CN204439544U - 一种微弱光电流的探测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微弱光电流的探测系统，包括用于光学成像的照明光路，用于激发光电流的超连续谱激光系统激发光路，以及由探针、斩波器、锁相放大器、源表组成的电学测量系统。本实用新型实现了光激发贵金属表面等离激元衰退后形成的微弱光电流的探测，利用超连续谱激光系统能得到可见光到红外范围内的多个波段的激光，而利用斩波器与锁相放大器可以有效地屏蔽了噪声信号。

Description

一种微弱光电流的探测系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于测量微弱光电流的探测系统，用以提取噪声信号中的微弱电学信号。

背景技术

当光线入射到由贵金属构成的纳米颗粒上时，如果入射光子频率与贵金属纳米颗粒或金属岛传导电子的整体振动频率相匹配时，纳米颗粒或金属岛会对光子能量产生很强的吸收作用，就会发生局域表面等离激元共振现象(LSPR)。

这种振动在激发后会迅速衰减并同时产生热电子，如果在这种金属纳米颗粒与它周围有的半导体材料存在欧姆接触，并且这种半导体的能隙与纳米颗粒共振峰相匹配，则一部分热电子就会越过金属纳米颗粒与半导体间的肖特基势垒进入到半导体中，从而产生电流。根据修正福特理论有：

${\mathrm{\η}}_i\≈C_F\frac{{(\mathrm{hv}-q{\mathrm{\φ}}_B)}^2}{\mathrm{hv}},$

其中η为可穿过势垒的有效电子数，C_F为结构特定的福特发射系数，hv为光子能量，q_B为势垒能量。

当金属纳米颗粒与半导体构成肖特基势垒，由表面等离激元共振吸收谱来修订福特理论，有：

R(v)＝η_iS(v)，

其中，R(v)代表装置的响应度，S(v)代表等离激元的吸收光谱，S(v)由纳米粒子的类别、形状、大小等决定。

从上两式可以看出不是激光功率越强光电流就越强，由于不同类别、形状、大小的纳米粒子共振波长不同，所以必须采用在共振波长附近的激光激发才可以形成光电流。同时由于产生的光电流较小，在较大的噪声环境下很难探测到。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的难点，设计一套仪器来实现局域表面等离激元共振衰退所产生的微弱光电流的精确测量。

本实用新型的技术方案如下：

一种微弱光电流的探测系统，其特征在于，该探测系统包括用于光学成像的照明光路，用于激发光电流的超连续谱激光系统激发光路，以及电学测量系统；其中：所述照明光路包括光源和科勒照明系统，光源发出的光束经科勒照明系统处理后得到均匀而明亮的照明；所述超连续谱激光系统激发光路是由超连续谱激光系统发出激光，经过斩波器后带有一定频率，正入射到样品表面；所述电学测量系统包括与样品接触的探针、样品台、锁相放大器和源表，其中锁相放大器与源表通过导线与探针相连，提取出微弱的光电流信号。

进一步的，上述照明光路包括白光光源和科勒照明系统，其中科勒照明系统包括第一凸透镜、第一光阑、第二光阑、第二凸透镜、CMOS摄像头、第一半反半透镜、第三凸透镜、第二半反半透镜和物镜。白光光源发出的光束经第一凸透镜聚焦后，通过第一和第二光阑，调节第一、第二光阑的孔径大小可以控制白光光斑的大小和明暗，之后依次经过第一半反半透镜、第三凸透镜和第二半反半透镜射入物镜，最终聚焦到样品表面。由于照射样品表面会发生反射作用，同样反射光再次经所述物镜，第二半反半透镜、第三凸透镜和第一半反半透镜射入CMOS摄像头，可得到样品所成的光学像了。所述科勒照明光路是为了得到样品的光学像。

上述超连续谱激光系统激发光路包括超连续谱激光系统、第一反射镜、第二反射镜、第一偏振片、1/4拨片、第二偏振片、第四凸透镜、斩波器、第五凸透镜，以及与照明光路共用的第二半反半透镜和物镜；首先超连续谱激光系统发出激光经过第一反射镜与第二反射镜后使其在物镜聚焦后与照明光路共轴；接着为确保激光出射为严格的线偏振光，先通过第一偏振片使其初步变为线偏振光，之后由1/4拨片将线偏光变为圆偏光，而圆偏光经过第二偏振片再次变为严格的线偏光。采用两个偏振片与1/4拨片的结构可以严格控制激光的偏振性与偏振方向。根据实验所需的激光不同可以灵活改变偏振片与1/4拨片的组合形式，例如去掉第二偏振片可直接输出圆偏振光。激光出射第二偏振片后通过第四凸透镜使焦平面位于斩波器的叶片上，激光经过斩波器后带有一定频率，再经第五凸透镜和第二半反半透镜射入物镜，聚焦于样品表面。微调第四凸透镜的位置控制激光光斑移动至被测样品表面。总之，激发光路是控制表面等离激元产生的光路，可根据不同的实验需求改变激光的偏振方向，偏振状态以及强度等。

上述电学测量系统包括探针、样品台、锁相放大器和源表，其中探针轻触样品台上的样品，锁相放大器与源表通过导线与探针相连，并集成在一块PCB电路板上。这样不仅操作方便而且可以减少由导线与探针直接接触所带来的电阻。锁相放大器与斩波器相连，提取出光激发贵金属表面等离激元衰退后形成的微弱光电流信号。通常，通过一个斩波器控制器将斩波器与锁相放大器连接起来。所述探针为两根，分别接触样品的两个电极，两根探针均通过导线连接锁相放大器和源表。

应用上述微弱光电流的探测系统的步骤如下：白光光源发出光束经过科勒照明系统处理后提高了照明亮度的均匀性，并可以通过两个光阑有效调节白光光斑的大小和明暗。白光光束照射在样品表面会发生反射，反射光经两个半反半透镜射入CMOS摄像头，通过软件就可以在电脑上清楚地看清样品。接下来将探针轻轻点在样品的两个电极上，接入源表查看是否为通路。超连续光谱激光经过斩波器后带有一定频率，正入射样品表面，调节凸透镜的位置控制激光光斑的移动至被测样品表面，通过锁相放大器可以读出与斩波器频率相匹配的电流值，从而有效地降低了噪声信号。

本实用新型提供一种用于测量微弱光电流的探测系统，要求提取噪声信号中的微弱电学信号。所述探测系统具体包括：用于光学成像的照明光路，用于激发光电流的超连续谱激光系统光路，探针以及斩波器、锁相放大器、源表组成的电学测量系统。本实用新型实现了光激发贵金属表面等离激元衰退后形成的微弱光电流的探测，利用超连续谱激光系统能得到可见光到红外范围内的多个波段的激光，而利用斩波器与锁相放大器可以有效地屏蔽了噪声信号。这种微弱电流的探测系统在光感应、能量获取、成像和光探测等技术领域有重要的应用价值。

附图说明

图1为本实用新型微弱光电流探测系统的结构示意图。

图1中：1.白光光源，2.第一凸透镜，3.第一光阑，4.第二光阑，5.第二凸透镜，6.CMOS摄像头，7.第一半反半透镜，8.第三凸透镜，9.超连续谱激光系统，10.第一反射镜，11.第二反射镜，12.第一偏振片，13.1/4波片，14.第二偏振片，15.第四凸透镜，16.斩波器，17.第五凸透镜，18.第二半反半透镜，19.物镜，20.样品台，21.探针，22.锁相放大器，23.源表，24斩波器控制器。

图2为样品表面照明光束与激光光束示意图。

图2中：8.第三凸透镜，17.第五凸透镜，18.第二半反半透镜，19.物镜，20.样品台，21.探针。

具体实施方式

下面结合附图来解释本实用新型内容及其应用。所述的实施方案是为了更好地说明本实用新型，而不能理解为是对本实用新型的权利要求的限制。

本实施例的光电探测系统结构如图1所述，包括用于光学成像的照明光路，用于激发光电流的超连续谱激光系统激发光路，以及电学测量系统；其中，所述照明光路包括：白光光源1和由第一凸透镜2、第一光阑3、第二光阑4、第二凸透镜5、CMOS摄像头6、第一半反半透镜7、第三凸透镜8、第二半反半透镜18、20倍物镜19构成的科勒照明系统；所述超连续谱激光系统激发光路包括：超连续谱激光系统9、第一反射镜10、第二反射镜11、第一偏振片12、1/4拨片13、第二偏振片14、第四凸透镜15、斩波器16、第五凸透镜17、第二半反半透镜18、20倍物镜19；所述的电学测量系统包括：探针21、样品台20、锁相放大器22和源表23，其中锁相放大器22与源表23通过导线与探针21相连，并集成在一块PCB电路板。

该光电探测系统的具体工作过程是：白光光源1发出光束经过科勒照明系统(包括第一凸透镜2、第一光阑3、第二光阑4、第二凸透镜5、CMOS摄像头6、第一半反半透镜7、第三凸透镜8、第二半反半透镜18和物镜19)处理后提高了照明亮度的均匀性，并可以通过第一光阑3与第二光阑4有效调节白光光斑的大小和明暗。如图2所示，白光光束(由虚线表示)照射在样品台20上的样品表面发生反射，反射光(由虚线-点表示)经第二半反半透镜18、第三凸透镜8和第一半反半透镜7入射进CMOS摄像头6，通过软件就可以在电脑上清楚地看清样品。接下来将探针21轻轻点在样品的两个电极上，如图2所示，接入源表23查看是否为通路。如图2，打开超连续光谱激光系统9选择适当波长的激光(由实线表示)，激光经过斩波器16后带有一定频率(其中斩波器16的频率可以由斩波器控制器24来调整)，正入射到样品表面。调节第五凸透镜17的位置，控制激光光斑移动至被测样品表面，通过与斩波器16相连的锁相放大器22，如图1所示，读出电流值。

对于相应共振波长的选择，可以参照已有文献或通过超连续光谱激光系统9来改变波长，通过观察锁相放大器22输出电流值大小来决定相应波长。

Claims (6)

1.一种微弱光电流的探测系统，其特征在于，该探测系统包括用于光学成像的照明光路，用于激发光电流的超连续谱激光系统激发光路，以及电学测量系统；其中：所述照明光路包括光源和科勒照明系统，光源发出的光束经科勒照明系统处理后得到均匀而明亮的照明；所述超连续谱激光系统激发光路是由超连续谱激光系统发出激光，经过斩波器后带有一定频率，正入射到样品表面；所述电学测量系统包括与样品接触的探针、样品台、锁相放大器和源表，其中锁相放大器与源表通过导线与探针相连，提取出微弱的光电流信号。

2.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述照明光路包括白光光源和科勒照明系统，其中科勒照明系统包括第一凸透镜、第一光阑、第二光阑、第二凸透镜、CMOS摄像头、第一半反半透镜、第三凸透镜、第二半反半透镜和物镜；所述白光光源发出的光束经第一凸透镜聚焦后，通过第一光阑和第二光阑，再依次经过第一半反半透镜、第三凸透镜和第二半反半透镜射入物镜，最终聚焦到样品表面，而样品表面发生的反射光经所述物镜、第二半反半透镜、第三凸透镜和第一半反半透镜射入CMOS摄像头。

3.如权利要求2所述的探测系统，其特征在于，所述超连续谱激光系统激发光路包括超连续谱激光系统、第一反射镜、第二反射镜、第一偏振片、1/4拨片、第二偏振片、第四凸透镜、斩波器、第五凸透镜，以及与照明光路共用的第二半反半透镜和物镜；所述超连续谱激光系统发出激光经过第一反射镜与第二反射镜后使其在物镜聚焦后与照明光路共轴；激光通过第一偏振片初步变为线偏振光，之后由1/4拨片将线偏光变为圆偏光，而圆偏光经过第二偏振片再次变为严格的线偏光；接着激光通过第四凸透镜使焦平面位于斩波器的叶片上，形成带有一定频率的激光，再经第五凸透镜和第二半反半透镜射入物镜，聚焦于样品表面。

4.如权利要求3所述的探测系统，其特征在于，所述电学测量系统包括探针、样品台、锁相放大器和源表，其中探针轻触样品台上的样品，锁相放大器与源表通过导线与探针相连，锁相放大器又与斩波器相连。

5.如权利要求4所述的探测系统，其特征在于，所述斩波器通过斩波器控制器与锁相放大器相连。

6.如权利要求4所述的探测系统，其特征在于，所述探针为两根，分别接触样品的两个电极，两根探针均通过导线连接锁相放大器和源表。