專利名稱：多功能光電參數測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種材料光學、電學性能的測量裝置。
本實用新型的技術方案是主要包括光源、單色儀、斬波器、光探測器、位置敏感器、鎖相放大器、計算機、半透半反鏡、激光器與樣品室構成；光源與單色儀相連，在單色儀的輸出狹縫處安裝斬波器，在斬波器輸出端的光路中設置一個半透半反鏡M，在透射光束的光路中有一聚焦透鏡，焦點在樣品室內；在樣品室的一側且與透射光束相垂直處安裝激光器，另一側安裝位置敏感探測器；樣品室與激光器之間和樣品室與位置敏感探測器之間分別安裝有聚焦透鏡，在反射光路上設置光探測器；光探測器和位置敏感器的輸出端分別與鎖相放大器的輸入端相連，鎖相放大器的輸出端與計算機的輸入端相連。
本實用新型的有益效果是由于在光路中增設了半透半反鏡(它可進行分光束)，且半透半反鏡與入射光成45°角。因此，可以在垂直入射光條件下測量材料的光反射率R。在測量具有干涉性能光電薄膜材料的光反射率R時，能保證與垂直入射光測量的透過率具有相關性，可以共同用于光學參數的計算，避免了二者不是相關數據、測量數據可能T+R≥1、光吸收出現不合理的負值等情況；該裝置同時還可以測量材料的電學、電子學參數，如光電導譜、光電池量子效率和光熱偏轉譜，集多種測量于一體，實現一機多功能。這樣，能節省大量的設備資金、實驗室場地及維護管理方面的人力資源。
圖2是本實用新型測量光透過率的光路及結構示意方框圖。
圖3是應用本實用新型測量光反射率的光路及結構示意方框圖。
圖4是應用本實用新型測量光電導譜和光電池量子效率測量的光路及結構示意方框圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細描述。
如
圖1所示，光源采用組合光源，氘燈和鹵鎢燈及其可控電源；單色儀采用光柵單色儀，其輸出單色波長為200nm～2500nm；光探測器采用真空熱電堆、Si或PbS光探測器，光位置敏感器采用雙光電二極管式光位置敏感器、鎖相放大器采用EG & G 5208、激光器用He-Ne激光器；光源與單色儀相連，在單色儀的輸出狹縫處安裝斬波器，在斬波器輸出端的光路中設置一個半透半反鏡M，在透射光束的光路中有一聚焦透鏡，焦點在樣品室內；在樣品室的一側且與透射光束相垂直處安裝激光器，另一側安裝位置敏感探測器；樣品室與激光器之間和樣品室與位置敏感探測器之間分別安裝有聚焦透鏡，在反射光路上設置光探測器；光探測器和位置敏感器的輸出端分別與瑣相放大器的輸入端相連，鎖相放大器的輸出端與計算機的輸入端相連。
本實用新型最好的方案是半透半反鏡M與斬波器輸出端光路中的光束成45°角。
1.測量光透過率如圖2所示，使用該裝置中的光源、單色儀、斬波器、半透半反射鏡M、光探測器、鎖相放大器、計算機組合，可以測量材料樣品的光透過率。
測量時，在沒有置入被測樣品情況下，首先，掃描測量各波長的光強、單色儀的輸出光經斬波器斬波，被半透半反射鏡M反射，光將沿箭頭方向進入光探測器，輸出信號由鎖相放大器放大后，將數據存入計算機；然后，在探測器入射窗前處置入被測樣品，進行同樣的測量，兩次測量結果在計算機內進行歸一化，即可得出樣品的透過率隨波長的變化關系。
2.測量光反射率如圖3所示，使用該裝置中的光源、單色器、斬波器、半透半反射鏡M、光探測器、鎖相放大器、計算機與樣品室組合，可以測量材料樣品的光反射率，但不同的是半透半反鏡要旋轉90°度，以保證測量時樣品表面與入射光線保持垂直。
測量時，將標準反射鏡置于穿過半透半反鏡M的光束并與光束垂直的位置，進行波長掃描，計算機記錄不同波長的光強信號；用被測樣品替換標準反射鏡，再次進行波長掃描，并記錄樣品光強數據；用標準反射鏡的數據對樣品數據歸一化，即得到樣品的光垂直反射率R。
反射率隨波長變化的曲線如果存在兩個(或以上)的干涉峰(谷)，則可以由相應干涉峰(谷)的波長數據和樣品的折射率利用光波干涉公式計算出薄膜材料的厚度d。
由光反射率R(λ)、光透過率T(λ)、厚度d可計算出吸收系數α(λ)，并進一步得到光學帶隙Eg。
3.測量(恒定)光電導譜如圖4所示，使用該裝置中的中光源、單色儀、斬波器、光探測器、半透半反鏡、樣品室、鎖相放大器、計算機組合可以測量(恒定)光電導譜；該組合不同的是計算機輸出端與光源相連接，可以控制光源的光輸出，使測量過程中的光電流保持某一常數，即為恒定光電導譜。因此，對光電導譜測量有如下要求(1)樣品對薄膜樣品，要求在材料上制作出共面電極，兩電極之間為光照區。電極引出可以采用銀漿粘接電線，或彈簧片接觸的辦法。(2)電路連接將電壓源、鎖相放大器電流輸入端子、樣品電極串聯成回路。(3)樣品放置樣品置于樣品室，使單色光可充分照射樣品兩個測量電極之間的區域，并保證樣品不會受到外界的光干擾。
測量用透過半透半反鏡M的光來激發樣品的光電流，鎖相放大器1將光電流放大后輸入計算機；光探測器接收到半透半反鏡M的反射光強信號經鎖相放大器2放大后輸入計算機，當單色儀對各波長一次掃描后，計算機便記錄下各波長下的光強數值和光電流數值。
計算計算機將光電流值換算成光電導數值，然后光強數值進行歸一化，得到光電導光譜響應曲線σ(λ)，即光電導譜。
4.測量量子效率用如圖4的裝置還可以測量光電池的量子效率，所不同的是它不用外加電源。將被測光電池放置在樣品室，用透過半透半反鏡M的光來激發光電池的光電流，鎖相放大器1將光電流放大后輸入計算機；光探測器接收到半透半反鏡M的反射光強信號經鎖相放大器2放大后輸入計算機，當單色儀對各波長一次掃描后，計算機便記錄下各波長下的光強數值和光電池光電流數值。
計算機將光強數值換算成相應各波長(單位時間)入射的光子數，將光電流換算成單位時間產生的光生載流子數；二者比較即可得到量子效率，它是一個小于1的數。
5.測量光熱偏轉譜圖1的全部組合，是測量光熱偏轉譜結構示意方框圖。半透半反鏡M將單色光分為兩部分，反射到光電探測器的部分用于測量光的能量，透射部分用于激發被測材料的光熱效應，激光器和位置敏感器件用來測量光熱偏轉。
(1)樣品豎直立放于樣品室內透明的石英盒內，單色光垂直聚焦照射到樣品表面，激光測量光束掠過樣品表面，與單色光在樣品表面形成共焦，石英盒內充滿測量工質(通常為四氯化碳)。
(2)開啟激光器，在樣品不被單色光照射的情況下，調整位置敏感器(PSD)的位置(通常PSD是兩個間隙很小的光電二極管)，當探測激光束對兩個光電二極管照射相等時，位置敏感器PDS輸出為零。
(3)用透過半透半反鏡M的光照射到樣品表面，樣品吸收光產生的熱量，使樣品表面液體中產生一個以照射焦點為中心的溫度梯度場，局部液體溫度的升高使其光折射率改變，形成一個“液體透鏡”，當測量激光光束通過該“透鏡”時，光線就會發生偏轉。偏轉距離隨光束前進而增大(幾何比例)，位置敏感器PSD檢測到偏轉量，由鎖相放大器1放大，并輸入到計算機；光探測器接收被半透半反鏡反射的光強信號，由鎖相放大器2放大，并將數據輸入計算機。
測量光束的偏轉量實際上反映了樣品的光吸收，在對光強歸一化后，就得到了不同波長下樣品光吸收的特性。由于其靈敏度很高，因此，可以用來檢測極小的光吸收系數α。
權利要求1.一種多功能光電參數測量裝置，其特征主要包括光源、單色儀、斬波器、光探測器、位置敏感器、鎖相放大器、計算機、激光器與樣品室構成；光源與單色儀相連，在單色儀的輸出狹縫處安裝斬波器，在斬波器輸出端的光路中設置一個半透半反鏡M，在透射光束的光路中有一聚焦透鏡，焦點在樣品室內；在樣品室的一側且與透射光束相垂直處安裝激光器，另一側安裝位置敏感探測器；樣品室與激光器之間和樣品室與位置敏感探測器之間分別安裝有聚焦透鏡，在反射光路上設置光探測器；光探測器和位置敏感器的輸出端分別與鎖相放大器的輸入端相連，鎖相放大器的輸出端與計算機的輸入端相連。
2.根據權利要求1中所述的多功能光電參數測量裝置，其特征是半透半反鏡與入射光成45°角。
專利摘要本實用新型公開了一種多功能光電參數測量裝置。解決了現有儀器垂直入射光條件下不能測量光反射率R、測量功能單一等問題。技術方案光源與單色儀相連，在單色儀輸出狹縫處安裝斬波器，斬波器輸出端設置半透半反鏡M，在透射光路中有一聚焦透鏡，焦點在樣品室內；樣品室的一側且與透射光束相垂直處安裝激光器，另一側安裝位置敏感探測器；樣品室與激光器之間和樣品室與位置敏感探測器之間分別安裝有聚焦透鏡，在反射光路上設置光探測器；光探測器和位置敏感器的輸出分別與鎖相放大器的輸入相連，鎖相放大器的輸出與計算機的輸入相連。實現一機多功能。能節省大量的設備資金、實驗室場地及維護管理方面的人力資源。
文檔編號G01N21/55GK2589968SQ0229429
公開日2003年12月3日 申請日期2002年12月26日 優先權日2002年12月26日
發明者李德林, 耿新華, 薛俊明, 趙穎 申請人:南開大學