[发明专利]共聚焦显微红外调制光致发光谱实验装置及测试方法

说明书

本发明公开一种共聚焦显微红外调制光致发光谱实验装置及测试方法。装置包括泵浦激光及其方向稳控与准直模块、反射物镜激光聚焦与红外信号收集模块、低/变温载物台、亚微米级分辨的六维电控位移台、准实时影像监测模块、步进扫描迈克尔逊干涉仪、幅值调制与相敏检测模块以及计算机控制系统。基于上述装置，本发明进一步提出实现覆盖3‑20微米宽波段的共聚焦显微红外调制光致发光光谱测试方法。本发明是一种检测窄禁带材料微区光学性质和电子能带结构的光谱学成像测试装置和方法，具有无损非接触、长波长、宽波段、高空间分辨和高谱分辨能力等优点，非常适用于包括窄禁带半导体等红外光电子材料在内的微结构光学性质检测和光电子显微分析。

技术领域：

本发明涉及一种共聚焦显微红外调制光致发光谱实验装置及测试方法。所涉及的共聚焦显微红外调制光致发光谱实验系统及方法，主要基于可见-远红外的共聚焦光路，融合步进扫描迈克尔逊干涉仪与相敏检测、激光光斑和光致发光光斑整形、多维光谱显微成像等技术，实现覆盖3-20微米宽波段的共聚焦显微红外调制光致发光光谱的实验装置和测试方法，具有无损非接触、长波长、宽波段、高空间分辨和高谱分辨能力等优点，适用于包括窄禁带半导体等红外光电子材料在内的微结构光学性质检测和光电子显微分析，从而在微观尺度表征红外材料的参数及其空间相关度。

背景技术：

窄禁带半导体等红外材料的光电子跃迁特性检测是研究材料物理和制造红外光电器件的重要手段。高集成微像元红外焦平面阵列器件发展提出对窄禁带半导体微尺度能带结构和电子特性机理认识的新要求。因此，亟需在微尺度厘清窄禁带材料的缺陷微结构对光电子特性的影响，也就迫切需要创新发展出可靠实用的实验检测方法。

红外反射/透射光谱通过探测电子跃迁的光学响应揭示能级分布特性，是研究窄禁带半导体能带结构的重要手段。遗憾的是，窄禁带材料电子跃迁响应通常在5微米以长波段。常规红外光谱则受制于远场光学衍射极限，难以满足小于5微米的微尺度能带结构探测需求。

光致发光(也称光荧光，英文Photoluminescence，缩写PL)光谱是半导体材料无损检测的经典而又非常有效手段，被广泛应用于III-V族等宽禁带半导体和碳纳米管等纳米材料的光学性质研究，不但能揭示材料带隙、带边态等电子能带结构方面的信息，还能用于研究杂质、深能级缺陷等，极大地增进了对相关材料光电特性和物理过程的认识。更为重要的是，PL作为一种激光技术，其空间分辨能力取决于可见泵浦激光波长而非红外波长，这使得其能够获得可比拟可见光的微米级空间分辨能力，从而成为中-远红外波段显微成像的最优选择。

但是在波长4～20微米中-远红外波段，由于单色仪自身根本性局限和室温背景辐射的强干扰效应，即便单点PL测试也存在严重困难。为了克服这一困难，我们前期发明了基于步进扫描迈克尔逊干涉仪的傅里叶变换红外(Fourier transform infrared,FTIR)调制PL光谱及其二维空间扫描成像方法【见专利 ZL200610023133.6和ZL201410120925.X】。中-远红外PL光谱探测灵敏度、分辨率、信噪比与测试速度得到数量级提高，在国内外窄禁带半导体等材料相关研发中得到广泛应用。但受限于激发光斑尺寸等因素，空间分辨率仅为10微米量级，尚难以在微米尺度上对红外材料的电子跃迁进行显微分辨。

针对红外光电子跃迁显微分辨成像这一亟待解决的难题，本发明公开一种共聚焦显微红外调制光致发光谱实验装置及测试方法。具体地，基于可见-远红外的共聚焦光路，融合步进扫描迈克尔逊干涉仪与相敏检测、激光光斑和光致发光光斑整形、多维光谱显微成像等技术，显著提升单谱测试速度和信噪比，实现波段覆盖3-20微米宽波段的共聚焦显微红外调制PL谱的实验装置和测试方法，具有无损非接触、长波长、宽波段、高空间分辨和高谱分辨能力等优点，适用于包括窄禁带半导体等红外光电子材料在内的微结构红外光电子跃迁性质检测和红外光电子显微分析。

发明内容：