CN105806817A - 一种基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统 - Google Patents

一种基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统，所述系统包括探测器、影像校正光谱仪、入射狭缝、汇聚透镜、瑞利散射滤光片、聚焦物镜、样品以及激光器，所述的系统还包括设置在瑞利散射滤光片与聚焦物镜之间的硅片。所述的硅片包括第一部件、第二部件以及第三部件。在本发明的优选实施方式中，第一部件为圆形环，第二部件沿所述的圆形环的径向延伸，且第二部件的两端与圆形环相接，第三部件设置在第二部件的中心。通过由采用特殊工艺制成的硅片替换现有光致发光光谱检测系统中的二向色镜，实现了荧光的光谱范围不受任何限制，全波段通光，克服了现有技术中的光致发光光谱检测系统无法检测更宽波段的技术问题。

Description

一种基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统
技术领域
本发明关于光谱检测技术领域，特别是关于光致发光光谱的检测技术，具体的讲是一种基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统。
背景技术
PL(光致发光，Photoluminescence)光谱测试在表征半导体材料的缺陷、杂质以及材料的发光性能的研究领域拥有广泛的应用。市场上典型的光致发光光谱测量系统主要由激发光源(激光器)、样品室、分光单色仪、光电探测器和数据采集器等部件组成，按照样品室光路类型划分通常有图1所示的宏光路模式和图2所示的显微光路模式。
宏光路模式具有结构简单、搭建灵活、光谱探测范围宽且成本低的特点，因而应用范围较广，但存在探测效率低的缺点，对样品的发光性能有较高的要求，不利于研究工作的深入开展。
显微光路模式更加符合材料受激辐射发光的最佳激发和收集方式(如图3所示，垂直激发，垂直接收)，激发效率和收光效率大幅提高，因而探测效率更高，适用于纳米、薄膜等弱发光材料的发光性能的检测。但其光谱探测范围受显微光路中的二向色镜(Dichroicmirror)的有效使用范围的限制，通常难以进行宽光谱探测。以最常见的基于325nm紫外激光器的光致发光光谱系统为例，其对应的商用的二向色镜通常的光谱适用范围仅为380-800nm左右，仅能满足可见光波段测试需要。
现有技术中的基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统，通常采用325nm或266nm紫外激光器作为激发光源，采用显微光路模式，选择针对325nm或266nm短波反射，长波透射的二向色镜作为关键光学元件，辅以瑞利散射滤光片等光学件，经光谱仪分光后测量出其荧光光谱谱图，其系统结构如图4所示，其中，1为CCD探测器，2为影像校正光谱仪，3为入射狭缝，4为汇聚透镜，5为瑞利散射滤光片，6为二向色镜，7为聚焦物镜，8为样品，9为激光器。
二向色镜是显微模式的光致发光光谱检测系统的核心部件之一，其光谱适用范围决定了整套系统的光谱检测范围。通常市售的标准二向色镜，针对325nm波长的光谱适用范围是380-800nm左右，针对266nm波长的光谱适用范围是280-600nm左右，因此极大的限制了整套系统的光谱检测范围，对于需要同时检测更宽波段(如380nm-2500nm光谱波段)的研究，显微光路模式将无法适用，实际用户将不得不采用宏光路模式，但又由于宏光路模式激发和收光效率低，以至于影响了对材料光学性能的研究工作的深入开展。
因此，如何研究和开发出一种新的方案，其能够检测更宽波段是本领域亟待解决的技术难题。
发明内容
为了克服现有技术中的光致发光光谱检测系统无法检测更宽波段的技术问题，本发明提供了一种基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统，通过由采用特殊工艺制成的硅片替换现有光致发光光谱检测系统中的二向色镜，实现了荧光的光谱范围不受任何限制，全波段通光。
本发明的目的是，提供一种基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统，所述的系统包括CCD探测器、影像校正光谱仪、入射狭缝、汇聚透镜、瑞利散射滤光片、聚焦物镜、样品以及激光器，所述的系统还包括设置在所述的瑞利散射滤光片与所述的聚焦物镜之间的硅片。
在本发明的优选实施方式中，所述的硅片选用单晶硅棒，经切片、倒角、研磨、化学腐蚀、精密抛光、切割处理形成。
在本发明的优选实施方式中，所述的硅片包括第一部件、第二部件以及第三部件。
在本发明的优选实施方式中，所述的第一部件为圆形环，所述的第二部件沿所述的圆形环的径向延伸，且所述第二部件的两端与所述的圆形环相接，所述的第三部件设置在所述的第二部件的中心。
在本发明的优选实施方式中，所述的第一部件为椭圆形环，所述的第二部件沿所述的椭圆形环的长轴方向延伸，且所述第二部件的两端与所述的椭圆形环相接，所述的第三部件设置在所述的第二部件的中心。
在本发明的优选实施方式中，所述的第一部件为矩形环，所述的第二部件沿所述的矩形环的长边方向延伸，所述第二部件的两端与所述的矩形环相接，且所述第二部件的两端位于所述矩形环的短边的中心，所述的第三部件设置在所述的第二部件的中心。
在本发明的优选实施方式中，所述的矩形环的长边与短边尺寸相同。
在本发明的优选实施方式中，所述的第三部件为圆形。
在本发明的优选实施方式中，所述的第三部件的直径大于所述第二部件的宽度。
在本发明的优选实施方式中，所述的第一部件的宽度为1mm-2mm，所述第二部件的宽度小于1mm，所述的第一部件、第二部件的厚度均为200μm-300μm。
本发明的有益效果在于，提供了一种基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统，通过由采用特殊工艺制成的硅片替换现有光致发光光谱检测系统中的二向色镜，实现了荧光的光谱范围不受任何限制，全波段通光，克服了现有技术中的光致发光光谱检测系统无法检测更宽波段的技术问题。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的宏光路模式的光致发光光谱测量系统的结构示意图；
图2为现有技术中的微光路模式的光致发光光谱测量系统的结构示意图；
图3为显微光路模式的垂直激发、垂直接收示意图；
图4为现有技术中的基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统中硅片的实施方式一的俯视图；
图7为本发明实施例提供的一种基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统中硅片的实施方式二的俯视图；
图8为本发明实施例提供的一种基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统中硅片的实施方式三的俯视图；
图9为本发明实施例提供的一种基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统中硅片的实施方式四的俯视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明针对现有技术中的光致发光光谱检测系统无法检测更宽波段的技术问题，提出了一种基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统，通过由采用特殊工艺制成的硅片替换现有光致发光光谱检测系统中的二向色镜，实现了荧光的光谱范围不受任何限制，全波段通光。
如图4所示，现有技术中的基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统的光谱范围取决于光路中的二向色镜的光谱适用范围。
图5为本发明实施例提供的一种基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统的结构示意图，如图5所示，本发明提供的基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统包括CCD探测器1、影像校正光谱仪2、入射狭缝3、汇聚透镜4、瑞利散射滤光片5、聚焦物镜7、样品8以及激光器9，所述的系统还包括设置在所述的瑞利散射滤光片5与所述的聚焦物镜7之间的硅片10。
也即，本发明针对二向色镜提出了替代方案，采用硅片来替换现有技术中的二向色镜。本发明中的硅片，选用单晶硅棒，经切片、倒角、研磨、化学腐蚀、精密抛光、切割处理形成。具体的，经过切片、倒角、研磨粗加工后，采用化学腐蚀去除表面受机械加工应力产生的损伤层，再进行精密抛光处理，达到平整度<3μm，粗糙度<0.5nm，最后再切割成如图6至图9的特殊形状。
在本发明的具体实施方式中，所述的硅片包括第一部件、第二部件以及第三部件。
图6为本发明实施例提供的一种基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统中硅片的实施方式一的俯视图，由图6可知，在本发明的实施方式一中，所述的第一部件为圆形环，所述的第二部件沿所述的圆形环的径向延伸，且所述第二部件的两端与所述的圆形环相接，所述的第三部件设置在所述的第二部件的中心。
在实际的光路结构中，用图6所示的硅片取代二向色镜，硅片中心的圆形部件用于反射紫外激发光，第一部件(即外圈)以及第二部件(即中间的横幅)起到支撑、固定夹持的作用，镂空的部分可以让材料受激后产生的绝大部分荧光透过，而且荧光的光谱范围不受任何限制，真正做到全波段通光。
图7为本发明实施例提供的一种基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统中硅片的实施方式二的俯视图，由图7可知，在本发明的实施方式二中，所述的第一部件为椭圆形环，所述的第二部件沿所述的椭圆形环的长轴方向延伸，且所述第二部件的两端与所述的椭圆形环相接，所述的第三部件设置在所述的第二部件的中心。
在实际的光路结构中，用图7所示的硅片取代二向色镜，硅片中心的圆形部件用于反射紫外激发光，第一部件(即外圈)以及第二部件(即中间的横幅)起到支撑、固定夹持的作用，镂空的部分可以让材料受激后产生的绝大部分荧光透过，而且荧光的光谱范围不受任何限制，真正做到全波段通光。
图8为为本发明实施例提供的一种基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统中硅片的实施方式三的俯视图，由图8可知，在本发明的实施方式三中，所述的第一部件为矩形环，所述的第二部件沿所述的矩形环的长边方向延伸，所述第二部件的两端与所述的矩形环相接，且所述第二部件的两端位于所述矩形环的短边的中心，所述的第三部件设置在所述的第二部件的中心。
在实际的光路结构中，用图8所示的硅片取代二向色镜，硅片中心的圆形部件用于反射紫外激发光，第一部件(即外圈)以及第二部件(即中间的横幅)起到支撑、固定夹持的作用，镂空的部分可以让材料受激后产生的绝大部分荧光透过，而且荧光的光谱范围不受任何限制，真正做到全波段通光。
图9为本发明实施例提供的一种基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统中硅片的实施方式四的俯视图，由图9可知，在本发明的实施方式四中，所述的第一部件为矩形环，所述的第二部件沿所述的矩形环的长边方向延伸，所述第二部件的两端与所述的矩形环相接，且所述第二部件的两端位于所述矩形环的短边的中心，所述的第三部件设置在所述的第二部件的中心，所述的矩形环的长边与短边尺寸相同。
在实际的光路结构中，用图9所示的硅片取代二向色镜，硅片中心的圆形部件用于反射紫外激发光，第一部件(即外圈)以及第二部件(即中间的横幅)起到支撑、固定夹持的作用，镂空的部分可以让材料受激后产生的绝大部分荧光透过，而且荧光的光谱范围不受任何限制，真正做到全波段通光。
在本发明的优选实施方式中，所述的第三部件为圆形，且所述的第三部件的直径大于所述第二部件的宽度。具体的，在实际的设计中，考虑到硅片的非镂空部分在光路中对荧光会有一定的阻挡作用，所以要求用于支撑和固定夹持的外圈和横幅的部分需要尽可能窄，因此，所述的第一部件的宽度设置为1mm-2mm、第二部件的宽度设置为1mm以下。
因为硅片材料材质脆，太窄又不易加工，对厚度也需要有一定的考虑。在本发明的优选实施方式中，所述的第一部件、第二部件的厚度为200μm-300μm。在本发明的实际设计中，经过实验，最终可选择合适宽度的单条横幅，既兼顾了加工件的强度，又尽可能减少了对于荧光的阻挡。
综上所述，本发明提出的一种基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统，通过由采用特殊工艺制成的硅片替换现有光致发光光谱检测系统中的二向色镜，实现了荧光的光谱范围不受任何限制，全波段通光，克服了现有技术中的光致发光光谱检测系统无法检测更宽波段的技术问题。
在确保系统架构符合材料受激辐射发光的最佳激发和收集方式的同时，完全解决了光谱范围受限于二向色镜的光谱适用范围的问题，使得基于紫外波段激发(200-355nm)的材料的光致发光光谱检测系统的光谱范围可以得到全光谱释放，能够让研究人员更深入的对材料发光性能进行进一步的研究。
本发明的技术关键点和欲保护点为采用特殊工艺制成的硅材料替代二向色镜的功能，实现激发光的反射以及荧光的收集不受二向色镜光谱适用范围的限制，从而实现全光谱探测。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一般计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-OnlyMemory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于紫外光激发的全光谱光致发光光谱检测系统，其特征是，所述的系统包括CCD探测器、影像校正光谱仪、入射狭缝、汇聚透镜、瑞利散射滤光片、聚焦物镜、样品以及激光器，所述的系统还包括设置在所述的瑞利散射滤光片与所述的聚焦物镜之间的硅片。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的硅片选用单晶硅棒，经切片、倒角、研磨、化学腐蚀、精密抛光、切割处理形成。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的硅片包括第一部件、第二部件以及第三部件。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征是，所述的第一部件为圆形环，所述的第二部件沿所述的圆形环的径向延伸，且所述第二部件的两端与所述的圆形环相接，所述的第三部件设置在所述的第二部件的中心。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征是，所述的第一部件为椭圆形环，所述的第二部件沿所述的椭圆形环的长轴方向延伸，且所述第二部件的两端与所述的椭圆形环相接，所述的第三部件设置在所述的第二部件的中心。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征是，所述的第一部件为矩形环，所述的第二部件沿所述的矩形环的长边方向延伸，所述第二部件的两端与所述的矩形环相接，且所述第二部件的两端位于所述矩形环的短边的中心，所述的第三部件设置在所述的第二部件的中心。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征是，所述的矩形环的长边与短边尺寸相同。
8.根据权利要求3至6任意一项所述的系统，其特征是，所述的第三部件为圆形。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征是，所述的第三部件的直径大于所述第二部件的宽度。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征是，所述的第一部件的宽度为1mm-2mm，所述第二部件的宽度小于1mm，所述的第一部件、第二部件的厚度均为200μm-300μm。
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