專利名稱：一種開放式低溫高分辨激光光譜測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光譜輻射測試領(lǐng)域，具體涉及一種開放式低溫高分辨激光光譜測試系 統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光譜儀是一種重要的科學(xué)儀器，在物理、化學(xué)、材料、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均有著重 要的應(yīng)用，如(1)重元素光物理和光化學(xué)；( 激發(fā)態(tài)物理、晶格弛豫動力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)動 力學(xué)等；C3)晶體光譜學(xué)、半導(dǎo)體光譜學(xué)、熒光和激光光譜學(xué)等；(4)光伏器件研發(fā)、發(fā)光和 顯示材料研發(fā)、納米材料研發(fā)、生物醫(yī)學(xué)診斷及檢測；( 生物、藥物、化學(xué)化工、環(huán)保等領(lǐng) 域中痕量物質(zhì)的定量分析等。其基本原理即是利用光柵等分光器件將被測物體發(fā)出的光從 空間上按波長分開，并依次入射到電倍增管等光電傳感器件上，光電傳感器則同時記錄下 該波長光的發(fā)光強度，從而最終獲得該材料的光譜學(xué)信息。對于光致發(fā)光材料，通常使用氙 燈或者激光器作為泵浦光源。目前商品化的光譜儀均采用一體化的設(shè)計思路，如英國Edinburgh公司的FLS920 型光譜儀，它將泵浦光源，光柵分光器，樣品室以及探測器等集成固定在一起，因此具有結(jié) 構(gòu)緊湊、易于使用的優(yōu)點。但是，一體化的設(shè)計思路也存在其弊端，主要就是系統(tǒng)的擴展性 差、功能較單一且光譜分辨率低。然而，目前光電子材料的飛速發(fā)展對光譜儀提出了更高的 要求，以納米光電子學(xué)為例，許多新穎的光學(xué)性能和物理效應(yīng)都要求在很低溫度(如< 4K) 下觀察，由量子限域效應(yīng)導(dǎo)致的一些精細譜線分裂或振動光譜需要高分辨的單色儀和窄線 寬的激發(fā)激光來探測，表面效應(yīng)引起的快速弛豫和激子復(fù)合發(fā)光還需要結(jié)合超快激光光譜 手段來測試。所有這些都對光譜儀提出了更高的要求，總體而言，新一代光譜儀應(yīng)朝著低 溫、高分辨、多功能以及可擴展的方向發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種開放式低溫高分辨激光光譜測試系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖 如圖1所示，它包括泵浦光源模塊、低溫光學(xué)恒溫器模塊、高分辨單色儀模塊、熒光壽命測 試模塊、微弱信號探測模塊等，用于各種光功能材料(晶體、固體粉末和溶液等形式)的低 溫高分辨光譜和光電子學(xué)性能測試。它和常規(guī)一體化設(shè)計的光譜儀相比，具有低溫、高分 辨、多功能以及可擴展的優(yōu)點。所述系統(tǒng)采用開放式和模塊化的設(shè)計思路，泵浦光源、待測樣品和各個功能模塊 間均通過反射鏡和透鏡等光學(xué)器件軟性耦合在一起，各個模塊間可相互移動和重新組合， 便于新功能模塊的添加。上述系統(tǒng)中泵浦光源模塊由各類激光器以及氙燈等光源組成。上述系統(tǒng)中低溫光學(xué)恒溫器的主要功能為在一定溫度范圍內(nèi)改變和控制樣品的溫度。上述系統(tǒng)中高分辨單色儀的的作用是將樣品發(fā)出的光通過光柵等分光器件按波長分開并依次進入出射狹縫。上述系統(tǒng)中熒光壽命測試模塊由皮秒短壽命和微毫秒壽命兩部分組成，對于皮秒 短壽命的測量，采用多通道快響應(yīng)光電倍增管結(jié)合時間分辨單光子計數(shù)技術(shù)；而微毫秒壽 命測量則采用多通道定標技術(shù)結(jié)合光電倍增管以及固體探測器結(jié)合示波器技術(shù)。上述系統(tǒng)中微弱信號探測模塊主要由光電倍增管和固體探測器組成，分別實現(xiàn)對 紫外可見和近紅外光的探測。該系統(tǒng)具有很好的可擴展性，新的功能模塊能很方便的與現(xiàn)有的系統(tǒng)耦合在一 起，實現(xiàn)多種功能，如穩(wěn)態(tài)熒光譜、激發(fā)譜；皮秒壽命，微毫秒壽命；上轉(zhuǎn)換壽命；時間分辨 光譜等的測量，且具有很高的分辨率和大的溫度調(diào)節(jié)范圍。


圖1開放式低溫高分辨激光光譜測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意2鈦寶石激光980nm激發(fā)下，％3+，Er3+雙摻NaGdF4納米晶的上轉(zhuǎn)換熒光譜圖3鈦寶石激光808nm激發(fā)下，Nd3+ = YVO4晶體的下轉(zhuǎn)換熒光譜圖4鈦寶石激光360nm激發(fā)下，AWaInP薄膜在3. 2K下578nm發(fā)射熒光衰減曲線圖5鈦寶石激光360nm激發(fā)下，GaInP薄膜在室溫下656nm發(fā)射熒光衰減曲線圖60P0激光980nm激發(fā)下，％3+，Tm3+，Ho3+三摻含YF3納米晶玻璃陶瓷的478nm上 轉(zhuǎn)換熒光發(fā)射的衰減曲線圖70P0激光808nm激發(fā)下，Nd3+ = YVO4晶體1064nm發(fā)射的熒光衰減曲線
具體實施例方式本發(fā)明涉及的開放式低溫高分辨激光光譜測試系統(tǒng)由激發(fā)光源模塊、低溫光學(xué)恒 溫器模塊、高分辨單色儀模塊、熒光壽命測試模塊、微弱信號探測模塊以及相應(yīng)的控制軟件 等組成。如圖1的結(jié)構(gòu)示意圖所示，泵浦光源發(fā)出的光經(jīng)過反射鏡和透鏡聚焦在待測樣品 上，樣品發(fā)出的光同樣經(jīng)過反射鏡和透鏡的組合被引入至高分辨單色儀、熒光壽命測試模 塊、微弱信號探測模塊等各個功能模塊。根據(jù)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用不同的激發(fā)光源并結(jié)合對應(yīng) 的探測技術(shù)，即可實現(xiàn)多種光譜分析的功能。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，激發(fā)光源模塊可采用皮秒鈦寶石激光器和倍頻器，納秒OPO激光器， 氙燈，納秒染料激光器等光源，以滿足各種測試的不同要求。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，低溫光學(xué)恒溫器可以采用帶有光學(xué)窗口的低溫裝置，具體溫度調(diào)節(jié) 范圍可根據(jù)需求配置。根據(jù)該結(jié)構(gòu)微弱信號探測模塊可采用高分辨單色儀分光，并用光電倍增管、固體 探測器以及鎖相放大器等實現(xiàn)對微弱信號的探測。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，皮秒短壽命測試模塊可采用多通道快響應(yīng)光電倍增管結(jié)合時間相關(guān) 單光子計數(shù)技術(shù)。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，微毫秒壽命測試模塊可采用光電倍增管結(jié)合多通道時間定標技術(shù)以 及固體探測器結(jié)合示波器技術(shù)。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，其它新的功能模塊可采用前述類似的方法耦合到現(xiàn)有系統(tǒng)上，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴展。實施例1 微弱信號探測模塊采用光譜物理公司皮秒鈦寶石激光器和國產(chǎn)氙燈作為激發(fā)光源，高分辨單色儀為 Jobin-Yvon公司1000M型單色儀，最佳分辨率可達0. 006nm。紫外可見探測器采用R943-02 型光電倍增管，近紅外探測則采用InGaAs固體探測器結(jié)合鎖相放大器。低溫光學(xué)恒溫器 為Janis公司SHI-950型，溫度調(diào)節(jié)范圍為3-300K。如圖1所示，激光經(jīng)過反射鏡和透鏡 后聚焦在低溫光學(xué)恒溫器中的待測樣品上，樣品發(fā)出的熒光經(jīng)透鏡收集后進入單色儀入射 狹縫，并經(jīng)光柵分光后進入探測器，探測器可根據(jù)需要選擇光電倍增管或者固體探測器。單 色儀的控制和探測器的信號處理均由計算機進行。圖2為980nm鈦寶石激光激發(fā)下，Yb3+, Er3+摻雜NaGdF4納米晶的上轉(zhuǎn)換熒光光譜，探測器為光電倍增管。圖3為808nm鈦寶石激 光激發(fā)下，Nd3+:YV04晶體的下轉(zhuǎn)換熒光譜，探測器為InGaAs固體探測器。實施例2 皮秒短壽命測試模塊采用光譜物理公司的皮秒鈦寶石激光器及倍頻器作為激發(fā)光源，探測器為 R3809U-50型多通道快響應(yīng)光電倍增管，探測光譜范圍為200-850nm ；數(shù)據(jù)采集為TCC900型 時間相關(guān)單光子計數(shù)卡；單色儀為kya-Namioka IOOmm單色儀。測試樣品為MGaInP薄膜 和(ialnP薄膜，放置在低溫恒溫器中。鈦寶石激光器輸出波長為720nm，經(jīng)倍頻器倍頻后得 到360nm激光輸出，激光經(jīng)反射鏡和透鏡后聚焦在樣品上，樣品熒光再經(jīng)反射鏡和透鏡導(dǎo) 入至單色儀分光，最后到光電倍增管。圖4為在3. 2K低溫下測得的AWaInP薄膜578nm熒 光衰減曲線，擬合得到的壽命為330皮秒。圖5為在室溫下測得的feilnP薄膜656nm熒光 衰減曲線，擬合得到的壽命為11皮秒。實施例3 微毫秒壽命測試模塊采用納秒OPO激光器作為激發(fā)光源，對于紫外可見光譜范圍，探測器為R943-02型 光電倍增管，數(shù)據(jù)采集為多通道時間定標卡，單色儀為Jobin-Yvon公司1000M型高分辨單 色儀。圖6為用該模塊測試的％3+，Tm3+，Ho3+三摻含YF3納米晶玻璃陶瓷的上轉(zhuǎn)換熒光衰減 曲線，激發(fā)波長為980nm，發(fā)射波長為478nm，擬合得到的壽命為0. 252毫秒。對于近紅外光 譜范圍，探測器為InGaAs固體探測器，數(shù)據(jù)采集為示波器。圖7為用該模塊測試的Nd3+ = YVO4 晶體1064nm的熒光衰減曲線，激發(fā)波長為808nm，擬合得到的壽命為0. 113毫秒。
權(quán)利要求
1.一種多功能開放式激光光譜測試系統(tǒng)，包括泵浦光源模塊、低溫光學(xué)恒溫器模塊、高 分辨單色儀模塊、熒光壽命測試模塊、微弱信號探測模塊。
2.按權(quán)利要求1所述的激光光譜測試系統(tǒng)，其特征在于采用開放式和模塊化的設(shè)計思 路，各個模塊間通過反射鏡和透鏡等光學(xué)元件進行柔性的耦合，模塊間可相互移動和重新組合。
3.按權(quán)利要求1所述的激光光譜測試系統(tǒng)，其特征是泵浦光源模塊由氙燈、皮秒鈦寶 石激光器、納秒OPO激光器、納秒染料激光器等多種激發(fā)光源組成。
4.按權(quán)利要求1所述的激光光譜測試系統(tǒng)，其特征是待測樣品放置在低溫光學(xué)恒溫 器中，可在3-300K調(diào)節(jié)樣品的溫度，光學(xué)恒溫器有多個光學(xué)窗口。
5.按權(quán)利要求1所述的激光光譜測試系統(tǒng)，其特征是采用高分辨單色儀作為分光計， 最高分辨率可達0. 006nm。
6.按權(quán)利要求1所述的激光光譜測試系統(tǒng)，其特征是采用多通道快響應(yīng)光電倍增管 結(jié)合時間相關(guān)單光子計數(shù)技術(shù)測量皮秒短壽命。
7.按權(quán)利要求1所述的激光光譜測試系統(tǒng)，其特征是采用光電倍增管結(jié)合多通道時 間定標卡測量微毫秒熒光壽命。
全文摘要
一種開放式低溫高分辨激光光譜測試系統(tǒng)，主要由泵浦光源模塊、低溫光學(xué)恒溫器模塊、高分辨單色儀模塊、熒光壽命測試模塊、微弱信號探測模塊等組成。其特征在于該系統(tǒng)采用了開放式和模塊化的設(shè)計思路，與傳統(tǒng)的光譜測試系統(tǒng)比，該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點1.各個功能模塊間采用反射鏡、透鏡等光學(xué)元件柔性的結(jié)合在一起，整個系統(tǒng)是開放式的，因此具有很好的功能擴展性，新的功能模塊能夠方便的加入該系統(tǒng)中。2.該系統(tǒng)具有多種測試功能，除了常規(guī)的下轉(zhuǎn)換熒光譜、激發(fā)譜以及微毫秒熒光壽命，該系統(tǒng)還能對樣品在低溫下的上轉(zhuǎn)換熒光譜、上轉(zhuǎn)換熒光壽命、皮秒短壽命等進行測試，且光譜分辨率最高可達0.006nm。
文檔編號G01N21/64GK102109380SQ200910113059
公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月24日
發(fā)明者朱浩淼, 李仁富, 陳學(xué)元, 馬恩 申請人:中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所