用于測量熒光壽命的裝置的制造方法

用于測量熒光壽命的裝置的制造方法
【專利摘要】本文中提供熒光壽命測量裝置，其能夠容易地和精確地測量熒光壽命而不破壞待測量的物體。熒光壽命測量裝置包括多個泵浦光束源，泵浦光束組合器，第一、第二和第三多模光纖，光隔離器，波長選擇性反射濾光片，截止濾光片，和光電二極管。
【專利說明】
用于測量熒光壽命的裝置
技術領域
[0001 ] 本公開內容的各實施方式涉及用于測量熒光壽命的裝置。
【背景技術】
[0002] 高功率輸出固態激光器使用其中摻雜少量的稀土離子且以棒或圓盤形狀制造的 單晶作為激光振蕩介質。這里，激光振蕩介質中的稀土離子的摻雜濃度和熒光壽命是決定 激光器的振蕩特性的介質的核心材料特性。
[0003] 通常，熒光壽命通過如下確定：通過時間分辨熒光光譜法測量熒光強度的衰減動 力學。然而，常規的熒光壽命測量使用單色器用于選擇熒光的某波長，因此在將測量設備集 成和最小化方面存在限制。
[0004] 用于分析摻雜濃度的方法包括通過使用作為化學分析方法的ICP-MS(電感耦合 等離子體質譜儀）測量少量原子的質量的方法；和通過使用分光光度計分析摻雜濃度來測 量某稀土離子的光學吸收的方法。
[0005] 在ICP-MS中，將單晶溶解在某溶劑中以測量形成單晶的原子的質量比，且因此必 須破壞受試樣品以進行測量，且獲得存在于該溶劑內部的稀土離子的濃度的平均值。因此， ICP-MS不能測量棒或圓盤形狀的固態樣品的摻雜濃度，且不能測量摻雜濃度的空間分布。
[0006] 而且，盡管光學吸收光譜法能夠測量圓盤形狀固體樣品的濃度，但是為了使進入 樣品的光的散射和漫反射（擴散反射）最小化，圓盤的兩個表面都必須被加工成具有等于 或小于A/5的光學品質的表面，且棒形狀固體樣品的濃度不能通過光學吸收光譜法測量。 而且，由于僅當光學密度（0D)等于或小于4時分光光度計才可進行精確的測量，因此可測 量的圓盤厚度受到限制（通常，使用具有等于或小于約5_的厚度的圓盤，但其根據稀土離 子的類型和摻雜濃度而改變）。分光光度計使用其光束尺寸等于或超過3mm的光，且通過分 光光度計可測量的在圓盤中的摻雜濃度的空間分辨率等于或超過3_。

【發明內容】

[0007] 本公開內容的目標是解決上述問題，即，提供能夠容易地和精確地測量熒光壽命 的裝置。
[0008] 本公開內容的實施方式提供包括如下的焚光壽命測量裝置：多個栗浦光束（栗 束，pump beam)源，其配置成輸出具有不同波長的栗浦光束；栗浦光束組合器，其配置成將 從所述多個栗浦光束源輸出的栗浦光束耦合，和將耦合的栗浦光束輸出到第一多模光纖； 第一多模光纖，其配置成傳輸從栗浦光束組合器輸入的栗浦光束；光隔離器，其配置成傳輸 從第一多模光纖傳輸的栗浦光束，和將輸入第一多模光纖中的光束隔離；波長選擇性反射 濾光片，其配置成傳輸從光隔離器傳輸的栗浦光束，和將在待測量的物體中產生的熒光反 射；第二多模光纖，其配置成將穿過波長選擇性反射濾光片的栗浦光束傳輸到所述物體，和 將在所述物體中產生的熒光傳輸到波長選擇性反射濾光片；第三多模光纖，其配置成傳輸 在波長選擇性反射濾光片中反射的熒光；截止濾光片，其配置成吸收或反射來自從第三多 模光纖傳輸的熒光的栗浦光束波長，和傳輸剩余的熒光；和光電二極管，其配置成將從截止 濾光片傳輸的焚光轉換成電信號。
[0009] 根據本公開內容，可精確地和容易地測量熒光壽命，而不破壞待測量的物體。
【附圖說明】
[0010] 現在將在下文中參照附圖更充分地描述實例實施方式；然而，它們可以不同的形 式體現且不應被解釋為限于本文中闡述的實施方式。相反，提供這些實施方式使得本公開 內容將是徹底和完整的，且將向本領域技術人員充分地傳達實例實施方式的范圍。
[0011] 在附圖中，為了說明的清楚，尺寸可被放大。將理解，當一個元件被稱為"在"兩個 元件"之間"時，其可為所述兩個元件之間的唯一元件，或者還可存在一個或多個中間元件。 相同的附圖標記始終是指相同的元件。
[0012] 圖1說明根據本公開內容的實施方式的熒光壽命測量裝置；
[0013] 圖2說明通過常規的光學吸收光譜法測量的樣品的吸收光譜；和
[0014] 圖3說明通過根據本公開內容的實施方式的熒光壽命測量裝置測量的樣品的衰 減動力學。
【具體實施方式】
[0015] 下文中，將參照附圖更詳細地描述實施方式。在本文中參考作為實施方式（和中 間結構）的示意圖的橫截面圖描述實施方式。照這樣，將預計到作為例如制造技術和/或 公差的結果的與圖示的形狀的偏差。因此，實施方式不應被解釋為限于本文中圖示的區域 的具體形狀，而是可包括由例如制造導致的形狀上的偏差。在附圖中，為了清楚，可放大層 和區域的長度和尺寸。在附圖中的相同的附圖標記表示相同的元件。
[0016] 術語例如'第一'和'第二'可用來描述各部件，但是它們不應限制所述各部件。那 些術語僅用于將一個部件與其它部件相區分的目的。例如，在不背離本公開內容的精神和 范圍的情況下，第一部件可被稱為第二部件，且第二部件可被稱為第一部件等。而且，'和/ 或'可包括所提及的部件的任一個或組合。
[0017] 而且，單數形式可包括復數形式，只要未在句子中具體地提及。而且，在說明書中 使用的"包括/包含"表示一個或多個部件、步驟、操作和元件存在或被添加。
[0018] 而且，除非另外定義，否則本說明書中使用的所有術語，包括技術和科學術語，具 有與相關領域中的技術人員通常將理解的相同的含義。在常用字典中定義的術語應被解釋 為具有與在相關領域的環境中將被解釋的相同的含義，且除非在本說明書中另外定義，否 則將不被解釋為具有理想化或過于形式的含義。
[0019] 還注意，在本說明書中，"連接（的）/結合（的）"指的是：不僅僅是直接與另一 部件結合的一個部件，而且為通過中間部件間接地與另一部件結合的一個部件。另一方面， "直接連接（的）/直接結合（的）"指的是一個部件在沒有中間部件的情況下直接與另一 部件結合。
[0020] 圖1說明根據本公開內容的實施方式的熒光壽命測量裝置。
[0021] 根據本公開內容的實施方式的熒光壽命測量裝置包括栗浦光束源單元100、光束 傳輸器200、光束接收器300、和熒光壽命測量單元400。然而，部件的這樣的劃分僅僅是基 于功能進行的劃分，且因此實際的部件是可變更的。
[0022] 栗浦光束源單元100可包括多個栗浦光束源111，113，…，11k，栗浦光束組合器 150,和第一多模光纖（MMF1) 170。選擇性地，栗浦光束源單元100可進一步包括栗浦光束控 制單元130。
[0023] 多個栗浦光束源111，113,…，Ilk輸出具有彼此不同的波長的栗浦光束。根據本 公開內容的實施方式，多個栗浦光束源111，113,…，Ilk可輸出具有在多種稀土離子（Nd 3+、 Er3+、Yb3+等）的激發電子態的光學吸收峰值波長的光束。在一種實施方式中，這些多個栗 浦光束源111，113，…，Ilk可包括一個或多個激光二極管。
[0024] 根據本公開內容的實施方式的熒光壽命測量裝置可包括能夠控制多個栗浦光束 源111，113,…，Ilk的栗浦光束控制單元130。在一種實施方式中，栗浦光束控制單元130 可控制多個栗浦光束源111，113,…，Ilk以脈沖模式運行以及以方形脈沖和預定的重復率 驅動。在一種實施方式中，栗浦光束控制單元130可以取決于待測量的熒光的壽命范圍的 可變的方式調節多個栗浦光束源111，113，…，Ilk的重復率和脈沖寬度。
[0025] 栗浦光束組合器150可將從多個栗浦光束源111，113,…，Ilk輸出的一束或多束 栗浦光束耦合，和可將耦合的栗浦光束輸出到第一多模光纖（MMF1)。即，栗浦光束組合器 150可提供用于將具有不同波長的栗浦光束有效地輸入到第一多模光纖170的手段。在一 種實施方式中，栗浦光束組合器150可包括基于波導的耦合器或具有透鏡的組合的自由空 間親合器。
[0026] 第一多模光纖170用來傳輸從栗浦光束組合器150輸入的栗浦光束。根據本公開 內容的實施方式，第一多模光纖170將從栗浦光束組合器150輸入的栗浦光束輸出到光隔 離器210。在一種實施方式中，第一多模光纖170可包括在多模光纖170的輸入端中的透鏡 171和在多模光纖170的輸出端中的透鏡172以提高光的耦合效率。
[0027] 在現有技術中，為了激發多種稀土離子，必須使用多種光源。然而，根據本公開內 容，可通過使用多個栗浦光束源111，113，…，Ilk和將栗浦光束源的輸出耦合的栗浦光束 組合器150配置一個集成的栗浦光束源模塊。因此，可產生具有多種波長的栗浦光束，由此 激發多種稀土離子。
[0028] 而且，本發明是有利的，在于：由于其使用第一多模光纖170,因此不存在對于額 外的光學校直（對準，alignment)的需要，且與暴露于自由空間的常規的時間分辨焚光光 譜法設備相比，本發明的環境可不僅在實驗環境中操作，而且可在通常的（晶）錠制造場所 操作。而且，當使用激光二極管時，使栗浦光束源小型化是容易的。
[0029] 光束傳輸器200可包括光隔離器（01) 210、波長選擇性反射濾光片230、和第二多 模光纖（MMF2)250。
[0030] 光隔離器210傳輸從第一多模光纖170傳輸的栗浦光束，但將輸入第一多模光纖 170中的光束隔離。即，光隔離器210用來將在栗浦光束源單元100中產生的栗浦光束傳輸 到樣品500,但將在樣品500中產生的熒光和第二多模光纖（MMF2) 250中的漫射光隔離以不 被輸入栗浦光束源單元100中。樣品500為待測量的物體。
[0031] 波長選擇性反射濾光片230傳輸穿過光隔離器210的栗浦光束，但反射在樣品500 中產生的熒光。即，當在栗浦光束源單元100中產生的栗浦光束穿過光隔離器210并且被 輸入到波長選擇性反射濾光片230時，波長選擇性反射濾光片230通過第二多模光纖250 將輸入光束傳輸到樣品500。且波長選擇性反射濾光片230通過第二多模光纖250接收在 樣品500中產生的熒光和將所接收的熒光傳輸到光束接收器300。
[0032] 第二多模光纖（MMF2) 250將穿過波長選擇性反射濾光片230的栗浦光束傳輸到樣 品500,和將在樣品500中產生的焚光傳輸到波長選擇性反射濾光片230。在一種實施方式 中，第二多模光纖250可包括在第二多模光纖250的輸入部分中的透鏡251和在第二多模 光纖250的輸出部分中的透鏡252,以提高光親合效率。在一種實施方式中，第二多模光纖 250可包括作為凸起形狀的透鏡的透鏡252,且通過具有凸起形狀的透鏡252,多模光纖250 可聚集具有〇. 1mm或更小的束腰的栗浦光束和將聚集的栗浦光束輸出到樣品500。通過上 述過程，樣品500的稀土離子的電子態可被激發至0. 1_或更小的空間分辨率。在這里，通 過使樣品分別在x、y和z方向上移動和發射栗浦光束，可測量熒光的空間分布，且通過該過 程，可計算摻雜濃度的空間分布。
[0033] 在栗浦脈沖"開啟（0N) "狀態，通過栗浦光束激發的稀土離子連續地發射熒光，且 從脈沖"斷開（OFF)"狀態開始的那一刻起，稀土離子的熒光強度衰減。具有這樣的特性的 熒光通過光束傳輸器200傳輸到光束接收器300。尤其是，在光束傳輸器200中，波長選擇 性反射濾光片230和第二多模光纖250為其中栗浦光束和信號光共存的區域，用來將栗浦 光束輸入到樣品500和將在樣品500中產生的熒光傳輸到光束接收器300。
[0034] 現有技術具有如下缺點：空間分辨率低且需要光學校直，由此導致不便，但根據本 發明，由于提供第二多模光纖250,不存在對于額外的光學校直的需要，且與暴露于自由空 間的常規的時間分辨光譜法相比，本發明的操作可不僅在實驗環境中進行，而且可在通常 的（晶）錠制造場所進行。而且，可將多種形狀（錠、棒、圓盤）的樣品的熒光壽命測量至 0. 1_或更小的空間分辨率，而不破壞樣品。
[0035] 光束接收器300可包括第三多模光纖（MMF3) 310、截止濾光片330、和光電二極管 350〇
[0036] 第三多模光纖310傳輸從波長選擇性反射濾光片230反射的焚光。根據本發明的 實施方式，第三多模光纖310接收從波長選擇性反射濾光片230反射的熒光和將所接收的 熒光輸出到截止濾光片330。根據本發明的實施方式，第三多模光纖310可包括在第三多模 光纖310的輸入部分中的透鏡311和在第三多模光纖310的輸出部分中的透鏡312以提高 光學耦合效率。
[0037] 截止濾光片330吸收或反射來自從第三多模光纖310傳輸的熒光的栗浦光束波 長，和傳輸剩余的熒光。即，截止濾光片330吸收或反射所述栗浦光束波長和傳輸所述熒光 以使被輸入光電二極管350中的栗浦光束的光學功率最小化。
[0038] 光電二極管350用來將穿過截止濾光片的焚光轉換成電信號。即，光電二極管350 將熒光轉換成可被分析的信號。
[0039] 在現有技術中，單色器被用于選擇波長，且因此難以使熒光壽命測量裝置小型化， 但根據本發明，通過將光束接收器簡化為第三多模光纖（MMF3) 130、截止濾光片330和光電 二極管350,可使熒光壽命測量裝置小型化。而且，由于提供第三多模光纖310,不存在對于 額外的光學校直的需要，且與暴露于自由空間的常規的時間分辨光譜法相比，存在如下優 點：操作可不僅在實驗環境中進行，而且可在通常的（晶）錠制造場所進行。
[0040] 焚光壽命測量單元400用來分析通過光電二極管350轉換的電信號以測量焚光壽 命。在一種實施方式中，焚光壽命測量單兀400可包括放大器410、A/D轉換器430、和信號 分析器450。
[0041] 放大器410將從光電二極管350接收的信號放大至可判斷的尺寸。A/D轉換器430 將放大的模擬信號轉換成數字信號。信號分析器450分析數字信號以測量熒光壽命。在這 里，放大器410可使用20MHZ或更大的寬帶放大器。在一種實施方式中，信號分析器450可 通過計算重復的測量結果的平均值來測量熒光壽命。
[0042] 根據本發明，可集成和簡化栗浦光束源單元100和光束接收器300,由此減小熒光 壽命測量裝置的尺寸，且通過第一、第二和第三多模光纖150、250、310,光學路徑可被簡化， 額外的光學校直是不必要的，且操作可在通常的制造場所進行。
[0043] 在一種實施方式中，可進一步包括摻雜濃度計算單元，其配置成基于在熒光壽命 測量單元400中測量的熒光壽命通過解數學方程（1)來計算樣品的摻雜濃度。
[0044] [數學方程（1)]
[0045] C = Q[(xo/xf)-l]1/2
[0046] C表示摻雜濃度。Q表示猝滅參數，t。表示在不存在非輻射能量轉移過程時在激 發電子態的壽命。t f表示在其中熒光猝滅過程發生的預定的摻雜濃度條件下在激發電子 態的壽命。
[0047] 摻雜在待用作固態激光器的單晶（主體）中的稀土離子（摻雜劑）的濃度可通過 分析稀土離子的激發電子態的壽命進行測量。更特別地，激發電子態的壽命可基于在衰減 過程中產生的熒光的衰減動力學通過時間分辨熒光光譜法測量。即，在激發電子態的離子 的非輻射能量轉移過程與摻雜濃度成比例地活化，且熒光猝滅現象發生，且因此摻雜濃度 越大，熒光壽命越短。基于這些特性，可計算摻雜濃度。摻雜在單晶中的稀土離子的Q和 T。為當材料和激發電子態被確定時確定的固有常數，因此，當測量熒光壽命T f時，可確定 摻雜濃度。
[0048] 在下文中，將在通過現有技術獲得摻雜濃度的方法與根據本發明的實施方式獲得 摻雜濃度的方法之間進行比較。
[0049] 圖2說明通過現有技術測量的樣品的吸收光譜。
[0050] 在圖2中，x軸表不波長，且y軸表不光學密度。
[0051] 在下文中，將用數學方程（2)對通過常規的光學吸收光譜法獲得具有不同摻雜濃 度的Nd:YAG晶體的Nd 3+離子的摻雜濃度進行說明。
[0052] [數學方程（2)]
[0053] N = 2. 3* [ODAd* 入）]
[0054] 0D表不光學密度。d表不樣品的厚度。A表不離子的吸收橫截面。
[0055] 樣品的厚度為0? 31cm，且Nd3+離子在808nm波長處的吸收橫截面為7. 7X 10 2°cm2。 在這里，N = 1. 38X 102°cm 3對應于1原子％ Nd 3+離子的摻雜濃度。基于此，如下計算樣品 A和樣品B的Nd3+離子的摻雜濃度。表1顯示基于數學方程（2)計算的Nd 3+離子的摻雜濃 度。
[0056] [表 1]
[0057]
[0058] 通過使用根據本發明的實施方式的熒光壽命測量裝置通過808nm栗浦光束激發 樣品A和B，且測量樣品A和B各自的Nd 3+離子熒光（1064nm)的衰減動力學，如圖3中所 不。
[0059] 圖3說明通過根據本公開內容的實施方式的熒光壽命測量裝置測量的樣品的衰 減動力學。
[0060] 在圖3中，x軸表示時間，且y軸表示熒光強度。
[0061] 表2顯示通過對圖3的測量數據進行線性擬合而獲得的熒光壽命。表2顯示Nd3+ 離子的焚光壽命（Tf)。
[0062] [表 2]
[0063]
[0064] 猝滅參數Q為取決于材料的類型的常數。在這里，假定Q為1.33±0.01X102°cm 3， ^為當不存在熒光猝滅時的壽命值。在這里，260 ys被用作t ^。用以上提到的因數計算 的摻雜濃度如下。表3顯示Nd3+離子的摻雜濃度。
[0065] [表 3]
[0066]
[0067] 比較表1和表3,可看出，通過現有技術計算的摻雜濃度與通過本發明的實施方式 的熒光壽命測量裝置計算的摻雜濃度相同。
[0068] 已在本文中公開了實例實施方式，且盡管采用具體的術語，但它們僅在概括和描 述的意義上被使用和被解釋且不用于限制的目的。在一些情況中，如對于在本申請提交時 的本領域中的普通技術人員將是明晰的，關于一個【具體實施方式】描述的特征、特性和/或 要素可單獨地或者與關于其它實施方式描述的特征、特性、和/或要素組合使用，除非明確 地另外指明。因此，本領域技術人員將理解，在不背離如在所附權利要求中所闡明的本發明 的精神和范圍的情況下，可進行形式和細節方面的多種變化。
【主權項】
1. 熒光壽命測量裝置，包括： 多個栗浦光束源，其配置成輸出不同波長的栗浦光束； 栗浦光束組合器，其配置成將從所述多個栗浦光束源輸出的栗浦光束耦合，和將耦合 的栗浦光束輸出到第一多模光纖； 第一多模光纖，其配置成傳輸從栗浦光束組合器輸入的栗浦光束； 光隔離器，其配置成傳輸從所述第一多模光纖傳輸的栗浦光束，和將輸入所述第一多 模光纖中的光束隔離； 波長選擇性反射濾光片，其配置成傳輸從所述光隔離器傳輸的栗浦光束，和將在待測 量的物體中產生的熒光反射； 第二多模光纖，其配置成將穿過所述波長選擇性反射濾光片的栗浦光束傳輸到所述物 體，和將在所述物體中產生的熒光傳輸到所述波長選擇性反射濾光片； 第三多模光纖，其配置成傳輸在所述波長選擇性反射濾光片中被反射的熒光； 截止濾光片，其配置成吸收或反射來自從所述第三多模光纖傳輸的熒光的栗浦光束波 長，和傳輸剩余的熒光；和 光電二極管，其配置成將從所述截止濾光片傳輸的熒光轉換成電信號。2. 根據權利要求1的裝置，進一步包括熒光壽命測量單元，其配置成通過分析經由所 述光電二極管轉換的電信號而測量熒光壽命。3. 根據權利要求2的裝置，進一步包括摻雜濃度計算單元，其配置成基于通過所述熒 光壽命測量單元測量的熒光壽命基于數學方程（1)計算所述物體的摻雜濃度： [數學方程（1)] C = Q[( τ 〇/ τ f)-l]1/2 C為摻雜濃度，Q為猝滅參數，τ。為當不存在非輻射能量轉移過程時的激發電子態壽 命，和τ f為在其中熒光猝滅過程發生的預定的摻雜濃度條件下的激發電子態壽命。4. 根據權利要求1的裝置，其中所述多個栗浦光束源的至少一個包括激光二極管。5. 根據權利要求1的裝置，進一步包括栗浦光束控制器，其配置成控制所述多個栗浦 光束源， 其中所述栗浦光束控制器控制所述多個栗浦光束源以脈沖模式運行，以及以方形脈沖 和以預定的重復率驅動。6. 根據權利要求5的裝置，其中所述栗浦光束控制器基于所述物體的熒光壽命范圍調 節所述多個栗浦光束源的脈沖寬度和所述預定的重復率。7. 根據權利要求1的裝置，其中所述栗浦光束組合器包括基于波導的耦合器或通過透 鏡組合提供的自由空間耦合器。8. 根據權利要求1的裝置，其中所述第一多模光纖、所述第二多模光纖和所述第三多 模光纖的至少一個在輸入和輸出部分中包括透鏡以提高光學耦合效率。9. 根據權利要求9的裝置，其中所述第二多模光纖在所述第二多模光纖的輸出部分 中包括凸透鏡，所述第二多模光纖通過所述凸透鏡聚集具有0. 1_或更小的束腰的栗浦光 束，并將聚集的栗浦光束輸出到所述物體。
【文檔編號】G01N21/64GK106053400SQ201510520958
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2015年8月21日
【發明人】周正振
【申請人】韓國電子通信研究院