[发明专利]红外调制光致发光二维成像光路自动定位校准装置

说明书

技术领域：

本发明涉及一种红外调制光致发光二维成像光路自动定位校准装置。该装置包括可具备长时间稳定的校准(泵浦)光源、等距长焦距光聚焦模块、垂直光轴校准系统、焦平面校准系统以及反馈自校准控制单元。实现特别是红外波段光致发光二维空间分辨扫描成像所亟需的快速、精确、稳定的自动化定位校准光路系统，并可进一步结合调制技术对红外波段材料器件的光致发光特性进行测试，针对材料平面内参数(如组分分布、杂质与缺陷特征、辐射复合与非辐射复合占比)进行表征与研究。

背景技术：

光致发光(Photoluminescence,PL)光谱作为一种无损检测的常用有效手段，广泛应用于各类半导体材料的能带结构、杂质缺陷等研究。针对包括III-V族等宽禁带半导体材料的二维空间分辨与平面成像的实际需求，基于单色仪和线列或面阵探测器的空间分辨(微区)和成像的PL光谱技术得以快速发展，并用以研究材料在空间上的能带结构差异、杂质与缺陷分布，从而对光电器件的研发发挥了推动作用。

然而，对于中长红外(4～20μm)波段，室温背景辐射干扰、探测器响应率降低、材料发光强度下降以及传统单色仪自身性能的局限，使得传统的PL光谱手段很难得到良好的实验结果。近期发展的一种基于步进扫描傅里叶变换红外光谱仪的调制光致发光测量手段在中长红外波段具有高灵敏、高分辨、高信噪比等优势，一定程度上克服了上述难题。但是，相应波段的空间分辨与成像PL光谱至今仍是技术禁区。由于中长红外波段弱信号、低响应、高噪声的客观事实，二维空间分辨成像PL光谱测试的主要难点就集中到了构建长时间高稳定、强聚焦的测试光路系统以及快速便捷的样品空间校准与定位装置。

针对现有空间分辨光谱技术在红外波段的局限与空白，我们公开一种红外调制光致发光二维空间分辨与成像光路自动定位校准装置。具体地，利用经样品反射后通过菲涅尔双棱镜反映到互补金属氧化物半导体元件(CMOS)阵列上的干涉图样信号以及电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)激光测量阵列所得光斑尺寸信号，分别对样品表面与主光轴上的激光聚焦位置进行定位与校准，快速、精确地完成光路校准以及长时间的稳定和修正，以帮助实现红外波段的二维空间分辨与扫描成像调制PL光谱测试。

发明内容：

本发明的主要内容是基于菲涅尔双棱镜干涉原理与CCD阵列感光测试分别实现样品位置在垂直与平行主光轴的校准调试，以保证进一步的二维空间分辨与扫描成像的红外调制PL光谱实验测量。

搭建此红外调制光致发光二维成像光路自动定位校准装置的关键技术主要包括：各类光学元件的搭配与共轴调节、激光的稳定强聚焦与样品的焦点定位、样品表面与焦平面的重合校准、光电信号传输与同步反馈等。该装置主要部件包括长时间稳定工作激光光源1、等距长焦距光聚焦模块2、垂直光轴校准系统3、焦平面校准系统4以及反馈自校准控制单元5，其中：

所述的长时间稳定工作激光光源1由激光器和激光功率、方向控制器组成，激光器的波长短于1微米，激光功率0.05～200mW连续稳定可调；

所述的等距长焦距光聚焦模块2包括共轴光路定位光阑201，长焦汇聚透镜组202，长焦汇聚透镜组202的焦距不小于160毫米，球差不大于20微米；

所述的垂直光轴校准系统3包括二维平面可升降、自由旋转狭缝301，二维平面可升降、自由旋转菲涅尔双棱镜302，同步升降旋转控制单元303，互补金属氧化物半导体元件阵列成像系统304；二维平面可升降、自由旋转狭缝与二维平面可升降、自由旋转菲涅尔双棱镜，需要升降操作可复原，可旋转角度不小于180°，菲涅尔双棱镜成像中两虚光源间距不低于3毫米，互补金属氧化物半导体元件阵列成像系统感光面积不小于10mm×10mm，单个元件不大于30μm×30μm，具备数模放大电路，波段覆盖300nm～1050nm；

所述的焦平面校准系统4包括分束器401，电荷耦合元件激光测试阵列402，五维传动控制装置403；电荷耦合元件激光测试阵列感光面积不小于5mm×5mm，光敏元不大于15μm×15μm，波段覆盖300nm～1050nm，其中400nm～800nm量子效率不低于30％；

所述的反馈自校准控制单元5包括杜瓦平台调节系统，互补金属氧化物半导体元件阵列304信号和电荷耦合元件激光测试阵列402信号传输分析模板；

所述的同步升降旋转控制单元303与五维传动控制装置403由数控电动微调，微调步距优于0.5微米；