一种脉冲电流激发的瞬态吸收光谱仪

摘要

本公开提供一种脉冲电流激发的瞬态吸收光谱仪，包括：中控单元；脉冲发生器，用于在中控单元发出的第一触发信号的作用下生成电流脉冲信号施加至待测样品后生成电致光信号；激光器，在中控单元发出的第二触发信号的作用下出射脉冲光信号；分束镜，设置于激光器出光向，用于将脉冲光信号分束为探测光信号和参考光信号，其中探测光信号照射待测样品后生成探测样品光信号；数据采集单元，用于在中控单元发出的第三触发信号和第四触发信号的作用下采集电致光信号，探测样品光信号，以及参考光信号，并处理为单一时刻反映样品不同波长光信号吸收强度的电信号数据；以及数据处理及成像单元，用于对电信号数据进行处理获得待测样品瞬态吸收信号并成像。

说明书

技术领域

本公开涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种脉冲电流激发的瞬态吸收光谱仪。

背景技术

常规瞬态吸收技术是一种时间分辨泵浦-探测技术，应用广泛。该技术利用一束脉冲激光激发被测样品，使其物理或者化学性质发生改变，进而改变样品的吸收系数，而另一束探测光则用于探测这一变化，该探测光可为单色光也可为白光。通过改变泵浦光和探测光之间的延时，可得到样品在被光激发之后不同时刻的瞬态吸收光谱，经过解析瞬态信号的产生及衰减，即得到相对应动力学信息。瞬态吸收光谱技术优点在于，即使样品不发光，也可以对其激发态动力学进行研究。

然而，由于缺乏相关技术，使得电激发后载流子的动力学信息无法全面精确的测量。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种脉冲电流激发的瞬态吸收光谱仪，以缓解现有技术中电激发后载流子的动力学信息无法有效测量等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种脉冲电流激发的瞬态吸收光谱仪，包括：中控单元，用于发出触发信号；脉冲发生器，用于在中控单元发出的第一触发信号的作用下生成电流脉冲信号，所述电流脉冲信号施加至待测样品后生成电致光信号；激光器，用于在中控单元发出的第二触发信号的作用下出射脉冲光信号；分束镜，设置于所述激光器出光向，用于将所述脉冲光信号分束为探测光信号和参考光信号，其中所述探测光信号照射待测样品后生成探测样品光信号；数据采集单元，用于在中控单元发出的第三触发信号和第四触发信号的作用下采集所述电致光信号，探测样品光信号，以及参考光信号，并处理为单一时刻反映样品不同波长光信号吸收强度的电信号数据；以及数据处理及成像单元，用于对所述电信号数据进行处理获得待测样品瞬态吸收信号并成像。

在本公开实施例中，所述待测样品为电致激发样品，其被放置于样品台，并连接脉冲发生器的输出端口，其被接入电流脉冲信号后处于电致激发态，发出电致光信号。

在本公开实施例中，所述激光器为单色光激光器或者白光激光器。

在本公开实施例中，所述第二触发信号频率为所述第一触发信号频率的3/2倍；所述第三触发信号和第四触发信号为所述第一触发信号频率的3倍。

在本公开实施例中，通过所述中控单元发出第一触发信号频率的1/2频率的电流脉冲信号激发待测样品，通过电流表测试无探测光信号照射的电致激发态待测样品的第一电流值，通过所述电流表测试有探测光信号照射的电致激发态待测样品的第二电流值，再根据第一电流值和第二电流值的比例调整电流脉冲的形状和序列，使其偶数电流脉冲信号大小与奇数脉冲大小的比为上述第一电流值和第二电流值的比例。

在本公开实施例中，所述数据采集单元，包括：单色仪组，包括第一单色仪和第二单色仪，所述第一单色仪用于接收所述电致光信号和/或探测样品光信号，并将接收到的光信号分光为不同波长的光信号；所述第二单色仪用于接收所述参考光信号并将参考光信号分光为不同波长的光信号；CCD组，包括第一CCD和第二CCD，用于分别将所述第一单色仪和第二单色仪处理后的不同波长光信号处理为反映样品不同波长光信号吸收强度的电信号数据；以及计数器，用于对所述电信号进行计数并存储。

在本公开实施例中，所述中控单元中设置有延时装置，所述延时装置通过光学延时台或者电子学板卡实现；所述延时装置用于调节第一触发信号与第二触发信号之间的时间差，从而测试待测样品的吸收信号随时间变化的信息；同时调控并分时发送第三触发信号和第四出发信号。

在本公开实施例中，所述参考光信号不与待测样品接触，用于消除探测光信号波动对测量的影响。

在本公开实施例中，所述数据处理及成像单元通过以下公式来获得待测样品瞬态吸收信号ΔOD：

I

其中，

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开脉冲电流激发的瞬态吸收光谱仪至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分；

(1)测试内容更全面，可以测试待测样品瞬态组分的产生及衰减动力学信息，以及激发态动力学信息；

(2)排除了电流脉冲信号激发的样品发光信号及探测光光电导效应引起的电致发光增强信号，使得所测瞬态吸收信号更精确；

(3)更准确及直观的测试待测样品的载流子动力学信息；

(4)采用直接电脉冲激发的泵浦-探测技术，应用更广泛，可以用于诸如LED、太阳能电池等领域测试及分析。

附图说明

图1为本公开实施例的脉冲电流激发的瞬态吸收光谱仪的组成示意图；

图2为本公开实施例的脉冲电流激发的瞬态吸收光谱仪的脉冲序列图。

具体实施方式

本公开提供了一种脉冲电流激发的瞬态吸收光谱仪，与常见泵浦-探测瞬态吸收光谱仪使用光激发样品不同，所述光谱仪使用电流脉冲信号作为泵浦源，结合光学或者电子延时的探测光，采集电激发后待测样品中载流子动力学信息，建立脉冲电流泵浦-光探测瞬态吸收谱仪，适用于研究LED、电致激光、光探测器和太阳能电池等器件的迁移率和缺陷浓度等参数。其可以测试电流脉冲信号激发载流子弛豫信息，能够测激子弛豫信息，也能够测试注入单电子或者单空穴载流子弛豫信息。能够用于测量待测样品的瞬态组分的产生及衰减相应的吸收光谱及载流子动力学信息。能够由分析装置探测电流激发样品种激发态能量传递，电荷转移，电声子耦合等相关信息。

在实现本公开的过程中发明人发现，基于瞬态吸收光谱技术的常规瞬态吸收光谱仪的工作原理如下：使用一束脉冲激光作为泵浦光入射到样品上，将其从基态激发到激发态，另一束脉冲单色光或白光激光经光学延迟台或电子学板卡延迟后作为探测光入射到样品的同样位置。通过控制探测光相对泵浦光的延迟时间，就可以检测样品的吸收光谱随着延迟时间的变化，从而获得样品的激发态弛豫信息。但是上述常规的光谱仪受限于其光激发机理，载流子只能在光吸收层中产生，并且只能测量电子空穴对的弛豫信息，无法测试由电极注入或者转移的载流子弛豫信息，也无法测试单电子或者空穴注入时的载流子弛豫信息。但在LED、电致激光、光探测器和太阳能电池等器件的研究中，以上所述的载流子弛豫信息能够从不同方面反映器件的性能表现，同等重要，缺一不可。由此本公开提供一种用电流脉冲信号激发的瞬态吸收光谱仪，所述电流脉冲信号激发的瞬态吸收光谱仪特征还在于采集考虑光电导效应后的电致发光信号、有电流脉冲信号泵浦和没电流脉冲信号泵浦的探测光信号，通过数据处理后可以排除电流脉冲激发时的电致发光信号及探测光对器件光电导效应引起电流增加造成的电致发光增量。

本公开的特点在于使用电流脉冲信号激发，使用单色光或者白光探测样品的瞬态吸收信号。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种脉冲电流激发的瞬态吸收光谱仪，如图1所示，所述瞬态吸收光谱仪，包括：

中控单元，用于发出触发信号；

在本公开实施例中，所述瞬态吸收光谱仪还包括电流表，所述电流表用于测试待测样品的真实电流。

在本公开实施例中，先由中控单元发出第一触发信号频率的1/2频率的电流脉冲信号激发待测样品，通过所述电流表测试无探测光信号照射的电致激发态待测样品的第一电流值，通过所述电流表测试有探测光信号照射的电致激发态待测样品的第二电流值，再根据第一电流值和第二电流值的比例(比较结果)调整电流脉冲的形状和序列，使其偶数电流脉冲信号大小与奇数脉冲大小的比为上述第一电流值和第二电流值的比例，由脉冲发生器产生作为测量待测样品瞬态吸收时的泵浦(电流脉冲信号)，电流脉冲形状如图2所示。

脉冲发生器，用于在中控单元发出的第一触发信号的作用下生成电流脉冲信号，所述电流脉冲信号施加至待测样品后生成电致光信号；

激光器，用于在中控单元发出的第二触发信号的作用下出射脉冲光信号；

分束镜，设置于所述激光器出光向，用于将所述脉冲光信号分束为探测光信号和参考光信号，其中所述探测光信号照射待测样品后生成探测样品光信号；

数据采集单元，用于在中控单元发出的第三触发信号和第四触发信号的作用下采集所述电致光信号，探测样品光信号，以及参考光信号，并处理为单一时刻反映样品不同波长光信号吸收强度的电信号数据；以及

数据处理及成像单元，用于对所述电信号数据进行处理获得待测样品瞬态吸收信号并成像。

所述脉冲发生器能够在所述第一触发信号的作用下产生不同大小、脉冲时间以及频率的方形或者其他形状的电流脉冲信号激发待测样品。

所述待测样品为电致激发样品，其被放置于样品台，并连接脉冲发生器的输出端口，其被接入电流脉冲信号后处于电致激发态，发出电致光信号。

所述激光器为单色光激光器或者白光激光器。

所述参考光信号用于消除探测光信号波动对测量的影响。

所述第二触发信号频率为所述第一触发信号频率的3/2倍。

所述第三触发信号和第四触发信号为所述第一触发信号频率的3倍。

所述数据采集单元，包括：

单色仪组，包括第一单色仪和第二单色仪，所述第一单色仪用于接收所述电致光信号和/或探测样品光信号，并将接收到的光信号分光为不同波长的光信号；所述第二单色仪用于接收所述参考光信号并将参考光信号分光为不同波长的光信号；

CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)，包括第一CCD和第二CCD，用于分别将所述第一单色仪和第二单色仪处理后的不同波长光信号处理为反映样品不同波长光信号吸收强度的电信号数据；以及

计数器，用于对所述电信号进行计数并存储。

在本公开实施例中，所述数据采集单元还包括聚焦物镜、光纤；

所述中控单元中设置有延时装置，延时装置可通过光学延时台或者电子学板卡实现，所述延时装置用于调节第一触发信号(或电流脉冲信号)与第二触发信号(或脉冲光信号)之间的时间差，从而测试待测样品的吸收信号随时间变化的信息；同时调控并分时发送第三触发信号和第四出发信号及协调各部件运作。

探测光到达样品是需要时间的，然后电流脉冲信号到达样品到样品被激发也有时间差，调整这个时间差，使得开始测量时刻真实光信号探测样品的时间在真实脉冲电信号激发样品之前一点。

在本公开实施例中，单色或者白光探测激光器由频率为电流脉冲频率3/2倍的触发信号触发，发出的脉冲光信号被分束为两束，一束作为探测光照射到待测样品上，另一束可作为参考光，由于参考光信号不与待测样品接触，可用于排除单色或者白光随时间抖动的问题。

在本公开实施例中，通过数据处理及成像单元对电信号数据进行处理，对比参考光信号排除探测光信号抖动影响形成有效数据，获得待测样品三维吸收强度随波长、时间变化图。

通过所述数据采集单元收集的考虑光电导效应后电致光信号，探测样品光信号被第一单色仪分光并同时照射到第一CCD上，参考光信号被第二单色仪分光并照射到第二CCD上，所述第一CCD和第二CCD接收来自中控单元的第三触发信号开始采集图像，并转化为电信号传输到计数器中，计数器接受来自中控单元的第四触发信号开始计数并存储。

在本公开实施例中，中控单元发出的第二触发信号触发激光器发出探测光及参考光的频率为第一触发信号触发脉冲发生器发出的电流脉冲频率的3/2倍，故将计数器开始采集数据时的6n+1采集次作为有电流脉冲信号激发有探测光信号照射时的数据，6n+4采集次作为没有电流脉冲信号激发有探测光信号照射的数据，6n+3采集次作为考虑光电导效应后的电致发光信号，其中n取从0开始的整数，并由以下数据处理及成像单元按照以下公式来获得电流脉冲信号激发的待测样品的瞬态吸收信号。

I

其中

以上为一个时刻获得的不同波长吸收数据，再由中控单元中延时装置实现探测光与泵浦电流脉冲信号之间时间差，并再进行以上测瞬态吸收信号的步骤，以此来获得随时间变化及不同波长的吸收强度的数据，并由数据处理及成像单元画出待测样品随时间变化及不同波长的吸收强度的三维图像。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开瞬态吸收光谱仪有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种脉冲电流激发的瞬态吸收光谱仪，通过脉冲发生器提供电流脉冲信号作为激发待测样品发出电致光信号的泵浦源；使用频率是电流脉冲信号频率3/2倍的单色光或者白光激光器作为探测光信号及参考光信号；通过延时装置调整电流脉冲信号与探测光信号之间的延时；使用频率是电流脉冲频率3倍的触发信号触发数据采集单元中的CCD及计数器，通过数据采集单元采集有电流脉冲时包含电致发光信号的探测光信号、计算光电导之后的电致发光信号和没有泵浦脉冲电流时的探测光信号；最后由数据处理及成像单元将采集信号处理并形成吸收随时间及波长变化三维图像。该电流脉冲激发的瞬态光谱仪可排除样品在脉冲电流激发下发光引起的电致光信号以及光电导效应造成的额外电流增加的发光信号，测量电注入的单电子，单空穴或者电子空穴对的动力学。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。