG12、二极管D1～D8组成的
四路三级放大电路32（为省略起见，同样的放大电路33未画出）。其中晶体管BG1、BG4、BG7、BG10为射随电流放大级，使整个放大电路与输入门电路能达到最佳匹配。晶体管BG3、BG6、BG9、BG12采用大功率管，电机绕组A、B、C、D串接于集电极回路，调节限流电阻R36～R39，使流经电机绕组上的电流达到额定值。集成电路IC2、IC3，整流桥堆D×4，二极管D9和D10，电容C6～C9组成驱动电路电源电路34，输出二组直流电压。变压器次级出来的12V交流电压经整流桥堆D×4和电容C6、C7整流滤波，一路由集成稳压电路IC2出来经晶体管BG13扩流输出9V稳压直流供放大电路中各级直流偏置用。另一路径由集成稳压电路IC3输出5V稳压直流供电路中各集成电路块的电源之用。开关K2作手动驱动和微机驱动切换之用。当切换至微机控制时，由微机输出门30与微机联系。由微机软件控制输出一系列的给定相序，速度的脉冲信号及控制信号。K3为手动行、止开关，K4为左行、右行控制开关。
（3）数据采集、处理系统
载有被测样品6中电场信息的激光信号，经光电探测器16进行光电变换后，由锁相放大器17输出与被测样品6内电场强度成正比的电压量。该电压量输至以微机为主体的数据采集处理系统25，完成一系列数据采集处理、存贮、显示等功能，并同时控制二维步进驱动系统，对被测样品6进行逐点扫描检测，输出测得的数据至终端记录设备26，显示或/和描绘测量结果，从而实现了测量的自动化。数据采集处理系统25的主体为一台AT286PC机41，电路主要由三部分组成，即模数转换、译码电路和并行接口电路，其原理框图如图4所示。锁相放大器17和激光强度测量放大电路12输出的电压、相位等信号，由模拟开关35选通进入A/D转换电路36，将模拟信号转为数字信号，输出至接口电路37;A/D转换电路36的参考电压由高精度的基准电压产生电路38供给。锁存器39为A/D转换结束信号暂且锁存之用。译码电路40对AT286PC机41的部分地址线和控制线进行译码，输出的控制信号作为并行接口电路37的选通信号。电路和AT286PC机41的接口是并行接口，通过软件送控制字，实现读入A/D转换后的数据，控制二维步进驱动系统，以及控制模拟通道的选择。AT286PC机41在终端设备26的显示器42上显示数据和绘制相应的图形。测试完毕存盘，由终端设备26的打印机43打印出数据和绘出图形。
本发明既可采用反射光路，又可采用透射光路，即可用于可见光，又可用于红外电光检测，因此，适合于多种电子、光电子材料和器件的测试。例如，对铌酸锂（LiNbO3）材料及其器件使用波长为0.6328μm的He-Ne激光器作探测光源;对砷化镓（GaAs）材料及其器件，则使用波长为1.3μm的InGaAsP半导体激光器作为探测光源。现仅以波导器件测试结果为例作一说明。图5所示为LiNbO3定向耦合器样品，平行加电压时测得的电极间场分布的曲线图。其电极间距为60μm，电场激励信号为10KHz正弦波，激励电压振幅Vpp分别为3.8V、3.2V、2.6V、2.0V和1.4V。每条测试曲线行程均为480μm，经192个测试取样点所得到的曲线族，反映了电极间X方向电场分量，随外加激励电压大小成比例变化，这与理论分析完全一致。
Claims (6)
1、一种电场分布自动电光检测装置，包括激光器[1]、准直物镜[2]、滤光片[20]、分束器[4]、聚焦物镜[5]，固定在样品架上的被测样品[6]、分束器[7]、透镜[8]、电视摄像机[9]、滤光片[19]、1/4波片[13]、检偏器[14]、聚焦物镜[15]、光电探测器[16]、锁相放大器[17]、激励电路[18]，本发明的特征在于设置了一个以微机为主体的数据采集、处理系统[25]和一个二维步进驱动系统，驱动样品架作二维步进移动的是微机控制的二维步进驱动系统，微机对锁相放大器[17]输入的表征被测样品[6]内电场强度的电压量，进行自动数据采集、处理、存贮、最后进行屏幕显示或进行曲线描绘的是微机的终端记录设备[26]。
2、根据权利要求1所述的电场分布自动电光检测装置，其特征在于滤光片[19]和1/4波片[13]之间，可以设置一个由分束器[10]、聚焦物镜[11]、光电接收器及其放大电路[12]组成的探测激光强度测量电路，使探测激光分出射向聚集物镜[11]的为设置在光路中的分速器[10]，探测激光强度测量电路的输出端接数据采集、处理系统[25]。
3、根据权利要求1或2所述的电场分布自动电光检测装置，其特征在于准直物镜[2]和滤光片[20]之间，可以增设一个偏振器[3]，使检偏器[14]的偏振方向与其偏振方向正交。
4、根据权利要求1或2所述的电场分布自动电光检测装置，其特征在于二维步进驱动系统是由驱动电路[21、23]及步进机械传动机构[22、24]组成。
5、根据权利要求3所述的电场分布自动电光检测装置，其特征在于二维步进驱动系统是由驱动电路[21、23]及步进机械传动机构[22、24]组成。
6、根据权利要求3所述的电场分布自动电光检测装置，其特征在于二维步进驱动系统是由驱动电路[21、23]及步进机械传动机械[22、24]组成。
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