CN113218869A - 基于表面改性共振音叉和原子力探针的中远红外光学探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于表面改性共振音叉和原子力探针的中远红外光学探测系统及方法，所述探测系统包括被测光源、石英音叉系统、原子力探针系统以及信号处理系统。本发明基于热弹效应，利用宽带光吸收物质及高热膨胀涂层作为光热转换器件，吸收体表面的产生微小位移最后由锁相放大器进行信号的强度探测，从而实现在室温下低成本、高灵敏度中远红外光探测。
Description
技术领域
本发明涉及传感器的中远红外光谱检测技术领域，具体涉及一种基于表面改性共振音叉和原子力探针的中远红外光学探测系统及方法。
背景技术
使用单一器件进行高灵敏度宽带光探测是一个巨大的挑战，光电探测器在许多激光应用中起着十分重要的作用，如传感与成像、光谱分析、气体检测和光通信。由于光电二极管(PD)响应速度快、灵敏度高，通常只有在窄波长范围内才能产生信号，这取决于构成光电二极管所用的材料。例如，InGaAs光电探测器在1800nm的波长范围内展现出完美的响应性，HgCdTe光电探测器进一步扩展到红外，其探测波长可以达到5500nm以上。然而，要精确测量宽光谱响应范围内的光源，特别是太赫兹波段和远红外波段的光源，到目前为止是非常困难的，因为在室温下，宽带激光器的光子能量通常太低，无法激发传统半导体的电荷载流子。
高莱辐射探测器具有较高的灵敏度，通常可以覆盖整个波长范围，但其响应时间较长，对振动比较敏感，需要进行防振处理，使用条件受到束缚。
热释电探测器可以利用光电、热电效应将入射光转换为热能，只要吸收涂层是有效的，它几乎可以覆盖整个波长范围。然而热释电探测器通常存在响应速度慢的问题，还需要对中远红外波进行调制，智能检测几kHz调制频率的电磁波变化。所以迫切需要研发一种能够精准探测宽带光的探测器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于表面改性共振音叉和原子力探针的中远红外光学探测系统及方法，以解决现有单一器件探测时灵敏度较低、带宽较窄的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于表面改性共振音叉和原子力探针的中远红外光学探测系统，包括：
被测光源，所述被测光源发出中远红外波段的光波；所述光波经光学斩波器后变为脉冲光波，再经平凸透镜将光波聚焦到石英音叉系统；
石英音叉系统，所述石英音叉系统的音叉臂上依次涂覆有聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜和氧化石墨烯(GO)薄膜，光波照射到音叉臂后，音叉臂通过热弹效应产生机械振动；
在音叉臂上涂覆聚二甲基硅氧烷薄膜后，薄膜厚度控制在1μm以内，之后将其在烘箱中70℃条件下加热2小时，由于PDMS的热膨胀系数远大于音叉臂表面的金属层，因此导致被涂覆音叉臂所产生的机械应力增大，另外，在此基础上涂覆500nm厚度的氧化石墨烯薄膜以改善其光吸收，这样就形成了热转换效率和光吸收提高的双层薄膜结构，能量沉积导致音叉臂通过热弹性转换产生机械振动。
原子力探针系统，所述原子力探针系统包括微悬臂和设置于微悬臂上的探针，原子力探针系统用于检测石英音叉系统的机械振动，然后通过压电效应产生微弱电流并将电流信号输送至信号处理系统；
信号处理系统，用于采集和处理由原子力探针系统输入的电流信号，电流信号首先由跨阻放大器转化为电压，经锁相放大器解调后由示波器进行采集。
所述被测光源采用中远红外激光器，所述中远红外激光器的输出功率由激光驱动器控制，中远红外激光器的调制信号由函数发生器提供。
所述中远红外激光器发出波长为10.6μm的光波。
设置信号处理系统中锁相放大器的采样灵敏度、积分时间参数后进行信号解调，获得信号幅值及相位变化，通过检测变化量获得双共振音叉幅度信息，最后由示波器采集。
一种基于表面改性共振音叉和原子力探针的中远红外光学探测方法，包括以下步骤：
a、设置上述的探测系统；以中远红外激光器作为被测光源，启动所述探测系统，中远红外激光器的输出功率由激光驱动器控制，中远红外激光器的调制信号由函数发生器提供，调制频率等于石英音叉系统的音叉固有谐振振动频率，采用平凸透镜将输出的激光束聚焦到石英音叉系统的音叉臂上；
由于本系统涉及精密的光学纳米位移检测，为了减小环境噪声产生的不必要误差，上述系统均设置在气浮隔振光学平台上，检测时，调整平凸透镜位置与激光器平行，从而使聚焦到音叉臂的光源最小最亮，观察输出信号幅值，微调石英音叉系统的位置，当幅值达到最佳时停止，此时石英音叉系统的位置最佳、信号最佳。
b、光波照射到音叉臂后，音叉臂通过热弹效应产生机械振动；
c、控制原子力探针系统的纳米位移台，以纳米级别的步距将探针逐渐靠近石英音叉系统的音叉臂；通过测量探针与纳米级振动位移的音叉臂之间的原子力实现光致振动位移的测量，并通过压电效应产生微弱电流，电流信号被送入信号处理系统进行处理；信号首先由跨阻放大器放大，然后产生的电压信号传送到锁相放大器解调；
原子力探针系统工作在接触模式下，当探针与石英音叉之间的距离足够近时(＜1nm)将引起探针振动状态改变，通过跨阻放大检测探针由于压电效应而产生微弱电流的变化。
d、原子力探针系统输入的电流信号首先由跨阻放大器转化为电压，经锁相放大器解调后由示波器进行采集，并由计算机进行数据处理。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
(1)中远红外探测器件基于光热弹效应，音叉表面涂覆氧化石墨烯(GO)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)，分别提高其光吸收和热转换效率。
(2)采用工作在接触模式下的原子力探针，进一步提高检测灵敏度，能够在室温下工作，响应度高，等效噪声功率小。
附图说明
图1为本发明探测方法流程图。
图2为探测系统结构示意图。
图3为石英音叉系统结构示意图。
图4为石英音叉补偿电路原理图。其振幅可通过此电路及锁相放大器进行检测。
图2中：1、原子力探针；2、带涂覆层的石英音叉；3、光学斩波器；4、中远红外激光器；5、函数发生器；6、锁相放大器；7、示波器；8、信号处理系统。
具体实施方式
如图1至图4所示，本发明提出了一种基于表面改性共振音叉和原子力探针的中远红外光学探测系统及方法，探测系统的具体结构包括被测光源、石英音叉系统、原子力探针系统和信号处理系统；被测光源采用中远红外激光器(10.6μm)，石英音叉系统的音叉臂上依次涂覆有聚二甲基硅氧烷薄膜和氧化石墨烯薄膜；原子力探针系统即原子力显微镜悬臂式探针，其实质为微针悬臂音叉，其微悬臂通常由硅片或氮化硅片制成，探针针尖半径为10-90nm。探针针尖受力后引起微悬臂形变，通过压电效应转化为电信号输出。信号处理系统包括跨阻放大器、锁相放大器和示波器。
实验原理如下：
热弹性探测依赖于吸收辐射热引起的温度变化，由于硅衬底和表面金属膜的热膨胀差，由此产生的温度瞬时变化使音叉弯曲形变。当悬臂梁接收到入射功率为Pinc的调制激光的辐射时，样品中吸收的功率Q(t)与辐照时间功率直接相关，公式为Q(t)＝∫Pinc(t)dt.一般情况下，加热后样品内部的温升可用热方程来描述：
其中ρ、Cp、V和λ分别是密度、比热容、被光加热区的体积和有效导热系数。热扩散导致温度梯度，加热体积的最高温度取决于热扩散长度和吸收功率。悬臂梁尖端由于两层热膨胀失配而产生的振动振幅(δ)可以从该方程中得到：
式中：
这里，β是热膨胀系数，E是弹性模量，L是悬臂梁的长度，w是悬臂梁的宽度，d是层厚度，μa是吸收系数。下标1和2分别对应于薄金属层和石英梁材料。根据上式，音叉探测器的振幅与μa及两层材料热膨胀系数差异(β1-β2)成正比，因此通过表面镀膜提高表层材料的热膨胀系数将有利于光探测灵敏度的提升。
本发明测量开始前需尽可能降低环境噪声影响(如工作在安静的密闭环境中、气浮隔振平台上、关闭室内空调等)。
本发明的检测过程为：首先采用中远红外激光器(10.6μm)作为被测光源，通过激光驱动器驱动电流控制其输出功率。函数发生器提供的调制信号用于控制激光脉冲的波形，其调制频率与带涂覆层的石英音叉的谐振频率相同。通过光学斩波器和焦距40mm的平凸透镜将调制光源周期性聚焦到带涂覆层的石英音叉上根部的局部区域，然后利用纳米位移台控制工作在接触模式下的原子力探针尖端-带涂覆层石英音叉之间的间距，步距为nm级别。使用锁相放大器解调产生的电流，并将产生的信号传送到示波器，最后通过信号处理端处理上述过程获得的信号从而得到传感器的响应度等信息。
图3展示了石英音叉系统的示意图，32K调制频率下音叉的振动趋势、激光聚焦到涂覆音叉根部、涂覆材料顺序等如图所示。
石英音叉补偿电路如图4所示，包括激励源(函数发生器)、衰减器、寄生电容补偿、I-V转换和前置放大电路。在测量开始前需要调整寄生电容补偿使音叉性能(品质因数)最佳。音叉振动幅度除了采用上述原子力探针，亦可以通过此电路及锁相放大器进行检测。
Claims (5)
1.一种基于表面改性共振音叉和原子力探针的中远红外光学探测系统，其特征在于，包括：
被测光源，所述被测光源发出中远红外波段的光波；所述光波经光学斩波器后变为脉冲光波，再经平凸透镜将光波聚焦到石英音叉系统；
石英音叉系统，所述石英音叉系统的音叉臂上依次涂覆有聚二甲基硅氧烷薄膜和氧化石墨烯薄膜，光波照射到音叉臂后，音叉臂通过热弹效应产生机械振动；
原子力探针系统，所述原子力探针系统包括微悬臂和设置于微悬臂上的探针，原子力探针系统用于检测石英音叉系统的机械振动，然后通过压电效应产生微弱电流并将电流信号输送至信号处理系统；
信号处理系统，用于采集和处理由原子力探针系统输入的电流信号，电流信号首先由跨阻放大器转化为电压，经锁相放大器解调后由示波器进行采集。
2.根据权利要求1所述的中远红外光学探测系统，其特征在于，所述被测光源采用中远红外激光器，所述中远红外激光器的输出功率由激光驱动器控制，中远红外激光器的调制信号由函数发生器提供。
3.根据权利要求2所述的中远红外光学探测系统，其特征在于，所述中远红外激光器发出波长为10.6μm的光波。
4.根据权利要求1所述的中远红外光学探测系统，其特征在于，设置信号处理系统中锁相放大器的采样灵敏度、积分时间参数后进行信号解调，获得信号幅值及相位变化，通过检测变化量获得双共振音叉幅度信息，最后由示波器采集。
5.一种基于表面改性共振音叉和原子力探针的中远红外光学探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、设置权利要求1~4任一探测系统；以中远红外激光器作为被测光源，启动所述探测系统，中远红外激光器的输出功率由激光驱动器控制，中远红外激光器的调制信号由函数发生器提供，调制频率等于石英音叉系统的音叉固有谐振振动频率，采用平凸透镜将输出的激光束聚焦到石英音叉系统的音叉臂上；
b、光波照射到音叉臂后，音叉臂通过热弹效应产生机械振动；
c、控制原子力探针系统的纳米位移台，以纳米级别的步距将探针逐渐靠近石英音叉系统的音叉臂；通过测量探针与纳米级振动位移的音叉臂之间的原子力实现光致振动位移的测量，并通过压电效应产生微弱电流，电流信号被送入信号处理系统进行处理；信号首先由跨阻放大器放大，然后产生的电压信号传送到锁相放大器解调；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210806 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |