专利名称：多功能光电参数测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种材料光学、电学性能的测量装置。
本实用新型的技术方案是主要包括光源、单色仪、斩波器、光探测器、位置敏感器、锁相放大器、计算机、半透半反镜、激光器与样品室构成；光源与单色仪相连，在单色仪的输出狭缝处安装斩波器，在斩波器输出端的光路中设置一个半透半反镜M，在透射光束的光路中有一聚焦透镜，焦点在样品室内；在样品室的一侧且与透射光束相垂直处安装激光器，另一侧安装位置敏感探测器；样品室与激光器之间和样品室与位置敏感探测器之间分别安装有聚焦透镜，在反射光路上设置光探测器；光探测器和位置敏感器的输出端分别与锁相放大器的输入端相连，锁相放大器的输出端与计算机的输入端相连。
本实用新型的有益效果是由于在光路中增设了半透半反镜(它可进行分光束)，且半透半反镜与入射光成45°角。因此，可以在垂直入射光条件下测量材料的光反射率R。在测量具有干涉性能光电薄膜材料的光反射率R时，能保证与垂直入射光测量的透过率具有相关性，可以共同用于光学参数的计算，避免了二者不是相关数据、测量数据可能T+R≥1、光吸收出现不合理的负值等情况；该装置同时还可以测量材料的电学、电子学参数，如光电导谱、光电池量子效率和光热偏转谱，集多种测量于一体，实现一机多功能。这样，能节省大量的设备资金、实验室场地及维护管理方面的人力资源。
图2是本实用新型测量光透过率的光路及结构示意方框图。
图3是应用本实用新型测量光反射率的光路及结构示意方框图。
图4是应用本实用新型测量光电导谱和光电池量子效率测量的光路及结构示意方框图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细描述。
如
图1所示，光源采用组合光源，氘灯和卤钨灯及其可控电源；单色仪采用光栅单色仪，其输出单色波长为200nm～2500nm；光探测器采用真空热电堆、Si或PbS光探测器，光位置敏感器采用双光电二极管式光位置敏感器、锁相放大器采用EG & G 5208、激光器用He-Ne激光器；光源与单色仪相连，在单色仪的输出狭缝处安装斩波器，在斩波器输出端的光路中设置一个半透半反镜M，在透射光束的光路中有一聚焦透镜，焦点在样品室内；在样品室的一侧且与透射光束相垂直处安装激光器，另一侧安装位置敏感探测器；样品室与激光器之间和样品室与位置敏感探测器之间分别安装有聚焦透镜，在反射光路上设置光探测器；光探测器和位置敏感器的输出端分别与琐相放大器的输入端相连，锁相放大器的输出端与计算机的输入端相连。
本实用新型最好的方案是半透半反镜M与斩波器输出端光路中的光束成45°角。
1.测量光透过率如图2所示，使用该装置中的光源、单色仪、斩波器、半透半反射镜M、光探测器、锁相放大器、计算机组合，可以测量材料样品的光透过率。
测量时，在没有置入被测样品情况下，首先，扫描测量各波长的光强、单色仪的输出光经斩波器斩波，被半透半反射镜M反射，光将沿箭头方向进入光探测器，输出信号由锁相放大器放大后，将数据存入计算机；然后，在探测器入射窗前处置入被测样品，进行同样的测量，两次测量结果在计算机内进行归一化，即可得出样品的透过率随波长的变化关系。
2.测量光反射率如图3所示，使用该装置中的光源、单色器、斩波器、半透半反射镜M、光探测器、锁相放大器、计算机与样品室组合，可以测量材料样品的光反射率，但不同的是半透半反镜要旋转90°度，以保证测量时样品表面与入射光线保持垂直。
测量时，将标准反射镜置于穿过半透半反镜M的光束并与光束垂直的位置，进行波长扫描，计算机记录不同波长的光强信号；用被测样品替换标准反射镜，再次进行波长扫描，并记录样品光强数据；用标准反射镜的数据对样品数据归一化，即得到样品的光垂直反射率R。
反射率随波长变化的曲线如果存在两个(或以上)的干涉峰(谷)，则可以由相应干涉峰(谷)的波长数据和样品的折射率利用光波干涉公式计算出薄膜材料的厚度d。
由光反射率R(λ)、光透过率T(λ)、厚度d可计算出吸收系数α(λ)，并进一步得到光学带隙Eg。
3.测量(恒定)光电导谱如图4所示，使用该装置中的中光源、单色仪、斩波器、光探测器、半透半反镜、样品室、锁相放大器、计算机组合可以测量(恒定)光电导谱；该组合不同的是计算机输出端与光源相连接，可以控制光源的光输出，使测量过程中的光电流保持某一常数，即为恒定光电导谱。因此，对光电导谱测量有如下要求(1)样品对薄膜样品，要求在材料上制作出共面电极，两电极之间为光照区。电极引出可以采用银浆粘接电线，或弹簧片接触的办法。(2)电路连接将电压源、锁相放大器电流输入端子、样品电极串联成回路。(3)样品放置样品置于样品室，使单色光可充分照射样品两个测量电极之间的区域，并保证样品不会受到外界的光干扰。
测量用透过半透半反镜M的光来激发样品的光电流，锁相放大器1将光电流放大后输入计算机；光探测器接收到半透半反镜M的反射光强信号经锁相放大器2放大后输入计算机，当单色仪对各波长一次扫描后，计算机便记录下各波长下的光强数值和光电流数值。
计算计算机将光电流值换算成光电导数值，然后光强数值进行归一化，得到光电导光谱响应曲线σ(λ)，即光电导谱。
4.测量量子效率用如图4的装置还可以测量光电池的量子效率，所不同的是它不用外加电源。将被测光电池放置在样品室，用透过半透半反镜M的光来激发光电池的光电流，锁相放大器1将光电流放大后输入计算机；光探测器接收到半透半反镜M的反射光强信号经锁相放大器2放大后输入计算机，当单色仪对各波长一次扫描后，计算机便记录下各波长下的光强数值和光电池光电流数值。
计算机将光强数值换算成相应各波长(单位时间)入射的光子数，将光电流换算成单位时间产生的光生载流子数；二者比较即可得到量子效率，它是一个小于1的数。
5.测量光热偏转谱图1的全部组合，是测量光热偏转谱结构示意方框图。半透半反镜M将单色光分为两部分，反射到光电探测器的部分用于测量光的能量，透射部分用于激发被测材料的光热效应，激光器和位置敏感器件用来测量光热偏转。
(1)样品竖直立放于样品室内透明的石英盒内，单色光垂直聚焦照射到样品表面，激光测量光束掠过样品表面，与单色光在样品表面形成共焦，石英盒内充满测量工质(通常为四氯化碳)。
(2)开启激光器，在样品不被单色光照射的情况下，调整位置敏感器(PSD)的位置(通常PSD是两个间隙很小的光电二极管)，当探测激光束对两个光电二极管照射相等时，位置敏感器PDS输出为零。
(3)用透过半透半反镜M的光照射到样品表面，样品吸收光产生的热量，使样品表面液体中产生一个以照射焦点为中心的温度梯度场，局部液体温度的升高使其光折射率改变，形成一个“液体透镜”，当测量激光光束通过该“透镜”时，光线就会发生偏转。偏转距离随光束前进而增大(几何比例)，位置敏感器PSD检测到偏转量，由锁相放大器1放大，并输入到计算机；光探测器接收被半透半反镜反射的光强信号，由锁相放大器2放大，并将数据输入计算机。
测量光束的偏转量实际上反映了样品的光吸收，在对光强归一化后，就得到了不同波长下样品光吸收的特性。由于其灵敏度很高，因此，可以用来检测极小的光吸收系数α。
权利要求1.一种多功能光电参数测量装置，其特征主要包括光源、单色仪、斩波器、光探测器、位置敏感器、锁相放大器、计算机、激光器与样品室构成；光源与单色仪相连，在单色仪的输出狭缝处安装斩波器，在斩波器输出端的光路中设置一个半透半反镜M，在透射光束的光路中有一聚焦透镜，焦点在样品室内；在样品室的一侧且与透射光束相垂直处安装激光器，另一侧安装位置敏感探测器；样品室与激光器之间和样品室与位置敏感探测器之间分别安装有聚焦透镜，在反射光路上设置光探测器；光探测器和位置敏感器的输出端分别与锁相放大器的输入端相连，锁相放大器的输出端与计算机的输入端相连。
2.根据权利要求1中所述的多功能光电参数测量装置，其特征是半透半反镜与入射光成45°角。
专利摘要本实用新型公开了一种多功能光电参数测量装置。解决了现有仪器垂直入射光条件下不能测量光反射率R、测量功能单一等问题。技术方案光源与单色仪相连，在单色仪输出狭缝处安装斩波器，斩波器输出端设置半透半反镜M，在透射光路中有一聚焦透镜，焦点在样品室内；样品室的一侧且与透射光束相垂直处安装激光器，另一侧安装位置敏感探测器；样品室与激光器之间和样品室与位置敏感探测器之间分别安装有聚焦透镜，在反射光路上设置光探测器；光探测器和位置敏感器的输出分别与锁相放大器的输入相连，锁相放大器的输出与计算机的输入相连。实现一机多功能。能节省大量的设备资金、实验室场地及维护管理方面的人力资源。
文档编号G01N21/55GK2589968SQ0229429
公开日2003年12月3日 申请日期2002年12月26日 优先权日2002年12月26日
发明者李德林, 耿新华, 薛俊明, 赵颖 申请人:南开大学