CN218271972U - 一种采用k空间角分辨瞬态光谱和寿命测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用K空间角分辨瞬态光谱和寿命测试系统，包括用于接收激发光的分束器、微区显微装置、用于对样品激发出的信号光波进行聚焦处理的透镜系统、用于接收透镜系统处理后的信号光波的光谱仪；分束器将接收到的激发光反射到微区显微装置上的样品；样品激发出的信号光波透过所述的分束器进入透镜系统进行聚焦处理；信号光波经过聚焦形成光斑传输至所述的光谱仪，以获取K空间的角度分辨光信号。本实用新型实现对光谱K空间的测量成像的实时测量，获得K空间的角度分辨光信号，同步完成对K空间不同能量、波矢的光子寿命的测量。该光学信号反映了器件内部耦合体系的多粒子占据状态。

Description

一种采用K空间角分辨瞬态光谱和寿命测试系统

技术领域

本实用新型涉及半导体微腔激光芯片光谱测量技术领域，更具体的，涉及一种采用K空间角分辨瞬态光谱和寿命测试系统。

背景技术

半导体微腔激光及微纳结构自诞生，因其优越的光学特性越来越多的为人们所知，更多的应用被发掘出来，尤其是对高新技术比较敏感的信息化产业领域。微腔激光芯片已经广泛应用于高速光通讯领域，其应用的深度和广度都已经达到了前所未有的阶段，极大的促进了新一代信息化产业的发展。

随着激光芯片集成度的增加，超低功耗成为该领域的核心研究课题，这就需要对微腔中光和物质的相互作用模型和器件结构进行新颖的设计和测量技术。现有光谱测量技术中通常采用普通的光栅单色仪和CCD探测器(或光电倍增管)，此种设备只能单一的检测出器件发出的光子波长(能量)信息，这个缺陷影响了科研人员对器件内部多粒子体系在K空间占据状态和时间寿命的清晰物理认知。

实用新型内容

本实用新型为了解决以上现有技术中存在的不足与缺陷的问题，提供了一种采用K空间角分辨瞬态光谱和寿命测试系统。

为实现上述本实用新型目的，采用的技术方案如下：

一种采用K空间角分辨瞬态光谱和寿命测试系统，包括用于接收激发光的分束器、用于承载样品的微区显微装置、用于对样品激发出的信号光波进行聚焦处理的透镜系统、用于接收透镜系统处理后的信号光波的光谱仪；

所述的分束器将接收到的激发光反射到微区显微装置上的样品；

所述的样品激发出的信号光波透过所述的分束器进入透镜系统进行聚焦处理；

信号光波经过聚焦形成光斑传输至所述的光谱仪，以获取K空间的角度分辨光信号。

优选地，所述的微区显微装置包括用于承载样品的位移台；

所述的分束器将接收到的激发光反射到位移台上的样品；

所述的位移台上的样品激发出的信号光波反射回所述的分束器，并透过所述的分束器进入透镜系统进行聚焦处理。

进一步地，所述的微区显微装置还包括用于具有放大倍数的物镜；

所述的物镜设置在分束器与位移台之间，用于对分束器反射的激发光、和对样品激发出的信号光波进行放大。

优选地，所述的透镜系统包括依次排列的第一聚焦透镜、焦点孔板、第二聚焦透镜；

所述的第一聚焦透镜，对透过所述的分束器的信号光波进行聚焦；

所述的焦点孔板，用于接收所述的第一聚焦透镜对所述的信号光波聚焦的焦点；

所述的第二聚焦透镜，用于将聚焦的信号光波转换为平行的信号光波进入所述的光谱仪。

优选地，所述的测试系统还包括至少一个用于改变信号光波传播方向的反射镜；

所述的反射镜设置在所述的分束器与所述的透镜系统之间。

进一步地，所述的测试系统还包括反射与透射的一定比例入射光的第一分束器、用于对样品的微纳结构进行寻址的成像装置；

所述的第一分束器设置在所述的焦点孔板和所述的第二聚焦透镜之间；

通过所述的焦点孔板的信号光波，一部分穿过所述的第一分束器进入所述的光谱仪，并且另一部分通过所述的第一分束器反射至成像装置。

再进一步地，所述的成像装置包括成像相机、光源和成像分束器；

所述的光源发出的光线、与第一分束器反射的所述信号光波一起经过所述的成像分束器后，进入到所述的成像相机进行成像。

再进一步地，所述的测试系统还包括反射与透射的一定比例入射光的第二分束器、分光器、光子计数器；

所述的第二分束器设置在所述的第二聚焦透镜与光谱仪之间；

通过第二聚焦透镜的信号光波，一部分穿过所述的第二分束器进入所述的光谱仪，另一部分通过第二分束器反射到所述的分光器；

所述的分光器，用于接收经所述第二分束器反射的信号光波；

所述的光子计数器，用于根据接收分光器输出的信号光波，实时获取样品的多粒子体系光谱信号的瞬态时间寿命信息。

再进一步地，所述的物镜的放大倍数为50倍。

再进一步地，所述的成像相机采用5倍、或20倍、或50倍的紫外显微物镜。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型所述的采用K空间角分辨瞬态光谱和寿命测试系统通过激发光激发位于所述位移台的样品激发出信号光波，光谱仪通过透镜系统接收信号光波，实现对光谱K空间的测量成像的实时测量，获得K空间的角度分辨光信号，该光学信号反映了器件内部耦合体系的多粒子占据状态。

该测量系统在进行测量过程中，不但可以给出波长能量信息，还将提供粒子在不同动量空间和能态的占据状态信息以及瞬态时间寿命信息。

附图说明

图1是本实用新型的采用K空间角分辨瞬态光谱和寿命测试系统的原理图。

图2是本实用新型所述的分光器与光子计数器的工作原理图。

图中，1-激发光；2-分束器；3-物镜；4-反射镜；5-第一聚焦透镜；6、焦点孔板；7-第一分束器；8-第二分束器；9-光源；10-成像相机；11-成像分束器；12-光谱仪；13-分光器；14-光子计数器；15-位移台；16-第二聚焦透镜；17-可调节狭缝；18-参考光；19-甄别光电探测器；20-光子计数数据采集分析器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做详细描述。

实施例1

如图1所示，一种采用K空间角分辨瞬态光谱和寿命测试系统，包括用于接收激发光1的分束器2、用于承载样品的微区显微装置、用于对样品激发出的信号光波进行聚焦处理的透镜系统、用于接收透镜系统处理后的信号光波的光谱仪12；

所述的分束器2将接收到的激发光1反射到微区显微装置上的样品；

所述的样品激发出的信号光波透过所述的分束器2进入透镜系统进行聚焦处理；

信号光波经过聚焦形成光斑传输至所述的光谱仪12，以获取K空间的角度分辨光信号。

本实施例中所述的激发光1通过激发装置产生；所述的样品可以是微腔激光芯片或微纳结构器件。本实施例优选波长为325nm紫外激光作为激发光1，相应的所述的激发装置采用能产生325nm紫外激光的激光器。

所述的光谱仪12(Spectroscope)是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成，利用光谱仪12可测量物体表面反射的光线。所述的光谱仪12包括以下几个主要部分：

入射狭缝，在入射光的照射下形成光谱仪12成像系统的物点。

准直元件，使狭缝发出的光线变为平行光。该准直元件可以是一独立的透镜、反射镜4、或直接集成在色散元件上，如凹面光栅光谱仪12中的凹面光栅。

色散元件，通常采用光栅，使光信号在空间上按波长分散成为多条光束。

聚焦元件，聚焦色散后的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狭缝的像，其中每一像点对应于一特定波长。

探测器阵列，放置于焦平面，用于测量各波长像点的光强度。该探测器阵列可以是CCD阵列或其它种类的光探测器阵列。

本实施例利用激光装置产生的激发光1输入到分束器2，所述的分束器2将接收到的激发光1反射到微区显微装置上的样品，如微纳结构器件。所述的微纳结构器件激发出的信号光波，发射回的信号光波透过所述的分束器2进入透镜系统进行聚焦处理，再输入所述的光谱仪12，以获取K空间的角度分辨光信号。本实施例所述的测量系统能实现对光谱K空间的测量成像的实时测量。

在一个具体的实施例中，所述的测试系统还包括至少一个用于改变信号光波传播方向的反射镜4；

所述的反射镜4设置在所述的分束器2与所述的透镜系统之间，用于改变分束器2与透镜系统的信号光波的传播方向。

实施例2

在实施例1的基础上，更具体地，本实施例所述的微区显微装置包括用于承载样品的位移台15；

所述的分束器2将接收到的激发光1反射到位移台15上的样品；

所述的位移台15上的样品激发出的信号光波反射回所述的分束器2，并透过所述的分束器2进入透镜系统进行聚焦处理。

本实施例所述的位移台15可以是XY轴平移、或XYZ三轴平移或多轴平移。也可以采用手动位移台15，也可以采用电动位移台15。

在一个具体的实施例中，所述的微区显微装置还包括用于具有放大倍数的物镜3；

所述的物镜3设置在分束器2与位移台15之间，用于对分束器2反射的激发光1、和对样品激发出的信号光波进行放大。

所述的物镜3可以由一个透镜或几个透镜的组合构成具有一定倍数的透镜组。任意具有放大倍数组合的物镜3都属于本实施例的保护范围，本实施例技术人员可以根据具体倍数要求设置不同组合的物镜3，在此不再详细累述。

本实施例所述的物镜3的倍数可以是10倍、15倍、20倍、30倍、40倍、50倍等等在此不再穷举。优选地，本实施例选择放大倍数为50倍的物镜3。

优选由若干个透镜组合而成的物镜3，通过组合使用的目的是为了克服单个透镜的成像缺陷，提高物镜3的光学质量。

实施例3

在实施例1或实施例2的基础上，更具体地，所述的透镜系统包括依次排列的第一聚焦透镜5、焦点孔板6、第二聚焦透镜16；

所述的第一聚焦透镜5，对透过所述的分束器2的信号光波进行聚焦；

所述的焦点孔板6，用于接收所述的第一聚焦透镜5对所述的信号光波聚焦的焦点；

所述的第二聚焦透镜16，用于将聚焦的信号光波转换为平行的信号光波进入所述的光谱仪12。

本实施例所述的第一聚焦透镜5、第二聚焦透镜16的类型可以采用平凸、或正凹凸、或双凸。

所述的信号光波经过第一聚焦透镜5变换为实空间信号，进一步通过第二聚焦透镜16变换为K空间光信号进入光谱仪12内，获得K空间的角度分辨光信号，该光学信号反映了器件内部耦合体系的多粒子占据状态。

通过所述的信号光波依次通过第一聚焦透镜5、焦点孔板6、第二聚焦透镜16，第二聚焦透镜16用于所述信号光波在所述焦点孔板6聚焦后，经所述第二聚焦透镜16转换为平行光进入所述光谱仪12，形成光斑尺寸为2.5um*2.5um的信号光波进入所述光谱仪12。

实施例4

在实施例3的基础上，更具体地，所述的测试系统还包括反射与透射的一定比例入射光的第一分束器7、用于对样品的微纳结构进行寻址的成像装置；

所述的第一分束器7设置在所述的焦点孔板6和所述的第二聚焦透镜16之间；

通过所述的焦点孔板6的信号光波，一部分穿过所述的第一分束器7进入所述的光谱仪12，并且另一部分通过所述的第一分束器7反射至成像装置。

在一个具体的实施例中，所述的成像装置包括成像相机10、光源9和成像分束器11；

所述的光源9发出的光线、与第一分束器7反射的所述信号光波一起经过所述的成像分束器11后，进入到所述的成像相机10进行成像。

所述的光源9为紫外氘灯，所述成像相机10具有200万像素CCD，以IR/GR增透膜作为成像透镜。

所述的成像相机10采用5倍、或20倍、或50倍的紫外显微物镜3。

本实施例中，所述的成像装置用于对样品的微纳结构进行寻址，大大的提高了整机测试效率。

其中，第一分束器7采用高质量、低损耗融石英基底分束镜实现对光信号在自由空间传播的控制。

实施例5

在实施例3或实施例4的基础上，更具体地，所述的测试系统还包括反射与透射的一定比例入射光的第二分束器、分光器13、光子计数器14；

所述的第二分束器设置在所述的第二聚焦透镜16与光谱仪12之间；

通过第二聚焦透镜16的信号光波，一部分穿过所述的第二分束器进入所述的光谱仪12，另一部分通过第二分束器反射到所述的分光器13；

所述的分光器13，用于接收经所述第二分束器反射的信号光波；

所述的光子计数器14，用于根据接收分光器13输出的信号光波，实时获取样品的多粒子体系的时间寿命信息。

其中，第二分束器采用高质量、低损耗融石英基底分束镜实现对光信号在自由空间传播的控制。

如图1所示，所述信号光波穿过所述第一分束器7后，经所述第二分束器进入所述光谱仪12，并且所述第二分束器反射所述信号光波。所述分光器13于接收经所述第二分束器反射的所述信号光波，光子计数器14与所述分光器13连接，用于获取所述信号光波的多粒子体系的时间寿命信息。所述分光器13的波长分辨精度为0.1纳米，精度为0.5纳米。所述光子计数器14用于测量信号光波的光信号寿命，所述光子计数器14的精度为5皮秒。分光器13和光子计数器14用于实时的获取微腔激光芯片或微纳结构内部的多粒子体系的时间寿命信息。如图2所示，通过分光器13将信号光不同能量光子在空间上进行分离，利用可调节狭缝17选取待测量的光信号，并将该光信号耦合进入光子计数器14。同时需将参考光18耦合入甄别光电探测器19，甄别光电探测器19产生光脉冲电信号并将该光脉冲电信号作为触发电脉冲输入光子计数数据采集分析器20，最后完成单色光信号的时间寿命测量。

工作时，激发光1(优选波长为325nm紫外激光)通过分束板的反射，再通过物镜3聚焦在样品表面，可充分提高泵浦光源9激发样品内部上能态粒子数密度。

然后。样品内部输出的信号光波经过物镜3的收集，再通过反射镜4进行高效反射。这里采用标准的长工作距离消色差的物镜3实现对激发光1和信号光波的聚焦。

接着，信号光波经过第一聚焦透镜5变换为实空间信号，进一步通过第二聚焦透镜16变换为K空间光信号进入光谱仪12内，获得K空间的角度分辨光信号，该光学信号反映了器件内部耦合体系的多粒子占据状态。

此外，信号光波经第一分束器7进入成像装置内，通过光源9和成像相机10并结合位移台15定位微纳结构器件位置并获得实空间的像，可以迅速的对微纳结构进行寻址，大大的提高了整机测试效率。利用泵浦光(激发光1)激励样品产生粒子数占据态的分布，进而利用高分辨光谱仪12获得K空间的角度分辨光信号，该光学信号反映了器件内部耦合体系的多粒子占据状态。

最后，信号光波还经第二分束器进入分光器13，利用单色光分光器13将样品产生的光信号进行分光，并将单色光信号耦合进入光子计数器14，可以实时的获取微腔激光芯片或微纳结构内部的多粒子体系的占据状态和时间寿命信息。

所述的采用K空间角分辨瞬态光谱和寿命测试系统通过激发光1激发位于所述位移台15的样品激发出信号光波，光谱仪12通过透镜系统接收信号光波，实现对光谱K空间的测量成像的实时测量。该系统在进行测量过程中，不但可以给出波长能量信息，还将提供粒子在不同动量空间的占据状态信息。

本实施例所述的采用K空间角分辨瞬态光谱和寿命测试系统还通过光子计数器14实时的给出粒子在不同状态的时间寿命，给科研人员提供丰富的微腔及微纳结构体系粒子的数据，并有利于进行优化设计。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用K空间角分辨瞬态光谱和寿命测试系统，其特征在于：包括用于接收激发光(1)的分束器(2)、用于承载样品的微区显微装置、用于对样品激发出的信号光波进行聚焦处理的透镜系统、用于接收透镜系统处理后的信号光波的光谱仪(12)；

所述的分束器(2)将接收到的激发光(1)反射到微区显微装置上的样品；

所述的样品激发出的信号光波透过所述的分束器(2)进入透镜系统进行聚焦处理；

信号光波经过聚焦形成光斑传输至所述的光谱仪(12)，以获取K空间的角度分辨光信号。

2.根据权利要求1所述的采用K空间角分辨瞬态光谱和寿命测试系统，其特征在于：所述的微区显微装置包括用于承载样品的位移台(15)；

所述的分束器(2)将接收到的激发光(1)反射到位移台(15)上的样品；

所述的位移台(15)上的样品激发出的信号光波反射回所述的分束器(2)，并透过所述的分束器(2)进入透镜系统进行聚焦处理。

3.根据权利要求2所述的采用K空间角分辨瞬态光谱和寿命测试系统，其特征在于：所述的微区显微装置还包括用于具有放大倍数的物镜(3)；

所述的物镜(3)设置在分束器(2)与位移台(15)之间，用于对分束器(2)反射的激发光(1)、和对样品激发出的信号光波进行放大。

4.根据权利要求1所述的采用K空间角分辨瞬态光谱和寿命测试系统，其特征在于：所述的透镜系统包括依次排列的第一聚焦透镜(5)、焦点孔板(6)、第二聚焦透镜(16)；

所述的第一聚焦透镜(5)，对透过所述的分束器(2)的信号光波进行聚焦；

所述的焦点孔板(6)，用于接收所述的第一聚焦透镜(5)对所述的信号光波聚焦的焦点；

所述的第二聚焦透镜(16)，用于将聚焦的信号光波转换为平行的信号光波进入所述的光谱仪(12)。

5.根据权利要求1所述的采用K空间角分辨瞬态光谱和寿命测试系统，其特征在于：所述的测试系统还包括至少一个用于改变信号光波传播方向的反射镜(4)；

所述的反射镜(4)设置在所述的分束器(2)与所述的透镜系统之间。

6.根据权利要求4所述的采用K空间角分辨瞬态光谱和寿命测试系统，其特征在于：所述的测试系统还包括反射与透射的一定比例入射光的第一分束器(7)、用于对样品的微纳结构进行寻址的成像装置；

所述的第一分束器(7)设置在所述的焦点孔板(6)和所述的第二聚焦透镜(16)之间；

通过所述的焦点孔板(6)的信号光波，一部分穿过所述的第一分束器(7)进入所述的光谱仪(12)，并且另一部分通过所述的第一分束器(7)反射至成像装置。

7.根据权利要求6所述的采用K空间角分辨瞬态光谱和寿命测试系统，其特征在于：所述的成像装置包括成像相机(10)、光源(9)和成像分束器(11)；

所述的光源(9)发出的光线、与第一分束器(7)反射的所述信号光波一起经过所述的成像分束器(11)后，进入到所述的成像相机(10)进行成像。

8.根据权利要求4所述的采用K空间角分辨瞬态光谱和寿命测试系统，其特征在于：所述的测试系统还包括反射与透射的一定比例入射光的第二分束器(8)、分光器(13)、光子计数器(14)；

所述的第二分束器(8)设置在所述的第二聚焦透镜(16)与光谱仪(12)之间；

通过第二聚焦透镜(16)的信号光波，一部分穿过所述的第二分束器(8)进入所述的光谱仪(12)，另一部分通过第二分束器(8)反射到所述的分光器(13)；

所述的分光器(13)，用于接收经所述第二分束器(8)反射的信号光波；

所述的光子计数器(14)，用于根据接收分光器(13)输出的信号光波，实时获取样品的多粒子体系的时间寿命信息。

9.根据权利要求3所述的采用K空间角分辨瞬态光谱和寿命测试系统，其特征在于：所述的物镜(3)的放大倍数为50倍。

10.根据权利要求7所述的采用K空间角分辨瞬态光谱和寿命测试系统，其特征在于：所述的成像相机(10)采用5倍、或20倍、或50倍的紫外显微物镜(3)。

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