光谱扫描测试装置及其测试方法与流程

本发明属于光谱测试技术领域，具体地讲，涉及一种低温条件下高空间分辨率的光谱扫描测试装置及其测试方法。

背景技术：

光谱分析方法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质控等方面，都发挥着极大的作用。随着器件结构的高度集成、尺寸减小，对局部结构的测试显得尤为重要。目前商业的测试系统，在室温条件下可以很好的实现光谱的扫描测试。然而，由于低温制冷系统较大的振动，使得低温下的扫描测试很难实现。

目前低温条件的扫描测试只能达到液氮温度(70K)，并且该制冷过程浪费大量的液氮；且目前光谱扫描过程中，移动的精度最高约为100nm左右。

然而，随着近两年无液氦低温制冷机制造技术的快速发展，目前市场上已经出现振动幅度在纳米级别的无液氦低温制冷设备，最低稳定温度可以达到4K，这一制冷技术为微区结构在低温下的光(电)致荧光光谱和拉曼光谱测试功能的实现提供了可能性。

技术实现要素：

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种光谱扫描测试装置，该测试装置可实现最低4K的低温环境下的光谱扫描测试，同时还可实现微小结构的测试。

为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种光谱扫描测试装置，包括：制冷样品室，用于向待测样品提供一预定温度的测试环境；样品台，设置于所述制冷样品室中且用于承载所述待测样品，所述样品台以预定数量级的位移精度进行移动；显微光路系统，至少包括显微镜及激光光源，其中，所述激光光源发出的激光经由所述显微镜传递至承载于所述样品台上的所述待测样品，以激发所述待测样品产生激发光谱；光谱测试系统，用于接收并测试所述激发光谱。

进一步地，所述显微光路系统还包括：半反半透元件，设置于所述显微镜与所述激光光源之间。

进一步地，所述显微光路系统还包括：白光光源，邻近于所述激光光源设置，其中，所述白光光源发出的白光经由所述显微镜传递至承载于所述样品台上的所述待测样品，以产生所述待测样品的表面形貌图。

进一步地，所述制冷样品室为无液氦低温制冷设备。

进一步地，所述样品台以纳米级的位移精度进行移动。

进一步地，所述样品台的位移精度为10nm。

本发明的另一目的还在于提供一种上述光谱扫描测试装置的测试方法，所述光谱扫描测试装置包括制冷样品室、样品台、显微光路系统以及光谱测试系统，显微光路系统至少包括显微镜及激光光源，其中，所述测试方法包括步骤：将待测样品置于所述制冷样品室中的所述样品台上，并对所述待测样品进行制冷至预定温度；所述激光光源发射激光，所述激光经由所述显微镜传递至承载于所述样品台上的所述待测样品，以激发所述待测样品产生激发光谱；所述光谱测试系统接收并测试经由所述显微镜传递的所述激发光谱。

进一步地，所述显微光路系统还包括设置于所述显微镜与所述激光光源之间的半反半透元件，其中，所述激光光源发射激光，所述激光经半反半透元件反射后，再经由所述显微镜传递至承载于所述样品台上的所述待测样品，以激发所述待测样品产生激发光谱。

进一步地，所述显微光路系统还包括邻近于所述激光光源设置的白光光源，其中，在所述激光光源发射激光之前，所述测试方法还包括步骤：所述白光光源发射白光，所述白光经由所述显微镜传递至承载于所述样品台上的所述待测样品，以产生所述待测样品的表面形貌图。

进一步地，所述制冷样品室为无液氦低温制冷设备。

本发明利用无液氦低温制冷设备可实现最低稳定温度为4K下的光谱测试，该振动幅度在纳米级的无液氦低温制冷设备也为本发明的光谱扫描测试装置实现低温(最低4K)下的光谱扫描测试提供了保障；与此同时，利用位移精度为10nm的纳米位移台来放置待测样品，还可实现待测样品微小结构的测试。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是根据本发明的实施例的光谱扫描测试装置的结构示意图；

图2是根据本发明的实施例的利用光谱扫描测试装置测试的拉曼结果图，其中，(a)表示拉曼光谱图，(b)表示样品界面处扫描图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。

图1是根据本发明的实施例的光谱扫描测试装置的结构示意图。

参照图1，根据本发明的实施例的光谱扫描测试装置包括：制冷样品室10，用于向待测样品20提供一预定温度(最低温度为4K)的测试环境；样品台30，设置于制冷样品室10中且用于承载待测样品20，该样品台30可以以预定数量级的位移精度进行移动；显微光路系统40，至少包括显微镜41、激光光源42，以及邻近于激光光源42设置的白光光源43，和设置于显微镜41与激光光源42之间的半反半透元件44；其中，激光光源42发出的激光经显微镜41传递至承载于样品台30上的待测样品20的表面，以激发待测样品20产生激发光谱；白光光源43发出的白光经显微镜41同样传递至待测样品20表面，以产生待测样品20的表面形貌图；而半反半透元件44用于将激光光源42发出的激光和白光光源43发出的白光反射至显微镜41处；光谱测试系统50，用于接收并测试激发光谱。

如此，由激光光源42发出的激光经半反半透元件44反射至显微镜41处，并透过显微镜41传递至待测样品20处，激光可在待测样品20表面激发并产生激发光谱，该激发光谱继而通过显微镜41传递至光谱测试系统50处，进行光谱的探测。该显微光路系统40采用背反射(即入射光路与收集光路相同)的方式来实现光谱的激发与收集，这也就要求半反半透元件44需对到达其表面的光(由激光光源42产生的激光和由白光光源43产生的白光)部分产生反射，该 经过反射的光传递至显微镜41处，再经由显微镜41透过继而激发待测样品20产生的激发光谱返回显微镜41，最后经半反半透元件44透射至光谱测试系统50进行光谱分析。该种背反射为本技术领域人员惯用操作，此处对其不再赘述。以该种背反射的方式来实现光谱的激发和收集，可有效提高光谱的激发效率和收集效率。

优选地，在本实施例中，制冷样品室10采用无液氦低温制冷设备，该设备不仅可为待测样品20提供最低4K的低温测试环境，同时，该设备的振动幅度处于纳米级，这一特性也为实现低温下的光谱扫描测试提供了保障；与此同时，在本实施例中，样品台30采用的是纳米位移台，其位移可通过外置的控制器进行控制，该纳米位移台的位移精度可达到10nm，纳米位移台的这一特性可实现对于待测样品20微结构的扫描测试，从而实现了高空间分辨率的扫描测试。以上述无液氦低温制冷设备为制冷样品室10和以纳米位移台为样品台30，可最终实现待测样品20低温下的微结构光谱扫描测试。

在使用该光谱扫描测试装置对待测样品20进行光谱扫描测试时，首先将待测样品20安放在样品台30上，并将其置入制冷样品室10中，然后利用白光光源43发射的白光对待测样品20表面进行观察，并根据观察得到的表面形貌图确定待测部位，继而利用激光光源42发射出的激光照射至待测部位并产生激发光谱；最后利用光谱测试系统50对激发产生的激发光谱进行探测分析。值得说明的是，一般情况下，利用控制样品台30的移动来确定待测部位后，待待测部位确定好后，将激光光源42发射的激光的光斑控制于白光光源43发射的白光的照射范围的中心位置处即可。当然，上述白光光源43产生的白光一般只作为观察待测样品20表面以确定待测部位之用，若待测样品20表面均一，无需对待测样品20表面进行形貌观察，则无需使用白光光源43，直接以激光光源42发射的激光对待测样品20表面进行激发以产生激发光谱即可。

利用上述光谱扫描测试装置对生长有AlN的蓝宝石在4K下的拉曼光谱进行了测试，拉曼光谱图如图2(a)所示，对其中界面处的反应该材料应力的E₂^H峰进行了扫描测试，结果如图2(b)所示，在图2(b)中，插图表示该样品的待测部位，其中激发光波长为532nm。根据图2中的测试结果，说明利用该光谱扫描测试装置可对待测样品20实现最低温度4K下的光谱扫描测试。

值得说明的是，上述实施例中仅对待测样品20进行了4K下的恒温光谱扫描测试，可以想象的是，上述光谱扫描测试装置还可实现对待测样品20最低温 度为4K下的变温光谱扫描测试。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。