CN113008810B - 一种双光子吸收谱的测量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于双光子吸收谱的测量领域，提供了一种双光子吸收谱的测量方法及系统。该方法，包括：建立非简并双光子吸收系数的数学模型；测量样品薄膜在0.5Eg‑Eg范围内的反射和透射谱，并转换为吸收谱实验曲线；采用所述非简并双光子吸收系数的数学模型拟合所述吸收光谱实验曲线；输出非简并双光子吸收系数谱及其他吸收机制的吸收谱。

Description

一种双光子吸收谱的测量方法及系统
技术领域
本发明属于双光子吸收谱测量领域，尤其涉及一种双光子吸收谱的测量方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
双光子吸收(two-photon absorption,2PA)是指半导体材料，在入射光的激发下同时吸收两个光子跃迁到高能态，并产生电子-空穴对的过程。双光子吸收属于非线性光学效应。半导体的巨大光学非线性特性使其成为光学开关、光限幅、频率上转换、三维光存储和其他非线性光学应用的重要材料。
测量双光子吸收系数较为成熟并得到广泛应用的方法，是1989年 Sheik-Bahace等人提出的Z-scan技术。该技术采用单基横模高斯激光束，照射样品产生光学克尔效应，通过检测透射率和解析式拟合，得到非线性折射率(闭孔)和非线性吸收系数(开孔)。此后，在此基础上发展了多种改进的Z-scan技术,使测量的灵敏度有了很大的提高，且拓展了测量的内容。这些方法包括：双色光Z-scan(Two color Z-scan)、双光束时间分辨率Z-scan(Time-resolved Z-scan)、遮挡Z-scan(Eclipsing Z-scan)、反射Z-scan(Reflection Z-scan)等改进的Z-scan技术。
各种方法有着各自不同的优缺点，但是问题在于用不同的方法测量双光子吸收系数时，得到的结果往往有很大的不同，有时甚至相差多达几个数量级。即使是用同一种方法，当所用的入射光脉冲的持续时间不同时，测得的双光子吸收系数也有很大的偏差。
实际上，在hυ<Eg波段，同时存在着自由载流子吸收(free-carrier absorption,FCA)、2PA和3PA(three-photon absorption,3PA)过程。FCA与多光子吸收过程同时存在，相互叠加，用激光Z-扫描技术的透射率检测方法较难区分清楚。另外，测试用激光光源加上可调谐光学参量发生器，得到的非线性吸收系数光谱范围有限，不是完整的非线性吸收区的吸收谱。
因此，迫切需要一种简便、真正全光谱的双光子吸收系数测量方法，该方法采用热辐射光源，测量一次就能够得到非简并双光子吸收系数谱。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种双光子吸收谱的测量方法及系统，其只需用普通光源测量样品薄膜在0.5Eg-Eg范围内的反射和透射谱，就可以得到这个范围内的双光子吸收谱，不需要可调谐激光光源的多次测量。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种双光子吸收谱的测量方法。
一种双光子吸收谱的测量方法，包括：
建立非简并双光子吸收系数的数学模型；
测量样品薄膜在0.5Eg-Eg范围内的反射和透射谱，并转换为吸收谱实验曲线；
采用所述非简并双光子吸收系数的数学模型拟合所述吸收光谱实验曲线；
输出非简并双光子吸收系数谱及其他吸收机制的吸收谱。
本发明的第二个方面提供一种双光子吸收谱的测量系统。
一种双光子吸收谱的测量系统，包括：
模型建立单元，其被配置为：建立非简并双光子吸收系数的数学模型；
曲线生成单元，其被配置为：获取样品薄膜在0.5Eg-Eg范围内的反射和透射谱，并转换为吸收谱实验曲线；
拟合单元，其被配置为：采用所述非简并双光子吸收系数的数学模型拟合所述吸收光谱实验曲线；
输出单元，其被配置为：输出非简并双光子吸收系数谱及其他吸收机制的吸收谱。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明只需用普通光源测量样品薄膜在0.5Eg-Eg范围内的反射和透射谱，就可以得到这个范围内的双光子吸收谱，不需要可调谐激光光源的多次测量。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例中双光子吸收谱的测量方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
本实施例提供了一种双光子吸收谱的测量方法。
一种双光子吸收谱的测量方法，包括：
建立非简并双光子吸收系数的数学模型；
测量样品薄膜在0.5Eg-Eg范围内的反射和透射谱，并转换为吸收谱实验曲线；
采用所述非简并双光子吸收系数的数学模型拟合所述吸收光谱实验曲线；
输出非简并双光子吸收系数谱及其他吸收机制的吸收谱及其他吸收机制的吸收谱。
所述非简并双光子吸收系数的数学模型中，模型的总吸收系数等于自由载流子吸收系数、双光子吸收系数以及三光子吸收系数的总和。
在1/2Eg<hυ<Eg(Eg，半导体材料的带隙能量)波段，同时存在着自由载流子吸收、双光子吸收和三光子吸收过程。FCA与双光子吸收和三光子吸收过程同时存在，相互叠加。在该波段测量得到的吸收谱，是这三个吸收过程共同作用的结果。因此，总的吸收系数应该是这三个吸收系数之和。本实施例非简并双光子吸收系数的数学模型内涉及的双光子是非简并光子，两个光子的能量分别是hc/λ1和hc/λ2，满足hc/λ1≠hc/λ2，并且hc/λ1+hc/λ2≥Eg。(h为普朗克常数，λ1、λ2为入射光子波长)。
非简并双光子吸收系数的数学模型的总吸收系数表示为：
α＝αFCA+αND-2PA+α3PA (1)
其中，αFCA是自由载流子吸收系数；αND-2PA是非简并双光子吸收系数；α3PA是三光子吸收系数。
考虑入射光子波长与总吸收系数的关系，得到的总吸收系数为：
Figure BDA0002936631760000051
其中，前三项之和代表自由载流子吸收系数，单位cm-1；第四项代表非简并双光子吸收系数，单位cm-1；第五项代表三光子吸收系数，单位cm-1；Eg为样品的带隙能量，单位电子伏特；入射光波长λ、λ1、λ2的单位为微米；A、 B、C、D、E由对所述吸收谱实验曲线的拟合得到。
根据公式(1)和公式(2)能够得出：
非简并双光子吸收系数谱表示为：
Figure BDA0002936631760000052
自由载流子吸收系数谱表示为：
αFCA＝Aλ1.5+Bλ2.5+Cλ3.5 (4)
三光子吸收系数谱表示为：
Figure BDA0002936631760000053
采用公式(2)去拟合所述吸收光谱实验曲线，得到A、B、C、D、E五个拟合参数。将D的拟合参数带入公式(3)中得到0.5Eg<hυ<Eg波段的非简并双光子吸收系数谱。将A、B、C的拟合参数带入公式(4)中得到0.5Eg<hυ<Eg 波段的自由载流子吸收系数谱。将E的拟合参数带入公式(5)中得到0.5Eg<h υ<Eg波段的三光子吸收系数谱。
其中，所述测量样品薄膜在0.5Eg-Eg范围内的反射和透射谱的过程为：
采用紫外-可见光谱仪或FTIR(Fourier transform infrared spectroscopy)谱仪，测量样品的反射谱和透射谱，转化得到样品的吸收谱。紫外-可见光谱仪或FTIR 谱仪的光源是热辐射光源，光谱范围宽广，能够测量得到所需波段的整个吸收谱。
实施例二
本实施例提供了一种双光子吸收谱的测量系统。
一种双光子吸收谱的测量系统，包括：
模型建立单元，其被配置为：建立非简并双光子吸收系数的数学模型；
曲线生成单元，其被配置为：获取样品薄膜在0.5Eg-Eg范围内的反射和透射谱，并转换为吸收谱实验曲线；
拟合单元，其被配置为：采用所述非简并双光子吸收系数的数学模型拟合所述吸收光谱实验曲线；
输出单元，其被配置为：输出非简并双光子吸收系数谱及其他吸收机制的吸收谱。
此处需要说明的是，模型建立单元、曲线生成单元、拟合单元和输出单元对应于实施例一方法中的步骤，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例一所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种双光子吸收谱的测量方法，其特征在于，包括：
建立非简并双光子吸收系数的数学模型；
测量样品薄膜在0.5Eg-Eg范围内的反射和透射谱，并转换为吸收谱实验曲线；
采用所述非简并双光子吸收系数的数学模型拟合所述吸收光谱实验曲线；
输出非简并双光子吸收系数谱及其他吸收机制的吸收谱；所述其他吸收机制的吸收谱包括：自由载流子吸收系数谱和三光子吸收系数谱；
非简并双光子吸收系数的数学模型的总吸收系数表示为：
α＝αFCA+αND-2PA+α3PA (1)
其中，αFCA是自由载流子吸收系数；αND-2PA是非简并双光子吸收系数；α3PA是三光子吸收系数；
考虑入射光子波长与总吸收系数的关系，得到的总吸收系数为：
Figure FDA0003955832730000011
其中，前三项之和代表自由载流子吸收系数，单位cm-1；第四项代表非简并双光子吸收系数，单位cm-1；第五项代表三光子吸收系数，单位cm-1；Eg为样品的带隙能量，单位电子伏特；入射光波长λ、λ1、λ2的单位为微米；A、B、C、D、E由对所述吸收谱实验曲线的拟合得到；
根据公式(1)和公式(2)得出：
非简并双光子吸收系数谱表示为：
Figure FDA0003955832730000012
自由载流子吸收系数谱表示为：
αFCA＝Aλ1.5+Bλ2.5+Cλ3.5 (4)
三光子吸收系数谱表示为：
Figure FDA0003955832730000021
采用公式(2)去拟合所述吸收光谱实验曲线，得到A、B、C、D、E五个拟合参数；将D的拟合参数带入公式(3)中得到0.5Eg<hυ<Eg波段的非简并双光子吸收系数谱；将A、B、C的拟合参数带入公式(4)中得到0.5Eg<hυ<Eg波段的自由载流子吸收系数谱；将E的拟合参数带入公式(5)中得到0.5Eg<hυ<Eg波段的三光子吸收系数谱。
2.根据权利要求1所述的双光子吸收谱的测量方法，其特征在于，所述非简并双光子吸收系数的数学模型中，模型的总吸收系数等于自由载流子吸收系数、双光子吸收系数以及三光子吸收系数的总和。
3.根据权利要求1所述的双光子吸收谱的测量方法，其特征在于，所述测量样品薄膜在0.5Eg-Eg范围内的反射和透射谱的过程为：
采用紫外-可见光谱仪或FTIR谱仪，测量样品的反射谱和透射谱，转化得到样品的吸收谱。
4.一种双光子吸收谱的测量系统，其特征在于，包括：
模型建立单元，其被配置为：建立非简并双光子吸收系数的数学模型；
曲线生成单元，其被配置为：获取样品薄膜在0.5Eg-Eg范围内的反射和透射谱，并转换为吸收谱实验曲线；
拟合单元，其被配置为：采用所述非简并双光子吸收系数的数学模型拟合所述吸收光谱实验曲线；
输出单元，其被配置为：输出非简并双光子吸收系数谱及其他吸收机制的吸收谱；所述其他吸收机制的吸收谱包括：自由载流子吸收系数谱和三光子吸收系数谱；
非简并双光子吸收系数的数学模型的总吸收系数表示为：
α＝αFCA+αND-2PA+α3PA (1)
其中，αFCA是自由载流子吸收系数；αND-2PA是非简并双光子吸收系数；α3PA是三光子吸收系数；
考虑入射光子波长与总吸收系数的关系，得到的总吸收系数为：
Figure FDA0003955832730000031
其中，前三项之和代表自由载流子吸收系数，单位cm-1；第四项代表非简并双光子吸收系数，单位cm-1；第五项代表三光子吸收系数，单位cm-1；Eg为样品的带隙能量，单位电子伏特；入射光波长λ、λ1、λ2的单位为微米；A、B、C、D、E由对所述吸收谱实验曲线的拟合得到；
根据公式(1)和公式(2)得出：
非简并双光子吸收系数谱表示为：
Figure FDA0003955832730000032
自由载流子吸收系数谱表示为：
αFCA＝Aλ1.5+Bλ2.5+Cλ3.5 (4)
三光子吸收系数谱表示为：
Figure FDA0003955832730000033
采用公式(2)去拟合所述吸收光谱实验曲线，得到A、B、C、D、E五个拟合参数；将D的拟合参数带入公式(3)中得到0.5Eg<hυ<Eg波段的非简并双光子吸收系数谱；将A、B、C的拟合参数带入公式(4)中得到0.5Eg<hυ<Eg波段的自由载流子吸收系数谱；将E的拟合参数带入公式(5)中得到0.5Eg<hυ<Eg波段的三光子吸收系数谱。
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