一種基于濾波技術(shù)獲得時(shí)間分辨光譜的系統(tǒng)及其獲取方法與流程

本發(fā)明屬于光譜測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于濾波技術(shù)獲得時(shí)間分辨光譜的系統(tǒng)及其獲取方法。

背景技術(shù)：

時(shí)間分辨光譜是在傳統(tǒng)光譜學(xué)的基礎(chǔ)上結(jié)合光脈沖技術(shù)和微弱、瞬變光信號(hào)檢測方法而發(fā)展起來的一個(gè)新興學(xué)術(shù)領(lǐng)域。發(fā)光材料在短脈沖激光激發(fā)下，其發(fā)光強(qiáng)度是波長和時(shí)間的函數(shù)。測量時(shí)間分辨光譜實(shí)際上就是測量作為波長和時(shí)間的二元函數(shù)發(fā)光強(qiáng)度I(λ,t)。通過測量時(shí)間分辨光譜可以獲得材料中載流子的許多物理過程，如材料中載流子的輻射躍遷、非輻射躍遷及其弛豫、輸運(yùn)過程等。

時(shí)間分辨光譜的測量方法包含發(fā)光瞬態(tài)過程的測量和各波長光強(qiáng)度的測量。若固定某一波長，光強(qiáng)隨時(shí)間的變化可以用相應(yīng)的串行或并行技術(shù)來測量；若固定某一延遲時(shí)刻，各個(gè)波長的光強(qiáng)變化也可以用串行或并行技術(shù)來測量。具體地，根據(jù)在時(shí)間和波長上所使用的串行和并行技術(shù)，一般用到如下技術(shù)或儀器：1)采用時(shí)間的串行測量，需要用到取樣積分技術(shù)和單光子計(jì)數(shù)法；2)采用時(shí)間的并行測量，需要用到瞬態(tài)記錄儀等；3)采用波長的串行測量，需要用到單色儀等；4)采用波長的并行測量，需要用到CCD陣列探測器等。如今，時(shí)間分辨光譜學(xué)已成為一種十分重要的工具。它與傳統(tǒng)的吸收、熒光、光散射譜等光譜技術(shù)相結(jié)合，使得人們對(duì)分子內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)和能量轉(zhuǎn)移過程有了更深刻的認(rèn)識(shí)(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，傳統(tǒng)的時(shí)間分辨光譜測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所需儀器較為昂貴，測量成本較高，不利于推廣與普及。因此，需要對(duì)測試系統(tǒng)進(jìn)行簡化和改進(jìn)，開發(fā)出更為簡單易行、測試成本更為低廉的時(shí)間分辨光譜測試方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種基于濾波技術(shù)獲得時(shí)間分辨光譜的系統(tǒng)，包括：濾光單元，其對(duì)選擇過濾輸入的光信號(hào)波段，使得在入射角θ_i下只有對(duì)應(yīng)的波段λ_i(θ_i)得以透過；光電探測器，其設(shè)置在所述濾光單元的透射光軸上，用于將透射的對(duì)應(yīng)波段的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；示波器，其與所述光電探測器連接，用于獲得和存儲(chǔ)光電探測器輸出的電信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的衰減曲線。

本發(fā)明提出的所述基于濾波技術(shù)獲得時(shí)間分辨光譜的系統(tǒng)中，所述濾光單元為：窄通道帶通濾光片。

本發(fā)明提出的所述基于濾波技術(shù)獲得時(shí)間分辨光譜的系統(tǒng)中，所述窄通道帶通濾光片包括紫外濾光片、可見光濾光片及紅外濾光片。

本發(fā)明提出的所述基于濾波技術(shù)獲得時(shí)間分辨光譜的系統(tǒng)中，所用窄通道帶通濾光片帶寬為1nm～20nm。

本發(fā)明提出的所述基于濾波技術(shù)獲得時(shí)間分辨光譜的系統(tǒng)中，通過計(jì)算機(jī)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來精確控制窄通道濾光片的偏轉(zhuǎn)，從而改變所述窄通道帶通濾光片與光信號(hào)之間的入射角θ_i。

本發(fā)明還提出了一種基于所述濾波技術(shù)來獲得時(shí)間分辨光譜的方法，所述方法包括以下步驟：

步驟一：首先先確定選用的濾光單元對(duì)光信號(hào)所有波段的選擇關(guān)系，確定光信號(hào)通過的波段λ_i與入射角θ_i的關(guān)系；

步驟二：固定光信號(hào)的入射角θ_i不變，此時(shí)將通過所述窄通道帶通濾光的波段λ_i的光信號(hào)輸入到光電探測器中使其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)；

步驟三：將步驟二中所述電信號(hào)輸入到示波器中，得到波段λ_i的光信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的衰減曲線；

步驟四：分別取i＝2,3,···n并重復(fù)步驟二和步驟三的操作，直到獲得所有波段的光信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的衰減曲線；

步驟五：對(duì)測得的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，以時(shí)間為x軸、波長為y軸、強(qiáng)度為z軸繪制光信號(hào)時(shí)間分辨光譜圖，包括任意時(shí)刻t_i下全波段的光譜圖。

本發(fā)明提出的所述獲取時(shí)間分辨光譜的方法中，上述步驟二中，測量的相鄰波段間隔Δλ′根據(jù)不同精度要求自行選取。

本發(fā)明提出的所述獲取時(shí)間分辨光譜的方法中，測量的相鄰波段間隔Δλ′為0.1nm～1nm。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明利用示波器將單次采集的光信號(hào)隨時(shí)間的衰減曲線進(jìn)行記錄，在時(shí)間上是并行測量，不需要取樣積分器或瞬態(tài)記錄儀；利用計(jì)算機(jī)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來精確控制窄通道濾光片的偏轉(zhuǎn)，從而改變窄通道帶通濾光片的偏轉(zhuǎn)角來對(duì)光信號(hào)進(jìn)行選頻，對(duì)波長的測量是串行的。該方法與傳統(tǒng)測試方法相比具有設(shè)備簡單、測量成本低等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為時(shí)間分辨光譜測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為示波器測得的特定波長λ_i對(duì)應(yīng)的光信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的衰減曲線。

圖3為整合所有波長衰減曲線數(shù)據(jù)后得到的光信號(hào)的時(shí)間分辨光譜圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明時(shí)間分辨光譜測量方法做進(jìn)一步說明。

本發(fā)明基于濾波技術(shù)獲得時(shí)間分辨光譜的系統(tǒng)如圖1所示，包括濾光單元、光電探測器和示波器。濾光單元對(duì)選擇過濾輸入的光信號(hào)的波段，使得在入射角θ_i下只有對(duì)應(yīng)的波段λ_i(θ_i)得以透過。光電探測器設(shè)置在所述濾光單元的透射光軸上，用于將透射的對(duì)應(yīng)波段的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。示波器與所述光電探測器連接，用于獲得和存儲(chǔ)光電探測器輸出的電信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的衰減曲線。

其中，濾光單元為：窄通道帶通濾光片。所述窄通道帶通濾光片包括紫外濾光片、可見光濾光片及紅外濾光片等。所用窄通道帶通濾光片帶寬Δλ為1nm～20nm。本發(fā)明通過計(jì)算機(jī)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來精確控制窄通道濾光片的偏轉(zhuǎn)，從而改變所述窄通道帶通濾光片與光信號(hào)之間的入射角θ_i，使得在入射角θ_i下只有對(duì)應(yīng)的波段λ_i(θ_i)得以透過。

本發(fā)明采用的光電探測器包括紫外光探測器、可見光探測器及紅外光探測器等，須根據(jù)所測信號(hào)的光譜范圍進(jìn)行合理選擇。

本發(fā)明采用的示波器頻率響應(yīng)或帶寬必須足夠大才能精確測得光信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的衰減情況，一般選用帶寬在GHz或更高量級(jí)的示波器為優(yōu)。

本發(fā)明的具體實(shí)施方式中，待測光信號(hào)為InGaN量子阱在飛秒脈沖激光器激發(fā)下的光致發(fā)光信號(hào)，波長范圍為400nm～480nm，為可見光藍(lán)光波段。故時(shí)間分辨測試系統(tǒng)采用窄通道可見光帶通濾光片、可見光光電探測器及1GHz帶寬示波器等。當(dāng)待測光信號(hào)通過可見光帶通濾光片時(shí)，控制其入射角θ_i的大小來對(duì)光信號(hào)進(jìn)行選頻，得到某特定波長λ_i(400nm<λ_i<480nm)的光信號(hào)；將λ_i光信號(hào)輸入到可見光光電探測器得到對(duì)應(yīng)的電信號(hào)強(qiáng)度；再將得到的電信號(hào)輸入到帶寬為1GHz的示波器中，就能獲得特定波長λ_i的信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線I(λ_i,t)，如圖2所示。連續(xù)變換入射角θ_n的大小并測量，得到一組完備的信號(hào)強(qiáng)度變化曲線I_n(λ_n,t)，λ_n包含光信號(hào)所有光譜范圍，這里為400nm～480nm。對(duì)所有測試數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，可以得到任一時(shí)刻t_i下光信號(hào)各個(gè)波長的發(fā)光強(qiáng)度并繪制成圖，即為所測光信號(hào)的時(shí)間分辨光譜圖，如圖3所示。

上述實(shí)例中，測量的相鄰波段間隔Δλ′可根據(jù)不同精度要求自行選取，優(yōu)選取值為0.1nm～1nm，上述實(shí)例中相鄰波段間隔取值為0.1nm。

本發(fā)明的保護(hù)內(nèi)容不局限于以上實(shí)施例。在不背離發(fā)明構(gòu)思的精神和范圍下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠想到的變化和優(yōu)點(diǎn)都被包括在本發(fā)明中，并且以所附的權(quán)利要求書為保護(hù)范圍。