CN1804583A - 基于步进扫描的光调制反射光谱方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于步进扫描的光调制反射光谱方法及装置，该装置包括傅立叶变换红外光谱测量系统、作为泵浦光源的激光器、以及联结傅立叶变换红外光谱仪中探测器与电路控制板的锁相放大器和低通滤波器，置于样品与激光器之间光路上的斩波器，从而使连续泵浦激光变为调制激光，并馈入锁相放大器的输入参考端来控制锁相。该方法使用上述装置进行光调制反射光谱测量，包括消除泵浦光的漫反射信号以及泵浦光产生的光致发光信号的干扰；消除傅立叶频率和增强中、远红外波段微弱光信号的探测能力三个功能。经过对分子束外延生长GaN_xAs_1－x/ GaAs单量子阱样品和Ga_1－xIn_xP/AlGaInP多量子阱材料的光调制反射光谱实际测试。表明：本发明显著提高探测灵敏度和光谱信噪比，并具有快速、便捷的优点，特别适用于中、远红外光电材料微弱光特性的检测。

Description

基于步进扫描的光调制反射光谱方法及装置

技术领域

本发明涉及一种中、远红外光电材料弱光特性测试方法及装置，具体的说，主要是基于傅立叶变换红外(FTIR)光谱仪的步进扫描功能对光电材料进行光调制反射光谱的测量方法及装置。

背景技术

光调制反射(PR)光谱作为半导体材料非接触式检测的有效手段，广泛应用于半导体材料微结构和器件光学性质研究。传统的PR光谱测试系统由泵浦激光、探测光(宽波段光源)、单色仪以及相敏探测系统构成。通过调制泵浦激光对样品加以周期性的微扰，使其内建电场产生相同周期的微小变化，最后通过测量微小变化获得相应的信息。相对于反射光谱，PR光谱能够有效的去除光谱的干扰信号，获得更多的光跃迁信息。但是传统的PR光谱测量在两方面受到限制：(a)泵浦激光的漫反射干扰；(b)泵浦激光照射到样品上产生的光致发光(PL)信号的干扰。

FTIR光谱仪与单色仪相比，具有多通道和高光通量的优点，因此在传统的单色分光测量几乎无法实施的领域取得成功应用，极大地增进了对相关材料光电特性的认识。但是利用FTIR光谱仪进行调制实验(例如PR光谱测量)时，为了得到具有良好信噪比的信号，要使得调制频率远高于FTIR光谱仪的最高傅立叶频率。然而对于现有的斩波器，这一点是一个无法逾越的障碍。FTIR光谱仪快速扫描方式本身也无法将傅立叶变换频率与泵浦激光的调制频率截然分开，导致FTIR光谱仪快速扫描方式下PR光谱测量实现的困难性。

发明内容

综上所述，有效去除泵浦激光的漫反射及其照射到样品上产生的PL信号干扰，将傅立叶变换频率与泵浦激光的调制频率截然分开，乃是本发明所要解决的关键技术问题。因此，本发明的目的在于提供一种基于步进扫描的红外傅立叶变换光调制反射光谱方法及装置。使之能显著提高灵敏度、有效抑制背景干扰、快捷易操作，从而为不同波段的PR光谱的研究提供了一种有效途径。

本发明的技术构思的核心是使用具有连续和步进扫描功能的FTIR光谱仪，还包括泵浦激光、斩波器、双通道锁相放大器以及低通滤波器等组件。对于步进扫描的PR光谱测量，探测光进入干涉仪部件，信号经过干涉仪部件傅立叶变换后，入射到样品上。泵浦光提供的激发源经过斩波器调制成正弦波，照射到样品上；斩波器的调制频率同时作为参考频率进入锁相放大器。探测光照射到样品上产生的反射光信号(R)，由探测器转换为电信号，馈入低通滤波器；泵浦光照射到样品上产生的反射光信号强度的变化(ΔR)，经由探测器转换为电信号，馈入锁相放大器。然后将两路信号输出到电路控制板，最后通过傅立叶变换得到PR光谱。通过不同的光源、分束器和探测器的组合，可以获得不同波段的PR光谱的有效测量。例如选择Ar+激光器，卤素灯/硅碳棒，CaF₂/KBr分束器，Si/InGaAs/液氮制冷的MCT探测器，可以实现对0.5～26μm波段范围PR光谱的有效测量。

综上所述，本发明的技术方案如下：

根据本发明的一种基于步进扫描的光调制反射光谱装置，包括：

-激光器，其产生连续泵浦激光；-傅立叶变换红外光谱测量系统，其具有傅立叶变换红外光谱仪和与之相配合的傅立叶变换红外光谱处理的计算机，反射样品架，其上置放测试样品，宽波段光源发出的探测光进入干涉仪部件，该部件中的动镜置于步进扫描状态，经过干涉仪部件后再经过样品反射后进入探测器，以及通过低通滤波器和计算机相连接的电路控制板；-光调制装置，其包括成电路联结的锁相放大器和斩波器，该斩波器将激光器发出的连续泵浦激光斩波形成调制激光，其入射至样品架上的样品而产生反射光信号强度的变化，另外该调制激光还作为锁相放大器的参照信号馈入其参考信号输入端；该锁相放大器的信号输入端连接该探测器的输出端；而其输出端则与该电路控制板的输入端相连接。

所述的锁相放大器为Standford SR830 DSP型锁相放大器；所述的斩波器为Standford SR540型机械斩波器；所述的激光器为Coherent 360型氩离子激光器；所述的傅立叶变换红外谱仪为Bruker IFS660v/S型FTIR光谱仪；以及所述的样品为可见、近、中和远红外半导体材料，例如GaN_xAs_1-x/GaAs单量子阱和Ga_1-xIn_xP/AlGaInP多量子阱材料。

根据同一发明构思，本发明的一种基于步进扫描傅立叶变换红外光谱仪的光调制反射光谱方法，其步骤包括：

S1、通过对入射到测试样品的泵浦激光进行幅度调制，并结合在FTIR光谱仪的探测器和电路控制板之间接入锁相放大器，进行相敏检测，消除泵浦光的漫反射信号以及泵浦光产生的PL信号对中、远红外波段光调制反射光谱的干扰；

S2、利用FTIR光谱仪的步进扫描功能，消除傅立叶频率，从而放松对泵浦光调制频率选取的苛刻限制，使中、远红外波段光调制反射光谱方法真正可行；

S3、结合锁相放大器的相敏检测与FTIR光谱仪连续傅立叶变换红外光谱的数据处理方法，显著增强中、远红外波段微弱光信号的探测能力，有效缩短光谱采集所需时间。

进一步，在步骤S1之前还有预调节步骤S0，其系将FTIR光谱仪置于连续扫描的信号监控状态，通过调整、优化与位于反射样品架上的测试样品相关的光路，使该光谱仪监测到的反射信号达到极大。

另外，所述的测试样品为所有中、远红外半导体材料，例如本发明专利所例举的GaN_xAs_1-x/GaAs单量子阱和Ga_1-xIn_xP/AlGaInP多量子阱样品。

与现有基于单色仪的调制方法相比，本发明的最大优点是：

1.具有多通道和高光通量特点、探测灵敏度高、有效抑制泵浦光引入的干扰信号，有利于中、远红外波段光电材料PR特性测量；

2.同一时间获得所有波段的PR光谱信息，实验时间显著缩短；

3.由于傅立叶频率与泵浦激光调制频率的截然分开，锁相放大器采样时间常数的选取上限不再受限，因此既简便易行，又能够保证尽可能高的谱信噪比，尤其有利于对弱反射样品的PR光谱检测。

附图说明

图1给出了步进扫描光调制反射光谱测量(PR)的实验装置的示意图。

图2所示为室温下分子束外延生长GaN_xAs_1-x/GaAs(x＝4.7％)单量子阱样品的PR光谱。

图3分别给出了室温下，不同激发功率(80mw和20mw)下，分子束外延生长的Ga_1-xIn_xP/AlGaInP(x＝0.52)多量子阱样品的PR光谱。为了确定基态带-带跃迁能量，在图中也用虚线给出了室温下的PL光谱测量结果(40mW激发光激发)。

具体实施方式

下面根据图1-图3给出本发明的较好实施例，并予以详细描述，能更好地说明本发明的技术特征和功能特点，而不是用来限定本发明的范围。

从图1可见构成实施本发明所涉及的步进扫描的光调制反射光谱测量装置，在该光谱仪10、反射样品架4和计算机20之间接入光调制装置2中的锁相放大器21，以及在激光器3发出的泵浦激光束入射于样品5的通路上设置斩波器22，使之形成调制入射激光，更具体地说，本发明的步进扫描光调制反射光谱测量装置，包括-激光器3，其产生连续泵浦激光；-傅立叶变换红外光谱系统1，其上具有傅立叶红换红外光谱仪10和与其相配合的傅立叶变换红外光谱处理计算机20，光源1011发出的探测光进入干涉仪部件101，该部件101中的动镜1015置于步进扫描状态，信号经过干涉仪部件101傅立叶变换后，入射到反射样品架4上放置的样品5，反射后的信号送入探测器102，以及通过低通滤波器103和计算机20相连接的电路控制板104；一光调制装置2，其包括成电路联结的锁相放大器21和斩波器22，该斩波器22位于激光器3和样品5之间，将连续泵浦激光调制成调制激光入射到样品5上使反射光信号强度发生变化，该调制激光还作为锁相放大器21的参照信号馈入该放大器21的参考信号输入端，以及该放大器21的输入和输出端还分别连接探测器102和电路控制板104。

对于传统的PR光谱测量，探测器的输出包括三个部分

            S(λ)＝B(λ)K(λ)(R(λ)+ΔR(λ)sin(ωt+θ_R))

                +I_P(λ_P)K(λ_P)sin(ωt+θ_P)                 (1)

                +i_l(λ_l)K(λ_l)sin(ωt+θ_l)，

B(λ)是探测光的光谱，R(λ)和ΔR(λ)分别是样品的反射率和反射率的变化，K(λ)是探测器的响应。i_l和I_P分别是泵浦光及其产生的PL信号的强度。信号通过双通道的锁相放大器后成为

$S_{\mathrm{AC}}^{\mathrm{LIA}}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{u_{\mathrm{ref}}K\left(\mathrm{\λ}\right)}{2}(B\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\ΔR}\left(\mathrm{\λ}\right)\cos {\mathrm{\θ}}_R+(I_P\left({\mathrm{\λ}}_P\right)\cos {\mathrm{\θ}}_P+i_l\left({\mathrm{\λ}}_l\right)\cos {\mathrm{\θ}}_l)),---\left(2\right)$

式中第一项直接和ΔR(λ)相关，是PR测量所要获得的真实信号。第二和第三项是干扰信号，当它们的强度和ΔR(λ)相比拟的时候，就会实验结果产生很大影响。

基于FTIR光谱仪10的PR光谱测量中，I(δ)和B(σ)之间有如下的关系

$I\left(\mathrm{\δ}\right)=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}B\left(\mathrm{\σ}\right)\cos \left(2\mathrm{\π\σ\δ}\right)\mathrm{d\σ},$ $B\left(\mathrm{\σ}\right)=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}I\left(\mathrm{\δ}\right)\cos \left(2\mathrm{\π\σ\δ}\right)\mathrm{d\δ},---\left(3\right)$

如图1所示，探测器102接受到的信号包括四个部分

$I^d\left(\mathrm{\δ}\right)=I\left(\mathrm{\δ}\right)(R\left(\mathrm{\σ}\right)+\mathrm{\ΔR}\left(\mathrm{\σ}\right)\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_R))$

$+i_l^{\mathrm{intern}}\left(\mathrm{\δ}\right)+I_P\left(\mathrm{\Σ}\right)\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_P)+i_l\left({\mathrm{\σ}}_L\right)\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_l),---\left(4\right)$

式中右边四项分别和样品5的反射信号、泵浦光导致的反射率变化、FTIR光谱仪10内部的He-Ne激光信号、泵浦激光产生的PL信号、泵浦激光的漫反射信号相关。我们注意到后面三项都和斩波器22的调制频率有关系。I(δ)、i_lintern、I_P(∑)和i_l(σ_L)是探测光、He-Ne激光、PL信号和漫反射光强度。

输出信号通过AC耦合馈入锁相放大器21，然后信号乘以相敏探测器的参考信号，最后进入电路控制板104的信号为

$I_{\mathrm{AC},x}^{\mathrm{LIA}}\left(\mathrm{\δ}\right)=\frac{u_{\mathrm{ref}}{K}_{\mathrm{AC}}}{2}(I\left(\mathrm{\δ}\right)\mathrm{\ΔR}\left(\mathrm{\σ}\right)\cos {\mathrm{\θ}}_R+I_P\left(\mathrm{\Σ}\right)\cos {\mathrm{\θ}}_P+i_l\left({\mathrm{\σ}}_L\right)\cos {\mathrm{\θ}}_l),---\left(5\right)$

K_AC是锁相放大器21的传递函数，由锁相放大器21的灵敏度决定。在所考虑的频率范围中，K_AC可以作为一个常数。通过傅立叶变换得到的光谱为

$B_{\mathrm{AC},x}^{\mathrm{LIA}}\left(\mathrm{\σ}\right)=\frac{u_{\mathrm{ref}}{K}_{\mathrm{AC}}}{2}(\mathrm{\ΔR}\left(\mathrm{\σ}\right)B\left(\mathrm{\σ}\right)\cos {\mathrm{\θ}}_R+\frac{1}{2\mathrm{\π\σ}}(i_l\left({\mathrm{\σ}}_L\right)\cos {\mathrm{\θ}}_l+I_P\left(\mathrm{\Σ}\right)\cos {\mathrm{\θ}}_P)\sin \left(2\mathrm{\π\σ\δ}\right){|}_{\mathrm{\δ}=-\∞}^{\mathrm{\δ}=+\∞})$

$\≤\frac{u_{\mathrm{ref}}{K}_{\mathrm{AC}}}{2}(\mathrm{\ΔR}\left(\mathrm{\σ}\right)B\left(\mathrm{\σ}\right)\cos {\mathrm{\θ}}_R+\frac{1}{\mathrm{\π\σ}}(i_l\left({\mathrm{\σ}}_L\right)\cos {\mathrm{\θ}}_l+I_P\left(\mathrm{\Σ}\right)\cos {\mathrm{\θ}}_P)),---\left(6\right)$

式子右边三项分别和PR测量的真实信号、泵浦光的漫反射信号、泵浦光产生的PL信号相关，后面两项是干扰信号。和传统的PR光谱测量相比较，后面两项除以了因子πσ。在近红外区域σ□10⁴cm^-1，所以后两项被衰减，可以有效的抑制干扰信号。这是和传统的PR测量相比较，具有很大的优越性。

输出信号通过DC耦合进入低通滤波器103，可以得到

                 I_DC(δ)＝K_DCI(δ)R(σ)，Bx(σ)＝K_DCR(σ)B(σ)，    (7)

最后我们就可以得到的PR信号

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}=\frac{{2K}_{\mathrm{DC}}\cos {\mathrm{\θ}}_R}{u_{\mathrm{ref}}{K}_{\mathrm{AC}}}\·\frac{B_{\mathrm{AC}}^{\mathrm{LIAS}}\left(\mathrm{\σ}\right)}{B_{\mathrm{DC}}\left(\mathrm{\σ}\right)},---\left(8\right)$

我们可以发现步进扫描光调制反射光谱只包含了PR信号，和泵浦光的漫反射信号以及泵浦光产生的PL信号不相关。

基于上述思路，在本实施例中，锁相放大器21采用Standford SR830DSP锁相放大器、斩波器22采用Standford SR540机械斩波器、激光器3采用Coherent 360氩离子激光器、FTIR光谱仪10采用Bruker IFS66v/S型FTIR光谱仪进行本发明提出新方法的实施。其光路仍如图1所示，具体操作过程如下：

1.数据获取：首先移除斩波器22，并将探测器102的电输出信号直接馈送到电子控制部分。将FTIR光谱仪10置于连续扫描的信号监控状态，通过调整、优化样品5相关部分光路，使FTIR光谱仪10监测到的反射信号达到极大。然后获取基于步进扫描FTIR的光调制反射光谱，本发明在保持样品5相关光路不变的前提下，移入并开启斩波器22，并将探测器102输出信号通过AC耦合馈送到锁相放大器21的输入端，后者的x、y端输出分别接入到FTIR光谱仪10的电路控制板104的两个输入通道上。将斩波器22的工作频率设定在2kHz附近，并用其参考信号锁定锁相放大器21。然后，将FTIR光谱仪10置于步进扫描状态，并试运行光谱扫描过程，适当选取锁相放大器21的灵敏度，既保证整个扫描过程不致出现过载，又有尽可能高的微弱信号放大能力。选择锁相放大器21的采样积分时间，以保证其在步进扫描过程中始终处于锁定状态。再根据采样积分时间，设定FTIR光谱仪10步进等待时间。同时将探测器102输出信号通过DC耦合馈送到低通滤波器103。至此，可以正式开始光调制反射光谱的测量。

2.数据处理：本发明提出的基于步进扫描FTIR的光调制反射光谱也可以利用FTIR系统操控软件来完成傅立叶变换工作，因此便于实施。根据方程(6)～(8)，可以获得步进扫描的PR光谱。

在上述二方面中包含的本发明的关键发明点是(1)通过对泵浦光进行幅度调制，并结合相敏检测技术，消除泵浦光的漫反射信号以及泵浦光产生的PL信号对中、远红外波段光调制反射光谱的干扰；(2)同一时间获得所有波段的PR光谱信息，显著增强中、远红外波段微弱光信号的探测能力，有效缩短光谱采集所需时间；(3)利用FTIR光谱仪10的步进扫描功能，消除傅立叶频率，从而放松对泵浦光调制频率选取的苛刻限制，使中、远红外波段光调制反射光谱方法真正可行。

作为应用实例，我们运用步进扫描的调制反射光谱方法，测量了分子束外延生长GaN_xAs_1-x/GaAs(x＝4.7％)单量子阱和Ga_1-xIn_xP/AlGaInP(x＝0.52)多量子阱样品。

附图2给出了分子束外延生长GaN_xAs_t-x/GaAs(x＝4.7％)单量子阱样品的PR光谱，泵浦光波长为514.5nm，激发功率是50mW。我们在1.1eV和1.4eV可以明显观察到PR信号对应的峰，它们是对应于材料中GaNAs势阱和GaAs势垒的信号。如果利用传统的PR光谱测量方法测量，由于干扰信号较强，得到的信号要差的多。可见，步进扫描的PR测量能够去除干扰信号的影响，并且显著的提高光谱的信噪比。

然后我们来看一下样品的PL信号对于在PR光谱的影响。附图3给出了Ga_1-xIn_xP/AlGaInP(x＝0.52)多量子阱样品在室温下步进扫描的PR光谱。泵浦光波长为457.9nm，激发功率是20mW和80mW。为了确定基态带-带跃迁能量，在图中也用虚线给出了室温下的PL光谱测量结果(40mW激发光激发)。我们在图中可以明显观察到对应于材料中GaInP势阱和GaAs势垒的PR信号。据固体模型理论计算，右侧的一群峰分别对应于材料中的1e-1hh/le-1lh/2e-2hh/2e-21h四种类型的光跃迁。在相同条件下，PL信号要比PR信号强几个数量级，PR信号的信噪比比较差。对于Ga_1-xIn_xP/AlGaInP(x＝0.52)多量子阱样品，40mW激发光激发时凭人眼已经能观察到明显的红光。利用传统的PR光谱测量方法，无法完全消除PL信号的影响，真实的PR信号往往混杂在PL信号之中。然而利用步进扫描的光调制反射光谱，完全消除了PL信号对于在PR光谱的影响。同时随着激发功率的增加，步进扫描的PR光谱仍然具有良好的信噪比。可见本发明所提出方法的有效性，这为相应材料的光学性质研究提供了一种可靠的手段。

Claims (8)

1、一种基于步进扫描的光调制反射光谱测量装置，包括：

-激光器(3)，其产生连续的泵浦激光；

-傅立叶变换红外光谱测量系统(1)，其具有傅立叶变换红外光谱仪(10)和与之相配合的傅立叶变换红外光谱处理的计算机(20)；反射样品架(4)，其上置放测试样品(5)；傅立叶变换红外光谱仪(10)中的光源(1011)发出的探测光进入光谱仪的干涉仪部件(101)，该部件(101)中的动镜(1015)置于步进扫描状态；经过干涉仪部件(101)后出射信号照射样品(5)上，反射之后进入的探测器(102)，以及通过低通滤波器(103)和计算机(20)相连接的电路控制板(104)；

-光调制装置(2)，其包括形成电路联结的锁相放大器(21)和斩波器(22)，该斩波器(22)将激光器(3)连续发出的激发光束斩波形成调制激光，入射至反射样品架(4)上的样品(5)导致反射光信号强度发生变化，另外该调制激光光束的调制频率信号还作为锁相放大器(21)的参考信号馈入其参考信号输入端；该锁相放大器(21)的信号输入端连接该探测器(102)的输出端；而其输出端则与该电路控制板(104)的输入端相连接。

2、根据权利要求1的基于步进扫描的光调制反射光谱的测量装置，其特征在于：所述的傅立叶变换红外光谱仪具备连续和步进两种扫描功能。

3、根据权利要求1或2所述的基于步进扫描的光调制反射光谱的测量装置，其特征在于：所说的样品(5)是指所有中、远红外半导体材料。

4.根据权利要求3所述的基于步进扫描的光调制反射光谱的测量装置，其特征在于：所说的可见、近、中和远红外半导体材料为GaN_xAs_1-x/GaAs单量子阱和Ga_1-xIn_xP/AlGaInP多量子阱材料。

5、一种基于步进扫描傅立叶红外变换光谱仪的光调制反射光谱方法，其步骤包括：

S1、通过对入射到测试样品的泵浦光进行幅度调制，并结合在傅立叶变换红外光谱仪的探测器和电路控制板之间接入锁相放大器，进行相敏检测，消除泵浦光的漫反射信号以及泵浦光产生的光致发光信号对中、远红外波段光调制反射光谱的干扰；

S2、利用傅立叶红外变换光谱仪的步进扫描功能，消除傅立叶频率，从而放松对泵浦光调制频率选取的苛刻限制，使中、远红外波段光调制反射光谱方法真正可行；

S3、在同一时间获得所有波段的光调制反射光谱信息，显著增强中、远红外波段微弱光信号的探测能力，有效缩短光谱采集所需时间。

6、根据权利要求5所述的基于步进扫描傅立叶变换红外光谱仪的光调制反射方法，其特征在于：在S1之前还有预调节步骤S0，将傅立叶变换红外光谱仪置于连续扫描的信号监控状态，通过调整、优化与位于反射样品架上的测试样品相关的光路，使该光谱仪监测到的反射信号达到极大。

7.根据权利要求5所述的基于步进扫描傅立叶变换红外光谱仪的光调制反射方法，其特征在于：所说的样品(5)是指所有中和远红外半导体材料。

8.根据权利要求7所述的基于步进扫描傅立叶变换红外光谱仪的光调制反射方法，其特征在于：所说的中和远红外半导体材料为GaN_xAs_1-x/GaAs单量子阱和Ga_1-xIn_xP/AlGaInP多量子阱材料。

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