CN108572028A - 用于低维量子结构的光电测量装置 - Google Patents

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陈弘
江洋
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    • G—PHYSICS
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G—PHYSICS
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    • G01J1/0411—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings using focussing or collimating elements, i.e. lenses or mirrors; Aberration correction

Abstract

本发明提供了一种用于低维量子结构的光电测量装置，包括：光源，其用于发射连续光谱；在所述光源和低维量子结构之间的光路上依次布置的第一单色仪和第一光学会聚装置，所述第一单色仪用于从所述连续光谱中分离出单色光，所述第一光学会聚装置用于会聚所述单色光；第二光学会聚装置，其用于会聚所述低维量子结构激发的荧光；第二单色仪，其用于接收经所述第二光学会聚装置会聚的荧光；光电倍增管，其用于将所述第二单色仪分离的荧光转换成对应的电信号；以及电流测量装置，其用于测量所述低维量子结构中的光电流。本发明的光电测量装置能同时测量低维量子结构在不同波长激发光激发下的荧光强度和光电流。

Description

用于低维量子结构的光电测量装置
技术领域
本发明涉及光电子领域，具体涉及一种用于低维量子结构的光电测量装置。
背景技术
低维量子结构包括多量子阱、量子点等具有量子化能级的结构。多量子阱、量子点等结构是当前限制载流子的主要结构，如发光二极管(LED)广泛地采用多量子阱结构提高发光效率。LED作为新一代光源以其便携性、低能耗、高转换效率、超长寿命等优点被广泛应用于显示、信号指示、固态照明等应用领域。AlGaInP主要用于制作红光LED，InGaN主要用于制作蓝光LED。采用波长为405纳米、功率为50毫瓦的激光激发InGaN基LED，用导线将其P极和N极短路，导线中存在毫安级的光电流，而且LED短路下测量的荧光强度约为LED开路下测量的荧光强度的5％。相似的现象同样存在GaAs量子阱和量子点pn结构中。这一载流子大量逃逸的现象表明低维量子限制理论模型与实验现象之间存在矛盾。
为了能够深入地理解或解释低维量子结构中载流子的输运机理，需要一套光电装置以研究多量子阱、量子点等低维量子结构中载流子输运在不同激发光下的变化规律。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的实施例提供了一种用于低维量子结构的光电测量装置，包括：
光源，其用于发射连续光谱；
在所述光源和低维量子结构之间的光路上依次布置的第一单色仪和第一光学会聚装置，所述第一单色仪用于从所述连续光谱中分离出单色光，所述第一光学会聚装置用于会聚所述单色光；
第二光学会聚装置，其用于会聚所述低维量子结构激发的荧光；
第二单色仪，其用于接收经所述第二光学会聚装置会聚的荧光；
光电倍增管，其用于将所述第二单色仪分离的荧光转换成对应的电信号；
电流测量装置，其用于测量所述低维量子结构中的光电流。
优选的，所述光电测量装置还包括设置在所述第一单色仪和第一光学会聚装置之间的第三光学会聚装置。
优选的，所述第三光学会聚装置的焦点与所述第一单色仪的出射小孔重合。
优选的，所述光电测量装置还包括设置在所述低维量子结构和所述第二光学会聚装置之间的第四光学会聚装置。
优选的，所述第四光学会聚装置与所述低维量子结构相对设置，且其光轴垂直于所述低维量子结构。
优选的，所述第四光学会聚装置的焦点位于所述低维量子结构的表面。
优选的，所述第一至第四光学会聚装置为凸透镜。
优选的，所述光电测量装置还包括：
设置在所述第一单色仪和所述低维量子结构之间的光路上的光学斩波器，以及
通过同轴电缆与所述光电倍增管的输出端连接的锁相放大器。
优选的，所述低维量子结构位于所述第一光学会聚装置的焦点处。
优选的，所述第二光学会聚装置的焦点与所述第二单色仪的入射小孔重合。
本发明的光电测量装置能同时测量低维量子结构在不同波长激发光激发下的荧光强度和光电流，且能够测量激发光波长连续变化过程中的荧光强度和光电流，便于研究低维量子结构中载流子输运在不同波长激发光下的变化规律，从而有助于更深入理解和验证低维量子结构中载流子的输运机制。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1是根据本发明第一个实施例的光电测量装置的光路图。
图2是多量子阱在不同波长的激发光激发下的光电流曲线图。
图3是不同波长的激发光在LED处于短路和开路状态下分别激发的荧光强度曲线图。
图4是根据本发明第二个实施例的光电测量装置的光路图。
图5是根据本发明第三个实施例的光电测量装置的光路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。
图1是根据本发明第一个实施例的光电测量装置的光路图。如图1所示，光电测量装置1包括光源11，在光源11和InGaN基LED芯片10之间的光路上依次布置的单色仪12和凸透镜13，以及在荧光收集光路上依次布置的凸透镜14、单色仪15和光电倍增管16。
光源11为发射光谱范围为170nm-2100nm的白光光源，光源11中的离轴抛物面镜组(图1未示出)将白光聚焦成点光源出射。光源11出射的白光入射到单色仪12，单色仪12从宽波段的白光中分离出一系列狭窄波段的光谱——单色光。单色仪12出射的单色光入射到凸透镜13上。凸透镜13的焦点位于InGaN基LED芯片10表面处，用于将单色光聚焦到InGaN基LED芯片10上。InGaN吸收单色光后进入激发状态，并且立即退激发从而发出荧光。
凸透镜14的焦点与单色仪15的入射小孔重合，凸透镜14将InGaN基LED芯片10发出的荧光会聚并入射到单色仪15的入射小孔中。会聚的荧光经单色仪15分光后入射到光电倍增管16中以产生相应的电信号。根据所测量的电信号从而得知荧光强度。
电流测量装置17的电极与InGaN基LED芯片10上的两个电极电连接，用于测量InGaN基LED芯片10的光电流。
单色仪12从光源11发射的白光中分离出不同波段的单色光，因而电流测量装置17可以测得不同波长(对应不同激发光子能量)下的光电流强度。图2是多量子阱在不同波长的激发光激发下的光电流曲线图。从图2可以看出，激发光的光子能量大于InGaN共振吸收能量2.95电子伏特时，光电流较大，反映出多量子阱InGaN中较多载流子逃逸。激发光的光子能量减小到InGaN共振吸收能量2.95电子伏特后，光电流急剧下降。
图3是不同波长的激发光在InGaN基LED芯片10处于短路和开路状态下分别激发的荧光强度曲线图。其中横坐标对应的是激发光的光子能量从2.75电子伏特依次增加到3.18电子伏特，实线为InGaN基LED芯片10处于开路时测量的荧光强度，虚线为短路时测量的荧光强度。从图3可以得知，激发光的光子能量大于共振吸收能量2.95电子伏特时，InGaN多量子阱在开路状态下激发的荧光强度大于短路状态下激发的荧光强度，从侧面反映出多量子阱中较多载流子逃逸。激发光的光子能量为2.95电子伏特时，相比于激发光的光子能量大于2.95电子伏特，多量子阱InGaN在短路状态下激发的荧光强度呈现阶跃式上升。而激发光的光子能量小于2.95电子伏特时，多量子阱InGaN在开路状态下激发的荧光强度与短路状态下激发的荧光强度的差值急剧缩小，从侧面反映出多量子阱中的载流子逃逸减少。
传统理论认为激发光的光子能量小于量子阱的势垒高度时，载流子将被限制在量子阱中。但是利用本发明的光电测量装置1测量的上述实验结果是与传统理论的量子阱的量子限制效应相违背。
本实施例的光电测量装置1能同时测量多量子阱InGaN在不同波长激发光激发下的荧光强度和光电流，且能够测量激发光波长连续变化过程中的荧光强度和光电流，便于研究多量子阱中载流子输运在不同波长激发光下的变化规律，从而有助于更深入理解和验证多量子阱中载流子的输运机制。
在上述光电测量装置1中，通过单色仪12分离出不同波长的激发光，不需要更换不同波长的激光器或单色光源，节省了成本。更重要的是，更换光源会造成光路的扰动，光路微小的变动都能对所测量的荧光强度带来数量级的变化，因此本发明的光电测量装置1能够获得荧光强度随波长变化的准确的变化趋势。
图4是根据本发明第二个实施例的光电测量装置的光路图。其与图1基本相同，因此图中相应的标号表示相同的部件，区别在于，光电测量装置2还包括位于单色仪22和凸透镜23之间的凸透镜23’，以及位于凸透镜24和InGaN基LED芯片20之间的光路上的凸透镜24’。凸透镜23’的焦点与单色仪22的出射小孔重合，即与单色仪22出射的点光源重合，凸透镜23’用于将单色仪22出射的单色光准直成平行光，凸透镜23将准直后的激发光会聚在InGaN基LED芯片20上，提高了激发光的能量密度。凸透镜24’与InGaN基LED芯片20相对设置，其光轴垂直于InGaN基LED芯片20，因此能够收集更大立体角内的光荧光。凸透镜24’的焦点位于InGaN基LED芯片20的表面，用于使得InGaN激发的荧光通过凸透镜24’准直成为平行光，凸透镜24便于将准直的荧光进行会聚，提高了所测量的荧光强度相对值。
图5是根据本发明第三个实施例的光电测量装置的光路图。其与图4基本相同，因此图中相应的标号表示相同的部件，区别在于，光电测量装置3还包括布置在凸透镜33’和凸透镜33之间的光学斩波器38，以及通过同轴电缆与光电倍增管36输出端连接的锁相放大器39。光学斩波器38将单色光调制成固有频率的光，其中调制频率作为锁相放大器39的参考信号，锁相放大器39锁定给定频率段的电信号并进行放大，降低了白噪声背底，提高了荧光信号的信噪比。
在本发明的另一个实施例中，光学斩波器38布置在单色仪32和凸透镜33’的光路之间。
在本发明的又一个实施例中，光学斩波器38布置在凸透镜33和InGaN基LED芯片30的光路之间。
在本发明的其他实施例中，采用能够对光线进行会聚的其它光学会聚装置，例如平凹镜等，替换上述实施例中的凸透镜。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (10)

1.一种用于低维量子结构的光电测量装置，其特征在于，包括：
光源，其用于发射连续光谱；
在所述光源和低维量子结构之间的光路上依次布置的第一单色仪和第一光学会聚装置，所述第一单色仪用于从所述连续光谱中分离出单色光，所述第一光学会聚装置用于会聚所述单色光；
第二光学会聚装置，其用于会聚所述低维量子结构激发的荧光；
第二单色仪，其用于接收经所述第二光学会聚装置会聚的荧光；
光电倍增管，其用于将所述第二单色仪分离的荧光转换成对应的电信号；
电流测量装置，其用于测量所述低维量子结构中的光电流。
2.根据权利要求1所述的用于低维量子结构的光电测量装置，其特征在于，所述光电测量装置还包括设置在所述第一单色仪和第一光学会聚装置之间的第三光学会聚装置。
3.根据权利要求2所述的用于低维量子结构的光电测量装置，其特征在于，所述第三光学会聚装置的焦点与所述第一单色仪的出射小孔重合。
4.根据权利要求2所述的用于低维量子结构的光电测量装置，其特征在于，所述光电测量装置还包括设置在所述低维量子结构和所述第二光学会聚装置之间的第四光学会聚装置。
5.根据权利要求4所述的用于低维量子结构的光电测量装置，其特征在于，所述第四光学会聚装置与所述低维量子结构相对设置，且其光轴垂直于所述低维量子结构。
6.根据权利要求5所述的用于低维量子结构的光电测量装置，其特征在于，所述第四光学会聚装置的焦点位于所述低维量子结构的表面。
7.根据权利要求4所述的用于低维量子结构的光电测量装置，其特征在于，所述第一至第四光学会聚装置为凸透镜。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的用于低维量子结构的光电测量装置，其特征在于，所述光电测量装置还包括：
设置在所述第一单色仪和所述低维量子结构之间的光路上的光学斩波器，以及
通过同轴电缆与所述光电倍增管的输出端连接的锁相放大器。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的用于低维量子结构的光电测量装置，其特征在于，所述低维量子结构位于所述第一光学会聚装置的焦点处。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的用于低维量子结构的光电测量装置，其特征在于，所述第二光学会聚装置的焦点与所述第二单色仪的入射小孔重合。
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