專利名稱：一種采用雙調(diào)制方案提高光熒光測試靈敏度的測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體測試及光譜技術(shù)，特別是涉及一種采用雙調(diào)制方 案提高光熒光測試靈敏度的測試系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
自上世紀(jì)六十年代半導(dǎo)體激光器發(fā)明以來，各種半導(dǎo)體光電材料發(fā)展迅速，其結(jié) 構(gòu)已由簡單的體材料發(fā)展到復(fù)雜的、異質(zhì)結(jié)、量子阱、超晶格等微結(jié)構(gòu)材料，涉及的波長范 圍由早期在近紅外的狹窄波段拓展到整個紫外、可見、近紅外、中紅外乃至遠(yuǎn)紅外波段，材 料體系也包含VI、III-V、II-VI, IV-VI及有機(jī)化合物等，不一而足。半導(dǎo)體激光器已包括 分布反饋、面發(fā)射以及量子級聯(lián)等等多種形式，其基本結(jié)構(gòu)也已由雙極型擴(kuò)展到單極型，激 射波長由近紅外、可見波段拓展到中紅外、遠(yuǎn)紅外以及紫外波段，很多種類的激光器已實現(xiàn) 了商品化并應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。隨著半導(dǎo)體激光器理論及材料生長技術(shù)的進(jìn)步，一些新型的 半導(dǎo)體激光器在近十年中有了長足的發(fā)展。對于半導(dǎo)體光電材料，評價其性能及了解其內(nèi)部各種機(jī)理的重要和不可替代的手 段是光熒光測量。光熒光測量中采用波長小于所測材料帶隙或特征結(jié)構(gòu)對應(yīng)波長的光源進(jìn) 行激發(fā)，同時用光譜學(xué)方法測量材料在此激發(fā)下的發(fā)光性能及其譜特征，據(jù)此獲得被測材 料的相關(guān)信息。此種方法在半導(dǎo)體材料和半導(dǎo)體物理研究領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用數(shù)十年，取得了 很好的效果，但仍存在一些不足之處。例如光熒光測量中由于所研究的樣品發(fā)光經(jīng)常十分 微弱，這就給測量帶來困難，一些測量系統(tǒng)常不能勝任。采用傅立葉變換光譜儀進(jìn)行光熒光 測量由于其光通量較大，雖然可在一定程度上改善測試靈敏度，但效果仍十分有限，這些都 大大限制了這種有效方法的測試表征能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種采用雙調(diào)制方案提高光熒光測試靈敏度 的測試系統(tǒng)，可大幅提高光熒光測試的靈敏度。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種采用雙調(diào)制方案提高光熒 光測試靈敏度的測試系統(tǒng)，包括激光器、光路部件、傅立葉變換光譜儀、鎖相放大器，所述的 光路部件包括反射鏡、透鏡和拋物面鏡，并構(gòu)成測試光路；所述的激光器配有具有調(diào)制功能 的激光器電源，并通過脈沖發(fā)生器進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制；所述的激光器發(fā)射出的調(diào)制激光經(jīng)過所 述的反射鏡轉(zhuǎn)換方向后由所述的透鏡聚焦直接照射在被測樣品上，所述的被測樣品產(chǎn)生的 光熒光通過拋物面鏡收集轉(zhuǎn)向準(zhǔn)直后以寬光束形式送達(dá)至所述的傅立葉變換光譜儀中的 麥克爾遜干涉儀，由所述的傅立葉變換光譜儀中的探測器接收所述的麥克爾遜干涉儀發(fā)出 的信號，再由所述的傅立葉變換光譜儀中的前置放大器放大后送入所述的鎖相放大器的信 號輸入端；所述的鎖相放大器的信號參考輸入端與所述的脈沖發(fā)生器相連，輸出端與所述 的傅立葉變換光譜儀中的電子學(xué)系統(tǒng)相連。所述的激光器為功率半導(dǎo)體激光器或全固態(tài)半導(dǎo)體激光器。
所述的激光器的調(diào)制頻率至少是所述的傅立葉變換光譜儀的傅立葉變換頻率的三倍。所述的鎖相放大器的時間常數(shù)大于所述的激光器的調(diào)制頻率所對應(yīng)的周期，小于 所述的傅立葉變換光譜儀的傅立葉變換頻率所對應(yīng)的周期。所述的被測樣品包括發(fā)光波長大于所述激光器的發(fā)射波長的InP基的InGaAs、 InGaAsP, InAlGaAs 以及 GaSb/InAs 基的 InGaAsSb、AlInAsSb、InAsPSb 的體材料和微結(jié)構(gòu) 材料。所述的光路部件和激光器均安裝在光學(xué)面包板上構(gòu)成一體化部件，并利用采用硅 CCD/CMOS的普通數(shù)碼相機(jī)或攝像頭進(jìn)行光路調(diào)節(jié)。有益效果由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點和積極效 果本發(fā)明選擇合適的光激發(fā)激光器并對其進(jìn)行調(diào)制，同時在信號檢測中增加鎖相放大和 解調(diào)，以此有效提高光熒光測試的靈敏度，并且整個測試系統(tǒng)用一體化的簡單高效的光路 便可實現(xiàn)，光路的調(diào)節(jié)可通過硅(XD/CM0S的普通數(shù)碼相機(jī)或攝像頭加以實現(xiàn)，十分方便。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的測試結(jié)果圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。本發(fā)明的實施方式涉及一種采用雙調(diào)制方案提高光熒光測試靈敏度的測試系統(tǒng)， 包括激光器、光路部件、傅立葉變換光譜儀、鎖相放大器，所述的光路部件包括反射鏡、透鏡 和拋物面鏡，并構(gòu)成測試光路；所述的激光器配有具有調(diào)制功能的激光器電源，并通過脈沖 發(fā)生器進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制；所述的激光器激發(fā)出的調(diào)制激光經(jīng)過所述的反射鏡轉(zhuǎn)換方向后由所 述的透鏡聚焦直接照射在被測樣品上，所述的被測樣品產(chǎn)生的光熒光通過拋物面鏡收集轉(zhuǎn) 向準(zhǔn)直后以寬光束形式送達(dá)至所述的傅立葉變換光譜儀中的麥克爾遜干涉儀，由所述的傅 立葉變換光譜儀中的探測器接收所述的麥克爾遜干涉儀發(fā)出的信號，再由所述的傅立葉變 換光譜儀中的前置放大器放大后送入所述的鎖相放大器的信號輸入端；所述的鎖相放大器 的信號參考輸入端與所述的脈沖發(fā)生器相連，輸出端與所述的傅立葉變換光譜儀中的電子 學(xué)系統(tǒng)相連。本發(fā)明應(yīng)用的前提是使用的半導(dǎo)體激光器或由半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器， 可以很方便地進(jìn)行較高頻率的調(diào)制以滿足雙調(diào)制方案的要求。雙調(diào)制方案對被測光信號調(diào) 制頻率的基本要求是此調(diào)制頻率應(yīng)該不與傅立葉變換頻率重合，且希望盡量分開以使兩 種頻率的信號能分開處理，一般希望對被測光信號采用盡可能高的調(diào)制頻率以使后續(xù)信號 處理容易進(jìn)行，同時也盡量降低傅立葉變換信號的頻率以避免干擾。雙調(diào)制方案在半導(dǎo)體材料的傅立葉變換光熒光測試中一直未能應(yīng)用，這主要是因為傳統(tǒng)光熒光測量中常用可見 光波段的He-Ne、Ar+、YAG及紫外波段的He-Cd等種類的氣體或固體激光器作為激發(fā)光源， 但是這些種類的激光器一般不具有內(nèi)部調(diào)制功能，而采用外部調(diào)制器也會受到很大限制。 比如說，使用外部電光調(diào)制器調(diào)制時，需要的電壓很高且不易獲得，而采用機(jī)械調(diào)制器調(diào)制 時，其調(diào)制頻率一般在幾千赫茲以下不能滿足雙調(diào)制方案的要求。本發(fā)明中選擇功率半導(dǎo)體激光器或全固態(tài)半導(dǎo)體泵浦(DPSS)激光器等作為激發(fā) 激光器，一方面這些種類的激光器具有內(nèi)部調(diào)制功能，只需采用低電壓的模擬或數(shù)字信號 即可對其進(jìn)行幅度調(diào)制，調(diào)制頻率可達(dá)幾萬赫茲，輸出功率也能滿足要求，且與傳統(tǒng)的可見 光波段He-Ne、Ar+、YAG及紫外波段的He-Cd等種類的氣體或固體激光器相比具有體積小、 效率高、使用方便等優(yōu)點；另一方面在較長的工作波長上也有較大的波長選擇余地，可達(dá) 到較高的綜合性價比，例如808nm、980nm及1450nm的大功率半導(dǎo)體激光器已廣泛用于各 種泵浦源，采用半導(dǎo)體激光器泵浦的各種二極管泵浦固體激光器已有了較多的波長選擇范 圍，如 475nm、532nm、594nm 及 1064nm 等等。本發(fā)明中選取光激發(fā)激光器的調(diào)制頻率需滿足雙調(diào)制方案的要求調(diào)制頻率應(yīng)該 不與傅立葉變換頻率重合，且希望盡量分開以使兩種頻率的信號能分開處理。測量波數(shù)V、 動鏡掃描速度ν和傅立葉變換頻率fv，這三者之間滿足關(guān)系為fv = 2vv,因此首先可根據(jù) 測量波數(shù)范圍定出傅立葉變換頻率的范圍。再根據(jù)光激發(fā)激光器的調(diào)制頻率選取以盡量遠(yuǎn) 離傅立葉變換頻率為原則，一般使脈沖發(fā)生器的調(diào)制頻率至少比傅立葉變換頻率高3倍以 上。本發(fā)明中選取鎖相放大器的時間常數(shù)主要依據(jù)以下原則，即一方面時間常數(shù)要大 于光激發(fā)激光器的調(diào)制頻率對應(yīng)的周期以使被測光熒光信號能有效解調(diào)，另一方面時間常 數(shù)又必須小于傅立葉變換頻率對應(yīng)的周期以免造成干擾。時間常數(shù)選得大些會有利于被測 光信號的解調(diào)，但太大則會與傅立葉變換頻率重疊形成干擾使雙調(diào)制方案無法實現(xiàn)。下面以一種調(diào)制輸出1064nm DPSS激光器和傅立葉變換光譜儀的高靈敏光熒光測 量系統(tǒng)為例進(jìn)一步說明本發(fā)明。如圖1所示，激光器1具有內(nèi)部調(diào)制功能，在激光器電源10 和脈沖發(fā)生器11的作用下激發(fā)出調(diào)制激光，調(diào)制激光經(jīng)過反射鏡31轉(zhuǎn)換方向后由所述的 透鏡32聚焦直接照射在被測樣品4上，被測樣品4產(chǎn)生的光熒光通過拋物面鏡33收集轉(zhuǎn) 向準(zhǔn)直后以寬光束形式送達(dá)至傅立葉變換光譜儀2中的麥克爾遜干涉儀21，由探測器23接 收麥克爾遜干涉儀21發(fā)出的信號，再由傅立葉變換光譜儀2中的前置放大器24放大后送 入鎖相放大器5的信號輸入端；鎖相放大器5的信號參考輸入端與脈沖發(fā)生器11相連，輸 出端與傅立葉變換光譜儀2中的電子學(xué)系統(tǒng)25相連，最后信號進(jìn)入計算機(jī)26，經(jīng)計算后得 到測試結(jié)果。測試的具體步驟如下(1)選擇最大輸出功率為2W的1064nm DPSS激光器1作為此光熒光測量系統(tǒng)的 激發(fā)光源。此激發(fā)波長適合的材料體系，包括發(fā)光波長大于約IlOOnm的InP基InGaAs、 InGaAsP, InAlGaAs 和 GaSb/InAs 基的 InGaAsSb、AlInAsSb, InAsPSb 等體材料和微結(jié)構(gòu)材 料。最高2W的輸出功率也可滿足絕大多數(shù)測量要求。此激光器具有0-30kHz頻率范圍的 模擬調(diào)制功能，所需調(diào)制電壓為0-5V，因此采用普通信號發(fā)生器或脈沖發(fā)生器等都可方便 地對其進(jìn)行幅度調(diào)制。對此系列的DPSS激光器而言，由于1064nm是其泵浦效率最高的基 頻激射，因此具有最高性價比。
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(2)由于希望測試的最高波數(shù)在約4500CHT1，動鏡213的掃描速度為0. 4747cm/s, 對應(yīng)的最高傅立葉變換頻率約為4kHz，因此測試中對DPSS激光器采用20kHz的方波進(jìn)行調(diào) 制，滿足了大于3倍富立葉變換頻率的要求，調(diào)制電壓為2V。
(3)采用Nicolet 860型傅立葉變換光譜儀進(jìn)行光譜測量，測量中麥克爾遜干涉 儀21中的分束器211選用CaF2分束器、探測器23選用InSb探測器，以此適應(yīng)此光譜測量 波段。麥克爾遜干涉儀21中的定鏡212為普通定鏡，動鏡213與伺服系統(tǒng)22相連。(4)將被測樣品4置于X-Y調(diào)節(jié)平臺上，采用圖1所示由反射鏡31、聚焦透鏡32 和口徑5厘米左右的拋物面鏡33構(gòu)成的簡單高效測試光路，所有光路部件3和DPSS激光 器1均安裝于30cmX30cm的光學(xué)面包板上構(gòu)成一體化部件，并利用采用硅(XD/CM0S的普 通數(shù)碼相機(jī)或攝像頭對光路進(jìn)行調(diào)節(jié)，光路調(diào)節(jié)完成后便可開始測試。采用硅CCD/CMOS的 普通數(shù)碼相機(jī)或攝像頭不僅能夠在可見光范圍進(jìn)行直觀調(diào)節(jié)，還對人眼不可見的近紅外波 有很好的響應(yīng)。(5)采用此測試系統(tǒng)使用雙調(diào)制方案在室溫下對InP基InGaAs波長延伸光電探測 器外延材料樣品(其發(fā)光中心波長約2.9 μ m)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖2框劃線所示。為 驗證此發(fā)明對光熒光測量靈敏度的改善，在同一光路下取消雙調(diào)制方案后對同一樣品進(jìn)行 了測試，測試結(jié)果如圖2細(xì)實線所示。不難發(fā)現(xiàn)，比較采用雙調(diào)制與不采用雙調(diào)制的測量方 案的測試效果可見，采用雙調(diào)制后信號強(qiáng)度和信噪比都有一個數(shù)量級的改善，在2. 7μπι左 右的水汽吸收線細(xì)節(jié)清晰可辨，且使用也很方便。需要說明的是，本發(fā)明中的激光器還可以選擇其他種類的可見或近紅外波段的激 光器，由于近紅外波段的激光器的激發(fā)光對人眼不可見，故還可采用熒光卡片或紅外尋像 器等對光路進(jìn)行調(diào)節(jié)。由此可見，本發(fā)明選擇合適的光激發(fā)激光器并對其進(jìn)行調(diào)制，同時在信號檢測中 增加鎖相放大和解調(diào)，以此有效地提高了光熒光測試的靈敏度，并且整個測試系統(tǒng)用一體 化的簡單高效的光路便可實現(xiàn)，光路的調(diào)節(jié)可通過硅CCD/CMOS的普通數(shù)碼相機(jī)或攝像頭 加以實現(xiàn)，十分方便。
權(quán)利要求
一種采用雙調(diào)制方案提高光熒光測試靈敏度的測試系統(tǒng)，包括激光器(1)、光路部件(3)、傅立葉變換光譜儀(2)、鎖相放大器(5)，其特征在于，所述的光路部件(3)包括反射鏡(31)、透鏡(32)和拋物面鏡(33)，并構(gòu)成測試光路；所述的激光器(1)配有具有調(diào)制功能的激光器電源(10)，并通過脈沖發(fā)生器(11)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制；所述的激光器(1)發(fā)射出的調(diào)制激光經(jīng)過所述的反射鏡(31)轉(zhuǎn)換方向后由所述的透鏡(32)聚焦直接照射在被測樣品(4)上，所述的被測樣品(4)產(chǎn)生的光熒光通過拋物面鏡(33)收集轉(zhuǎn)向準(zhǔn)直后以寬光束形式送達(dá)至所述的傅立葉變換光譜儀(2)中的麥克爾遜干涉儀(21)，由所述的傅立葉變換光譜儀(2)中的探測器(23)接收所述的麥克爾遜干涉儀(21)發(fā)出的信號，再由所述的傅立葉變換光譜儀(2)中的前置放大器(24)放大后送入所述的鎖相放大器(5)的信號輸入端；所述的鎖相放大器(5)的信號參考輸入端與所述的脈沖發(fā)生器(11)相連，輸出端與所述的傅立葉變換光譜儀(2)中的電子學(xué)系統(tǒng)(25)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用雙調(diào)制方案提高光熒光測試靈敏度的測試系統(tǒng)，其特征 在于，所述的激光器(1)為功率半導(dǎo)體激光器或全固態(tài)半導(dǎo)體泵浦激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用雙調(diào)制方案提高光熒光測試靈敏度的測試系統(tǒng)，其特征 在于，所述的激光器(1)的調(diào)制頻率至少是所述的傅立葉變換光譜儀(2)的傅立葉變換頻 率的三倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用雙調(diào)制方案提高光熒光測試靈敏度的測試系統(tǒng)，其特征 在于，所述的鎖相放大器(5)的時間常數(shù)大于所述的激光器(1)的調(diào)制頻率所對應(yīng)的周期， 小于所述的傅立葉變換光譜儀(2)的傅立葉變換頻率所對應(yīng)的周期。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用雙調(diào)制方案提高光熒光測試靈敏度的測試系統(tǒng)，其特征 在于，所述的被測樣品(4)包括發(fā)光波長大于所述激光器的發(fā)射波長的InP基的InGaAs、 InGaAsP, InAlGaAs 以及 GaSb/InAs 基的 InGaAsSb、AlInAsSb、InAsPSb 的體材料和微結(jié)構(gòu) 材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一權(quán)利要求所述的采用雙調(diào)制方案提高光熒光測試靈敏度 的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述的光路部件(3)和激光器(1)均安裝在光學(xué)面包板上構(gòu)成一 體化部件，并利用采用硅CCD/CMOS的普通數(shù)碼相機(jī)、或攝像頭進(jìn)行光路調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用雙調(diào)制方案提高光熒光測試靈敏度的測試系統(tǒng)，引入了第二重調(diào)制，包括激光器、光路部件、傅立葉變換光譜儀、鎖相放大器。光路部件包括反射鏡、透鏡和拋物面鏡，構(gòu)成測試光路；激光器具有內(nèi)部調(diào)制功能，其激發(fā)的調(diào)制激光經(jīng)過反射鏡轉(zhuǎn)換方向后由透鏡聚焦照射在被測樣品上，被測樣品產(chǎn)生的光熒光通過拋物面鏡收集轉(zhuǎn)向準(zhǔn)直后以寬光束形式送至傅立葉變換光譜儀。鎖相放大器的信號輸入端與傅立葉變換儀中的前置放大器相連，信號參考輸入端與激光器的脈沖發(fā)生器相連，輸出端與傅立葉變換光譜儀中的電子學(xué)系統(tǒng)相連。本發(fā)明選擇合適的光激發(fā)激光器并對其進(jìn)行調(diào)制，同時在信號檢測中增加鎖相放大和解調(diào)，以此提高光熒光測試的靈敏度。
文檔編號G01N21/01GK101936903SQ20101026288
公開日2011年1月5日 申請日期2010年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月26日
發(fā)明者張永剛, 顧溢 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所