一种基于滤波技术获得时间分辨光谱的系统及其获取方法与流程

本发明属于光谱测量技术领域，具体涉及一种基于滤波技术获得时间分辨光谱的系统及其获取方法。

背景技术：

时间分辨光谱是在传统光谱学的基础上结合光脉冲技术和微弱、瞬变光信号检测方法而发展起来的一个新兴学术领域。发光材料在短脉冲激光激发下，其发光强度是波长和时间的函数。测量时间分辨光谱实际上就是测量作为波长和时间的二元函数发光强度I(λ,t)。通过测量时间分辨光谱可以获得材料中载流子的许多物理过程，如材料中载流子的辐射跃迁、非辐射跃迁及其弛豫、输运过程等。

时间分辨光谱的测量方法包含发光瞬态过程的测量和各波长光强度的测量。若固定某一波长，光强随时间的变化可以用相应的串行或并行技术来测量；若固定某一延迟时刻，各个波长的光强变化也可以用串行或并行技术来测量。具体地，根据在时间和波长上所使用的串行和并行技术，一般用到如下技术或仪器：1)采用时间的串行测量，需要用到取样积分技术和单光子计数法；2)采用时间的并行测量，需要用到瞬态记录仪等；3)采用波长的串行测量，需要用到单色仪等；4)采用波长的并行测量，需要用到CCD阵列探测器等。如今，时间分辨光谱学已成为一种十分重要的工具。它与传统的吸收、荧光、光散射谱等光谱技术相结合，使得人们对分子内部的动力学和能量转移过程有了更深刻的认识(J.F.Ryan,R.A.Taylor,et al.,Time-Resolved Photoluminescence of Two-Dimensional Hot Carriers in GaAs-AlGaAs Heterostructures,Phys.Rev.Lett.53:1841(1984)；M.Smith,G.D.Chen,et al.,Time-resolved photoluminescence of InGaN epilayers,Appl.Phys.Lett.69:2837(1996)；R.D.Schaller,M.Skora,et al.,High-Efficiency Carrier Multiplication and Ultrafast Charge Separation in Semiconductor Nanocrystals Studied via Time-Resolved Photoluminescence,J.Phys.Chem.B 110:25332(2006))。然而，传统的时间分辨光谱测试系统结构较为复杂，所需仪器较为昂贵，测量成本较高，不利于推广与普及。因此，需要对测试系统进行简化和改进，开发出更为简单易行、测试成本更为低廉的时间分辨光谱测试方法。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于滤波技术获得时间分辨光谱的系统，包括：滤光单元，其对选择过滤输入的光信号波段，使得在入射角θ_i下只有对应的波段λ_i(θ_i)得以透过；光电探测器，其设置在所述滤光单元的透射光轴上，用于将透射的对应波段的光信号转换成电信号；示波器，其与所述光电探测器连接，用于获得和存储光电探测器输出的电信号强度随时间的衰减曲线。

本发明提出的所述基于滤波技术获得时间分辨光谱的系统中，所述滤光单元为：窄通道带通滤光片。

本发明提出的所述基于滤波技术获得时间分辨光谱的系统中，所述窄通道带通滤光片包括紫外滤光片、可见光滤光片及红外滤光片。

本发明提出的所述基于滤波技术获得时间分辨光谱的系统中，所用窄通道带通滤光片带宽为1nm～20nm。

本发明提出的所述基于滤波技术获得时间分辨光谱的系统中，通过计算机控制电机的转动来精确控制窄通道滤光片的偏转，从而改变所述窄通道带通滤光片与光信号之间的入射角θ_i。

本发明还提出了一种基于所述滤波技术来获得时间分辨光谱的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：首先先确定选用的滤光单元对光信号所有波段的选择关系，确定光信号通过的波段λ_i与入射角θ_i的关系；

步骤二：固定光信号的入射角θ_i不变，此时将通过所述窄通道带通滤光的波段λ_i的光信号输入到光电探测器中使其转换成相应的电信号；

步骤三：将步骤二中所述电信号输入到示波器中，得到波段λ_i的光信号强度随时间的衰减曲线；

步骤四：分别取i＝2,3,···n并重复步骤二和步骤三的操作，直到获得所有波段的光信号强度随时间的衰减曲线；

步骤五：对测得的所有数据进行整合处理，以时间为x轴、波长为y轴、强度为z轴绘制光信号时间分辨光谱图，包括任意时刻t_i下全波段的光谱图。

本发明提出的所述获取时间分辨光谱的方法中，上述步骤二中，测量的相邻波段间隔Δλ′根据不同精度要求自行选取。

本发明提出的所述获取时间分辨光谱的方法中，测量的相邻波段间隔Δλ′为0.1nm～1nm。

本发明的有益效果：本发明利用示波器将单次采集的光信号随时间的衰减曲线进行记录，在时间上是并行测量，不需要取样积分器或瞬态记录仪；利用计算机控制电机的转动来精确控制窄通道滤光片的偏转，从而改变窄通道带通滤光片的偏转角来对光信号进行选频，对波长的测量是串行的。该方法与传统测试方法相比具有设备简单、测量成本低等优点。

附图说明

图1为时间分辨光谱测量系统的结构示意图。

图2为示波器测得的特定波长λ_i对应的光信号强度随时间的衰减曲线。

图3为整合所有波长衰减曲线数据后得到的光信号的时间分辨光谱图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明时间分辨光谱测量方法做进一步说明。

本发明基于滤波技术获得时间分辨光谱的系统如图1所示，包括滤光单元、光电探测器和示波器。滤光单元对选择过滤输入的光信号的波段，使得在入射角θ_i下只有对应的波段λ_i(θ_i)得以透过。光电探测器设置在所述滤光单元的透射光轴上，用于将透射的对应波段的光信号转换成电信号。示波器与所述光电探测器连接，用于获得和存储光电探测器输出的电信号强度随时间的衰减曲线。

其中，滤光单元为：窄通道带通滤光片。所述窄通道带通滤光片包括紫外滤光片、可见光滤光片及红外滤光片等。所用窄通道带通滤光片带宽Δλ为1nm～20nm。本发明通过计算机控制电机的转动来精确控制窄通道滤光片的偏转，从而改变所述窄通道带通滤光片与光信号之间的入射角θ_i，使得在入射角θ_i下只有对应的波段λ_i(θ_i)得以透过。

本发明采用的光电探测器包括紫外光探测器、可见光探测器及红外光探测器等，须根据所测信号的光谱范围进行合理选择。

本发明采用的示波器频率响应或带宽必须足够大才能精确测得光信号强度随时间的衰减情况，一般选用带宽在GHz或更高量级的示波器为优。

本发明的具体实施方式中，待测光信号为InGaN量子阱在飞秒脉冲激光器激发下的光致发光信号，波长范围为400nm～480nm，为可见光蓝光波段。故时间分辨测试系统采用窄通道可见光带通滤光片、可见光光电探测器及1GHz带宽示波器等。当待测光信号通过可见光带通滤光片时，控制其入射角θ_i的大小来对光信号进行选频，得到某特定波长λ_i(400nm<λ_i<480nm)的光信号；将λ_i光信号输入到可见光光电探测器得到对应的电信号强度；再将得到的电信号输入到带宽为1GHz的示波器中，就能获得特定波长λ_i的信号强度随时间的变化曲线I(λ_i,t)，如图2所示。连续变换入射角θ_n的大小并测量，得到一组完备的信号强度变化曲线I_n(λ_n,t)，λ_n包含光信号所有光谱范围，这里为400nm～480nm。对所有测试数据进行整合，可以得到任一时刻t_i下光信号各个波长的发光强度并绘制成图，即为所测光信号的时间分辨光谱图，如图3所示。

上述实例中，测量的相邻波段间隔Δλ′可根据不同精度要求自行选取，优选取值为0.1nm～1nm，上述实例中相邻波段间隔取值为0.1nm。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。