CN103424389A - 一种测量荧光粉的pl光谱及ple光谱的测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量荧光粉PL光谱及PLE光谱的测试系统，该测试系统引入了双重调制，包括飞秒激光器、锁相放大器、光栅光谱仪、光功率计和光路器件。其中，光路器件包括反射镜、透镜、衰减片和分束镜。所述飞秒激光器出射的激光分成两路，一路通过透镜聚焦在样品上，使被测样品产生的荧光通过凸透镜聚焦在光谱仪入射狭缝处，进入光谱仪，另外一路通过光功率计探测。锁相放大器的信号输入端与PMT探测器的输出端相连，参考信号输入端与飞秒激光器的TDG输出端相连，输出端与电压变换器相连，变换器与光栅光谱仪中的电子学系统相连。本发明通过电脑调节光学参量放大器，得到200nm～2000nm连续可调的单色光，同时在信号检测中增加锁相放大和解调过程，用于提高荧光粉PL光谱的测试精度。

Description

一种测量荧光粉的PL光谱及PLE光谱的测试系统

技术领域

本发明涉及荧光粉参数测量设备的技术领域，具体涉及一种用于测量荧光粉的PL光谱及PLE光谱的测试系统。

背景技术

自1996年中村修二发明第一个白光LED以来，新型LED用荧光粉层出不穷，其结构从比较成熟的铝酸盐荧光粉到硅酸盐、氮化物、氮氧化物、硅酸盐等荧光粉，其光谱由最早期的550nm拓展到整个可见光范围，白光LED从蓝光LED+YAG黄色荧光粉形成白光的方案发展到采用紫光LED+RGB三色荧光粉、蓝光LED+黄绿二色荧光粉等多种形式，所形成的白光LED的显色指数及光视效能越来越高，并且已经实现的商品化及应用于众多领域，随着荧光粉理论及材料生长技术的进步，一些新型的荧光粉材料越来越适用于制备白光LED。

对于荧光粉材料，评价其性能及了解其内部发光机理的重要且不可或缺的手段是测量荧光粉的PL及PLE光谱。

PL：photoluminescence，为光致发光谱；而PLE：photoluminescence excitation；为激发光谱。PL是指采用某一特定波长的光去激发荧光粉，用光谱仪等设备探测到的荧光粉发出的光就是光致发光谱；PLE是指当改变激发光源的波长时，能够得到不同的PL光谱，通过比较得到的这些光谱的峰值波长处的能量及考虑不同波长激发光源的影响，所画出的光谱，横坐标是激发光源的波长，纵坐标是强度的相对值。

荧光粉的PL光谱的测量中采用小于荧光发射波长的波长进行激发。同时采用光谱学方法测量荧光粉在该波长下的PL谱，据此获得该种荧光粉的发光性能及其谱特征，此种方法对于研究荧光粉发光原理及荧光粉制备方面有重要用途，被广泛应用于分析荧光粉的结构及发光原理，此种方法在荧光粉材料及荧光粉应用领域已经应用数十年，取得了很好的效果，但是仍然存在一些不足之处，例如在研究荧光粉浓度很低时，发出的荧光较弱，这就给测量带来一些麻烦，一些测试系统常不能胜任，现在常用的荧光粉PL及PLE测量设备一般采用氙灯作为光源，由于氙灯在450～480nm范围内光谱发生波动，使得在该段区域内的PLE光谱发生波动，且当前所用的蓝光LED芯片的发光范围一般处于此范围之内，这就使得在制备白光LED时，无法实现芯片与荧光粉的最优化选择。

现有技术中，如中国专利申请CN 201010262884.X所述的测试系统，其目的是用于测量测试半导体器件的PL光谱，具有较大的局限性；其各个部件所组成的这个测试系统，灵敏度方面和信噪比方面仍然存在不足，既无法满足多样化荧光粉测试的测试需求，也无法达到更高的灵敏度和信噪比要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量灵敏度更高、测量结果信噪比更低的荧光粉的PL光谱及PLE光谱的测试系统。

为实现本发明目的所采用的技术方案：一种测量荧光粉的PL光谱及PLE光谱的测试系统，包括飞秒激光器、锁相放大器、光栅光谱仪、光功率计和监控终端，包括光学参量放大器，光学参量放大器用于调节飞秒激光器所输出激光的光频率；包括分束镜，飞秒激光器所输出的激光经过光学参量放大器调节后，入射到分束镜上，经过分束镜分为两路激光，其中一路激光入射在待测荧光粉样品上，另一路激光由光功率计接收；待测荧光粉样品受激光激发出荧光，该荧光经聚焦后入射到光栅光谱仪中；光栅光谱仪的信号输出端设有光电倍增管，光电倍增管与锁相放大器的信号输入端连接；锁相放大器的参考信号输入端与飞秒激光器中的TDG连接，锁相放大器的信号输出端连接有电压变化器；电压变化器与光栅光谱仪中的电子学系统连接，电子学系统与监控终端连接；所述光功率计与监控终端连接。

本发明的测试系统，用于测量荧光粉的PL光谱及PLE光谱，所述的飞秒激光器的光频率可调，通过其后的光学参量放大器调节出不同的激发波长；所述的飞秒激光器输出的调制激光经过分束镜分束后，一路光路入射在荧光粉样品上，被测样品产生的荧光聚焦在光栅光谱仪入射狭缝处，从而进入光栅光谱仪，所述的光栅光谱仪中的探测器为光电倍增管(PMT)，PMT测得的值直接送入锁相放大器的信号输入端；所述的锁相放大器的参考信号输入端与飞秒激光器的TDG相连,(TDG是time delay generator，为延时发生器，用于实现同步。），输出端与电压变化器相连，最后输出的结果与光栅光谱仪中的电子学系统相连；另一束光路由光功率计接收信号，并将光功率计测得的信号实时传输给监控终端，能够对荧光粉的PL光谱进行实时控制。

本发明中的光学参量放大器优选光谱物理公司生产的Topas系列光学参量放大器。

发明加入分束镜和光功率计对测试样品进行反馈调节，达到使得测试光的光功率稳定的要求，尽量减小光源波动所带来的测试误差，进一步提高测试灵敏度，提高测量系统的灵敏度能够探测到更微弱的信号。

优选的，所述的锁相放大器的时间常数，于所述飞秒激光器的调制频率所对应的周期，小于所述飞秒激光器的调制频率所对应的周期的200倍。

调制频率是指飞秒激光器中的振动晶体的振动频率。调制频率所对应的周期是指：震荡晶体的频率所对应的周期，关系为T=1/2πf，其中f为震荡频率。

优选的，所述的电压变换器为正负电压转换器件。

电压变换器是将锁相放大器产生的电压信号变为大小相同，符号相反的电压的一种转换器件。能够最大限度的放大荧光信号，提高检测微弱信号的能力。

优选的，还包括衰减片，设于光学参量放大器和分束镜之间；还包括反射镜，用于改变飞秒激光器所输出激光的光路方向；还包括第一透镜和第二透镜，第一透镜设于荧光粉样品和分束镜之间，用于将激光聚焦到荧光粉样品上，第二透镜设于荧光粉样品和光栅光谱仪之间，用于聚焦荧光粉样品受激发出的荧光。

优选的，所述的飞秒激光器为飞秒染料激光器、飞秒固体激光器、飞秒半导体激光器或飞秒光纤激光器。

飞秒激光器的优势：飞秒激光器的光谱半高宽可以很小，可以调节到几～十几nm，且其能量更加集中，在测量荧光粉的PLE光谱中可靠性更好。

优选的，所述飞秒激光器输出的激光经过光学参量放大器调节后，激光的波长落于200nm至2000nm的范围之内。

优选的，所述监控终端为电脑。在本方案中将电脑设为监控终端，别的设备不适合作为终端使用。光功率计的可以通过A/D转换器转变为数字信号，然后输入电脑。

优选的，所述的光功率计为硅基或InGaAs基的光功率计。硅基或InGaAs基的光功率计是采用半导体光电检测方式，利用半导体PN结的光电效应，其响应度高，测量光谱范围宽。

本发明与现有的技术相比有以下优点及技术效果：本发明采用飞秒激光器作为光源，通过光功率计反馈调节，使得所测光谱保持恒定，且形成的单色光的光谱半宽度较窄，以此光源作为激发光源时，测量精度更高，同时在信号检测中加入了锁相放大器和解调，能够提高荧光粉发射荧光的测量灵敏度，并且整个系统直接固定在光学平台上，光路调节可以通过激光器的准直性进行调节，十分方便。

附图说明

图1为本发明实施例测试系统的结构示意图；

图2为本发明实施例测试系统的工作原理示意图；

图3为采用本发明测试系统对YAG黄色荧光粉进行测试的结果图；

图4为采用本发明测试系统对R6733黄色荧光粉进行测试的结果图；

图5为采用现有技术单调制测试系统测得的YAG及R6733的PL光谱的测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1中的标号为：

飞秒激光器1，以及展宽器11、spitfire Ace放大器12、压缩器13、MaiTai种子源、泵浦源15、TDC 16、TCU 17和光学参量放大器18；

反射镜21、衰减片22、分束镜23、凸透镜24、待测荧光粉样品25、凸透镜26；

光栅光谱仪3、光栅光谱仪入射狭缝31、准直反射镜32、步进电机33（用于控制光栅的转动）、聚焦反射镜34、光电倍增管(PMT)35、电压变换器37、电子学系统38、电脑39（中央控制系统）；

锁相放大器4、光功率计5。

本实施例的一种采用双调制方案测量荧光粉的PL及PLE光谱测试系统，如图1所示，包括飞秒激光器、锁相放大器、光栅光谱仪、光功率计和光路元件，所述的光学元件包括反射镜、透镜、衰减片和分束镜，并构成测试光路；所述的飞秒激光器的发光频率可调，通过光学参量放大器进行光谱调节，得到不同波长的单色光；所述的飞秒激光器发出的调制激光经过所述的反射镜转换方向，衰减片衰减光强，分束镜分束，一路光束通过透镜聚焦在荧光粉样品上，所述的被测样品产生的荧光通过透镜聚焦在光栅光谱仪的入射狭缝处，进入光谱仪，所述的光栅光谱仪中的PMT探测器接收光谱仪中的信号，并将PMT的输出端与所述的锁相放大器的信号输入端相连，所述的锁相放大器的参考信号输入端与飞秒激光器中的TDG端相连，输出端与自制的电压转换器相连，所述的电压转换器与光栅光谱仪中的电子学系统相连，另一路光束通过光功率计测量光功率，对测试光谱进行实时调节，得到比较精确的PL荧光光谱。

本实施例中的待测荧光粉样品，通过将荧光粉与硅胶混合后抽气泡，在K9玻璃表面成膜；荧光粉样品可选为铝酸盐YAG黄色荧光粉、硅酸盐0590橙红色荧光粉、稀土氮化物R6733红色荧光粉或其他类型的荧光粉。

图1中，本发明测试系统各个部分的功能介绍为：

飞秒激光器：产生4.2w，800nm波长的激光；

光学参量放大器：对飞秒激光进行调制，得到不同波长的单色光，调制精度为0.1nm；

MaiTai种子源：产生800nm，带宽为60nm的激光；

泵浦源：为激光的产生提供泵浦，实现激光放大；

TDG：用于实现同步；

TCU：用于降低增益介质的温度；

衰减片：用于降低激光能量；

分束镜：用于生成反射和透射两束激光，一束用于荧光粉的激发，另一束用于做参考探测；

光功率计：测量反射光束的激光能量；

光谱仪：光谱仪中存在光栅，通过步进电机空中光栅的转动，实现不同波长的光扫描，将信号通过PMT光电倍增管，放大后送入电脑。

锁相放大器：通过锁相环的锁相功能，使参考输入和信号输入的相位保持恒定。参考输入和信号输入通过相乘器和低通滤波器，能够得到稳定的输出，且输出与信号输入成正比。

电压变化器：正负电压转化装置，用于将得到的负信号转化为正的信号。

本发明应用的前提是所使用的光源为飞秒激光器，激光器的发光频率固定为1KHz，通过光学参量放大器可以很方便的得到所需要波长的单色光，光的调节范围覆盖整个可见光区，能够满足LED用荧光粉的激发光谱范围。采用飞秒激光器的双调制方案一直未曾应用到测量荧光粉的PL及PLE光谱，这主要因为飞秒激光器的出现较晚，第一台飞秒激光器发明于上世纪90年代，且与其配套的泵浦光源的也经历了一个漫长的发展过程。

本发明采用飞秒激光器作为光源，一方面是由于其通过光学参量放大器调节后得到的单色光的光谱半宽度较窄，一般<10nm，输出的功率也能够满足要求，且与传统的氙灯、氘灯及汞灯相比，飞秒激光的聚焦光斑更小，更利于荧光的收集；另一方面，飞秒激光器在可见光波段的能量分布也较均匀，在计算PLE光谱中得到的误差也较小，且能够覆盖荧光粉激发光谱的范围。

本发明中所选取的锁相放大器的时间常数主要依据以下原则，即一方面时间常数要大于飞秒机关器的调制频率对应的周期以使被测荧光信号能够被有效解调，另一方面时间常数小于所述飞秒激光器调制频率所对应的周期的200倍，以免对荧光光谱测量造成干扰，时间常数选的大有利于被测荧光信号的解调，但太大会造成所测荧光PL光谱的漂移，造成测试误差。在荧光粉荧光测试过程中，锁相放大器的时间常数一般选择为30ms，100ms或是300ms。

下面以飞秒激光器和光栅光谱仪测荧光粉的PL光谱的高灵敏光荧光测试系统为例进一步说明本发明的工作原理。

如图1和图2所示，飞秒激光器通过TDG、泵浦源、种子源、展宽器、压缩器和TCU的共同作用发射800nm，4w的近红外光，进入光学参量放大器进行光波长调节，经过光学参量放大器后的调制激光经过反射镜转换方向、衰减片衰减、分束镜分束，一路光束通过透镜聚焦在荧光粉样品上，被测样品产生的荧光通过透镜聚焦在光栅光谱仪的入射狭缝处，送入光谱仪中，由PMT接受所得信号并放大，将放大后的信号与锁相放大器的电流信号输入端相连。

将样品固定于样品架上，采用图1所示的由反射镜、衰减片、分束镜和聚焦透镜组成的测试光路，所有光学器件和飞秒激光器都固定在光学平台上。采用激光器的准直性进行光路的校正，光路调节完成后就可以开始测试。

锁相放大器的参考信号输入端与飞秒激光器的TDG端相连，输出端与电压变换器相连，电压变化器与光栅光谱仪中的电子学系统相连，最后信号送入计算机，另一路光束通过光功率计测量，信号送入计算机，经过计算后得到测试结果。

图2中所示，为荧光粉测试的计算流程图，其中，

b0：在进行荧光粉的PL及PLE测试，光功率测量在测试开始时测得的功率信号；

bi：随着时间的延长，光功率计测得的激发光的光功率；

荧光粉的PL及PLE测试的时间约为3～5min。

测试的具体步骤如下：

(1)选取飞秒激光器作为次荧光测试系统的激发光源，激发光源的光谱调制范围为200nm～2000nm，激发光的调制频率为1KHz（激发光频率是指震荡晶体的振荡频率，用以达到锁相控制的目的），大部分LED用荧光粉的激发光都在此范围内，因此采用飞秒激光器能够满足荧光粉对于激发光的需求。

(2)采用iHR550光栅光谱仪进行光谱测量，测量中的光栅选取为1200gr/mm,闪耀波长为630nm的光栅，探测器为R928型的多碱光阴极光电倍增管(PMT)，以此适用于光谱测量波段，光栅光谱仪中的准直反射镜用于将入射的光转换为平行光，聚焦反射镜用于将平行光聚焦在出射狭缝处，通过调节控制光栅的马达就能够得到荧光粉的PL光谱。

采用此测试系统使用双调制方案对YAG、R6733荧光粉进行测试，得到荧光粉的PL及PLE光谱，测试结果如图3和图4所示。

当采用现有技术中的单调制方案测量上述两种荧光粉时，测量结果如图5所示，不难发现，采用双调制方案后信号信噪比得到很大的改善，大大减弱了杂散光对信号光的干扰，且使用也方便。

本发明选择飞秒激光器作为光源，并且通过光学参量放大器进行调节，同时在信号中加入了锁相放大和解调，因此而提高了光荧光测试的灵敏度，且通过光学参量放大器调节得到的单色光的光谱半宽度较小，不同单色光的能量差值较小，光学参量放大器调节得到的单色光的光谱半宽度较小，激发单色光的半宽度越小，对应的激发能量就越集中，就越能够得到某一激发波长下的荧光粉的PL光谱，相对的可信度就越高。

整个光路系统固定在光学平台上，简单高效，能够实现荧光粉的PL光谱测量，光路的调节通过飞秒激光直接进行调节，十分方便。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种测量荧光粉的PL光谱及PLE光谱的测试系统，包括飞秒激光器、锁相放大器、光栅光谱仪、光功率计和监控终端，其特征在于，还包括：

光学参量放大器，用于调节飞秒激光器输出激光的光频率；

分束镜，飞秒激光器所输出的激光经过光学参量放大器调节后，入射到分束镜上，经过分束镜分为两路激光，其中一路激光入射在待测荧光粉样品上，另一路激光由光功率计接收；

待测荧光粉样品受激光激发出荧光，荧光经聚焦后入射到光栅光谱仪中；光栅光谱仪的信号输出端设有光电倍增管，光电倍增管与锁相放大器的信号输入端连接；锁相放大器的参考信号输入端与飞秒激光器中的TDG连接，锁相放大器的信号输出端连接有电压变化器；电压变化器与光栅光谱仪中的电子学系统连接，电子学系统与监控终端连接；

所述光功率计与监控终端连接。

2.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于：所述的锁相放大器的时间常数，大于所述飞秒激光器的调制频率所对应的周期，小于所述飞秒激光器的调制频率所对应的周期的200倍。

3.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于：所述的电压变换器为正负电压转换器件。

4.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于：

还包括衰减片，设于光学参量放大器和分束镜之间；还包括反射镜，用于改变飞秒激光器输出的激光光路方向；

还包括第一透镜和第二透镜，第一透镜设于荧光粉样品和分束镜之间，用于将激光聚焦到荧光粉样品上，第二透镜设于荧光粉样品和光栅光谱仪之间，用于聚焦荧光粉样品受激所发出的荧光。

5.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于：所述的飞秒激光器为飞秒染料激光器、飞秒固体激光器、飞秒半导体激光器或飞秒光纤激光器。

6.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于：所述飞秒激光器输出的激光经过光学参量放大器调节后，激光的波长落于200nm至2000nm的范围之内。

7.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于：所述监控终端为电脑。

8.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于：所述的光功率计为硅基或InGaAs基的光功率计。

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