[发明专利]紫外与深紫外光学薄膜元件双波长激光荧光光谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及光学薄膜元件应用技术领域，特别涉及紫外与深紫外光学薄膜元件双波长激光荧光光谱仪。

背景技术

根据量子理论，原子或分子能带包含一系列的分立能级结构，当物质吸收电磁辐射后，原子或分子的基态或低能级电子被激发到较高的能级，形成激发态的原子或分子，处于激发态的原子或分子通过辐射跃迁过程，将发射出与激发光波长相同或更长波长的光，即所谓的荧光，这就是荧光现象产生的原理。当原子或分子包含的能级结构比较复杂时，将产生不同波长的荧光，形成光谱。因此，荧光光谱作为物质的一种本征特性，通过对物质受激发后辐射出的不同波长辐射强度进行定量分析，即荧光光谱分析，可以精确获得物质的组成、含量及状态信息。此外由于荧光光谱测试是在一个非常低的暗背景中进行，与吸收光谱等相比，荧光光谱测试的灵敏度更高。正是基于上述因素，荧光光谱技术已经成为在物理、化学、生物及材料等领域十分重要的一种分析技术。

随着技术和需求的不断扩展，紫外与深紫外波段光学薄膜元件的研究与应用正变得越来越重要。然而由于紫外与深紫外波段接近大多数可用介质薄膜材料的能级禁带，薄膜材料的本征吸收更加严重，同时薄膜制备过程中引入的各种杂质和缺陷对薄膜的影响也要比对可见波段薄膜的影响更加严重，尤其是在薄膜材料能带尾形成的各种缺陷是严重影响制约紫外与深紫外光学薄膜元件的主要因素之一。利用荧光光谱技术探测紫外与深紫外光学薄膜与元件内部的各种痕量杂质和缺陷态，是深入了解评价紫外与深紫外光学薄膜与元件光学性能、进而摸索改善紫外与深紫外光学薄膜制备与处理工艺的重要手段，具有重要的实际意义。

目前能够应用到紫外与深紫外光学薄膜元件的荧光光谱仪器，主要都是采用高压放电弧光灯，如Xe灯，作为荧光光谱仪的光源。利用上面所述的宽谱光源通用荧光光谱仪，无论是采用Xe灯还是D₂灯作光源，进行紫外与深紫外光学薄膜元件荧光光谱测量均存在一些明显的不足。这些不足除了荧光光谱仪的工作覆盖波长不够宽，例如这些宽谱光源的短波工作下限一般都是截止到200nm，无法满足193nm光学薄膜研究的需要之外，主要的问题是荧光探测的灵敏度较低，无法满足实际应用需要。造成荧光探测灵敏度较低的原因包括：紫外与深紫外光学薄膜的厚度很薄，相应的荧光信号较弱；宽谱光源在200-800nm之间的发光强度非常不均匀，尤其是在250nm左右及以下的紫外与深紫外波段的激发强度更低，要远远低于在可见波段的激发强度；宽谱光源需要进行光栅分光，会导致激发光能量的相应损失，尤其是光谱的带宽较小的情况下；同时采用光栅分光，光栅高级效应等导致的滤光不充分的光源本身信号会对荧光信号产生干扰。上述因素叠加在一起，会严重降低紫外与深紫外波段荧光探测的灵敏度，进而降低紫外与深紫外波段荧光光谱探测在紫外与深紫外光学薄膜研究中的实用意义。

与Xe灯等弧光放电宽谱光源不同，激光光源具有单色性和强度高等特点，因此采用激光作为荧光光谱仪的光源，将极大地提高荧光光谱的探测灵敏度，从而解决宽谱光源荧光光谱仪存在的不足，很好地满足紫外与深紫外光学薄膜研究的需要。然而，由于材料能级结构多且复杂，以及不同材料的能级结构不同等原因，如果仅仅采用单一波长的激光作为荧光光谱的光源，有时并不能很好地满足不同薄膜材料测试的需要，通过在整个紫外与深紫外波段选择合适波长的双激光将可以很好地克服单波长激光光源荧光光谱仪存在的问题，满足不同紫外与深紫外光学薄膜研究的需要。

现有包含宽谱光源的紫外-可见荧光光谱仪，其基本的结构如图1所示，这也是目前应用最多的荧光光谱仪。宽谱光源荧光光谱仪主要包括宽谱光源、激发光单色器、样品室、荧光单色器、光电检测系统等组成。其中激发光单色器一般是由色散光栅和狭缝组成，用于将宽谱光源不同带宽和波长的光分开，即选择激发波长和带宽。荧光单色器同样是由色散光栅和狭缝组成，但是用于将荧光光谱中不同带宽和波长的光分开，即选择探测荧光波长和带宽。光电检测系统一般是由高灵敏度的光电倍增管以及相应的电路等组成。此类荧光光谱仪的基本工作过程是由激发光单色器将宽谱光源不同带宽和波长的光分开，选择所需的激发波长和带宽，同时由荧光单色器将产生的荧光光谱中不同波长的光分开，并由光电探测系统依次探测所需范围内的不同波长荧光强度，由此得到荧光光谱。

发明内容

针对现有技术存在的不能很好地满足不同薄膜材料测试的需要、易对荧光信号产生干扰和发光强度非常不均匀等问题，本发明提供一种紫外与深紫外光学薄膜元件双波长激光荧光光谱仪，将解决现在技术存在的问题。