[发明专利]一种高灵敏度的光热偏转光谱测试装置及校准方法

说明书

本发明公开了一种高灵敏度的光热偏转光谱测试装置及校准方法，包括互相垂直的探测光光路和泵浦光光路，其中，沿泵浦光光路依次布置有泵浦光光源、单色仪、光学斩波器、泵浦光透镜组和吸收池；沿探测光光路依次布置有探测光光源、空间滤波系统、探测光聚焦透镜、吸收池和位敏探测器；所述位敏感测器的信号输出端与锁相放大器的信号输入端相连，锁相放大器的输出端连接至电脑；单色仪的信号控制端与电脑相连，光学斩波器的信号输出端与锁相放大器的信号输入端相连；所述的空间滤波系统包括沿光路布置的空间滤波聚焦透镜、微孔、空间滤波准直透镜和光阑。利用本发明，可以提高光热偏转光谱的测试灵敏度，使得薄膜吸光率测试精度可以达到10^‑5～10^‑4。

技术领域

本发明属于光谱检测技术领域，尤其是涉及一种高灵敏度的光热偏转光谱测试装置及校准方法。

背景技术

薄膜是光电器件发展的基石，而薄膜的缺陷态对薄膜的性能具有决定性作用。目前商业化的基于光吸收的薄膜表征手段，如紫外-可见吸收光谱技术等，往往灵敏度不高，无法用于表征弱吸收(吸收率小于0.5％)的薄膜缺陷态。因此，发展一种高灵敏度的薄膜表征手段对于指导光电器件的研发具有重大意义。

光热偏转光谱建立光热效应以及介质温度与折射率的相关性。光照射到薄膜上，薄膜吸收光能转化为热能，薄膜微区温度上升，热量从温度较高的薄膜向附近温度相对较低的区扩散，从而形成温度场。介质的温度越高，折射率越低，由此形成了与温度场对应的折射率场。探测光经过邻近薄膜表面的折射率场后，光路方向产生偏转。探测光的偏转角度正比于薄膜吸光后释放的热量，由此可以从探测光偏转信号中提取薄膜吸光特性信息。

如公开号为CN113109282A的中国专利文献公开了一种广波长覆盖的光热偏转光谱测试装置，包括沿光路依次布置的泵浦光源、单色仪、光学斩波器和分束器；分束器的反射光路上布置有光电探测器，分束器的透射光路上布置有吸收池；光电探测器的信号输出端与电脑连接；吸收池在与分束器透射光路相垂直的两侧面分别布置有探测光源和位敏探测器；位敏探测器的信号输出端依次与锁相放大器和电脑连接；吸收池内用于容纳导热介质，底部固定有样品台，样品台用于固定待测薄膜；吸收池与分束器之间设有聚焦透镜，透射过分束器的泵浦光通过聚焦透镜进入吸收池；泵浦光源采用激光驱动宽带光源，用于发射170nm～2100nm的泵浦光。利用该发明，可以同时满足从窄带隙材料到宽带隙材料的测试需求。

光热偏转光谱的灵敏度与泵浦光光源的输出功率与功率密度直接相关。泵浦光光源的输出功率与功率密度越高，装置灵敏度越高。因此，在已报道的基于光热偏转信号的应用中，泵浦光多采用高功率激光，用以提升测试装置灵敏度，但这种对薄膜样品的单波长测试无法为光电器件制备提供有效的指导信息。而宽谱光源如氙灯等，其高输出功率、高功率密度的白光经单色仪单色化后，强度大大降低，搭配未经优化的简单光路，测试装置灵敏度远未达到测试弱吸收信号的需求。另一方面，从光热效应与偏转信号的定量关系出发，几十到几百瓦功率的氙灯配备合适的单色仪即可满足高灵敏度的光热偏转光谱测试需求，但对光路精度有较高要求。

发明内容

为了解决了现有技术无法精确测试薄膜弱吸收的问题，本发明提供了一种高灵敏度的光热偏转光谱测试装置及校准方法，使得薄膜吸光率测试精度可以达到10^-5～10^-4。

一种光热偏转光谱测试装置，包括互相垂直的探测光光路和泵浦光光路，其中，沿泵浦光光路依次布置有泵浦光光源、单色仪、光学斩波器、泵浦光透镜组和吸收池；沿探测光光路依次布置有探测光光源、空间滤波系统、探测光聚焦透镜、吸收池和位敏探测器；

所述位敏感测器的信号输出端与锁相放大器的信号输入端相连，锁相放大器的输出端连接至电脑；单色仪的信号控制端与电脑相连，光学斩波器的信号输出端与锁相放大器的信号输入端相连；