[發(fā)明專利]一種基于顯微鏡的激光雙調(diào)制反射光譜檢測系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410403293.8
• 申請日: 2014-08-15
• 公開（公告）號(hào): CN104181110A
• 公開（公告）日: 2014-12-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王玘;袁小文;孫聊新;張波;陸衛(wèi)
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類號(hào): G01N21/25
• 分類號(hào): G01N21/25
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術(shù)領(lǐng)域

本專利屬于光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于顯微鏡的激光雙調(diào)制反射光譜檢測系統(tǒng)，它用于針對納米帶、納米線等納米尺度材料的光學(xué)特性檢測。?

背景技術(shù)

納米材料是指三維空間中至少有一維處于納米尺寸范圍內(nèi)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。與常規(guī)體材料相比，其具有許多特異性能，例如：量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)等，使處在表面態(tài)的原子、電子行為與處于內(nèi)部的原子、電子相比有很大差別，從而導(dǎo)致納米材料具有同種宏觀體材料所不具備的新的光學(xué)特性。研究納米材料的光學(xué)性質(zhì)，需要借助于顯微技術(shù)。此外，還需要對微區(qū)進(jìn)行光激發(fā)和收集以便對選定的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的研究。?

反射光譜是研究半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)及其它相關(guān)性質(zhì)的最基本最普遍的光學(xué)方法之一，反映了高能態(tài)以及子能帶之間的電子躍遷過程。然而，單純的反射光譜是一種靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，具有很大的局限性，因?yàn)榉瓷涔庾V圖中的許多結(jié)構(gòu)是微弱的、含糊不清的和低靈敏度的，不能將靜態(tài)反射譜結(jié)構(gòu)對應(yīng)的光子能量和靜態(tài)計(jì)算式作為參數(shù)調(diào)節(jié)依據(jù)的基本躍遷直接聯(lián)系起來。為了克服靜態(tài)反射光譜的這些缺陷，20世紀(jì)60年代以來，人們發(fā)展了多種手段的調(diào)制光譜方法。所謂調(diào)制光譜，就是在測量光譜的同時(shí)，周期性地改變被測半導(dǎo)體樣品的實(shí)驗(yàn)條件或者施加一個(gè)周期性改變的外界微擾參數(shù)。其中，外界微擾參數(shù)可以是電場、磁場、壓力、應(yīng)力、熱脈沖、入射光電磁波波長或者入射光強(qiáng)等。調(diào)制光譜不僅可以用于半導(dǎo)體體材料，也可用于半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)、量子阱和納米線等低維結(jié)構(gòu)。?而調(diào)制光譜技術(shù)具有高分辨率和高靈敏度是因?yàn)檎{(diào)制參數(shù)導(dǎo)致的能帶結(jié)構(gòu)的周期性改變只在聯(lián)合態(tài)密度的奇異點(diǎn)才最有效地顯示出來，從而抑制了布里淵區(qū)中其它廣延區(qū)域的貢獻(xiàn)，突出了臨界點(diǎn)對調(diào)制光譜的貢獻(xiàn)。現(xiàn)如今，由于具有與樣品非接觸、無損傷、方法簡單以及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，激光調(diào)制技術(shù)已經(jīng)從其它調(diào)制光譜技術(shù)中脫穎而出并在光譜檢測領(lǐng)域廣泛使用。但是激光調(diào)制技術(shù)也存在一定的局限性，因?yàn)榧す庵芷谛匀肷涞綐悠繁砻鏁r(shí)，樣品自身發(fā)出的熒光會(huì)帶有相同的載波頻率，因此探測信號(hào)會(huì)同時(shí)包括熒光本底信號(hào)，為了克服激光調(diào)制技術(shù)的熒光本底問題，需要引入可以抑制熒光背景的激光雙調(diào)制技術(shù)，通過令反射譜變化量和熒光本底信號(hào)帶有不同的載波頻率，從而在信號(hào)提取過程中將這兩種信號(hào)區(qū)分開。?

對于調(diào)制光譜，其調(diào)制信號(hào)一般為靜態(tài)反射信號(hào)的10^-4-10^-6。因此如何抑制外來噪聲，提高激光雙調(diào)制反射信號(hào)的信噪比成為其發(fā)展瓶頸。當(dāng)樣品是納米材料時(shí)，由于材料的尺寸在納米量級(jí)，如果不對視場進(jìn)行特殊限制，所得到的激光調(diào)制信號(hào)將淹沒在無用的背景反射信號(hào)中，因此，消除背景反射、提高信噪比對納米材料調(diào)制反射譜技術(shù)提出了更高的要求。?

發(fā)明內(nèi)容

本專利的目的是提供一種基于顯微鏡的激光雙調(diào)制反射光譜檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了納米量級(jí)區(qū)域的光譜探測。?

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利提供一種基于顯微鏡的激光雙調(diào)制反射光譜檢測系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的部件包括單模光纖1、成像放大系統(tǒng)2、半透半反片3、激光擴(kuò)束系統(tǒng)4、低頻斬波器5、激光器6、顯微鏡系統(tǒng)7和高頻斬波器8，探測光和泵浦光經(jīng)過同一顯微物鏡作用于納米材料，其中：?

檢測系統(tǒng)將單模光纖1作為視場光闌實(shí)現(xiàn)對視場的限制作用，樣品放置于?顯微物鏡前焦平面7-3，將受高頻斬波器8調(diào)制后的白光源通過顯微鏡照明系統(tǒng)7-2作為探測光聚焦入射到樣品表面，激光器6發(fā)出的激光經(jīng)低頻斬波器5調(diào)制后通過擴(kuò)束系統(tǒng)4，然后通過半透半反片3的反射作用進(jìn)入鏡筒透鏡7-1作為泵浦光經(jīng)過同一顯微物鏡7-4與探測光一起作用于納米材料，樣品反射的光經(jīng)顯微物鏡7-4和鏡筒透鏡7-1成像到顯微鏡一次成像面10處，單模光纖1作為視場光闌放置在經(jīng)成像放大系統(tǒng)2后的二次放大像面9處實(shí)現(xiàn)了對視場的限制作用，減弱了無用的背景反射信號(hào)的干擾，提高了激光雙調(diào)制反射信號(hào)的信噪比，完成了對納米材料的激光雙調(diào)制。?

納米材料的激光雙調(diào)制反射光譜信號(hào)檢測原理是在激光雙調(diào)制的基礎(chǔ)上，利用激光擴(kuò)束系統(tǒng)和現(xiàn)代顯微鏡系統(tǒng)的配合使用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對樣品的泵浦和探測作用，再通過單模光纖對視場的限制作用，實(shí)現(xiàn)了納米量級(jí)區(qū)域的激光雙調(diào)制光譜探測。本專利是利用顯微鏡照明系統(tǒng)將受到高頻斬波器調(diào)制后的白光源作為探測光聚焦入射到顯微物鏡前焦平面，擴(kuò)束后的激光作為泵浦光經(jīng)過同一顯微物鏡作用于該平面，同時(shí)保證激光光斑能完全覆蓋探測光光斑。樣品的反射光成像到鏡筒透鏡后焦平面，并通過外接成像放大系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)二次像面放大。單模光纖作為視場光闌放置在二次放大像面處，通過電機(jī)控制對樣品面進(jìn)行二維掃描并收集相關(guān)光學(xué)信號(hào)，得到納米材料的激光雙調(diào)制反射光譜信號(hào)。?