一种基于微区瞬态光谱的载流子扩散系数测量装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于微区瞬态光谱的载流子扩散系数测量装置与方法，装置包括飞秒激光光源、超连续白光泵浦

【技术实现步骤摘要】
一种基于微区瞬态光谱的载流子扩散系数测量装置与方法


[0001]本专利技术属于光电材料性能参数表征
具体涉及一种基于微区瞬态光谱的载流子扩散系数测量装置与方法。

技术介绍

[0002]在光电探测器、太阳能电池等光电转换器件中，材料与器件中光生载流子的输运特性，特别是载流子扩散系数和载流子扩散长度，是影响器件电荷提取效率的重要参数。例如在太阳能电池中，载流子的扩散系数或迁移率决定了载流子的扩散能力，它与载流子寿命共同决定了载流子的扩散长度，这些光物理参数决定了太阳能电池的效率。实现光电材料载流子扩散系数的精准测量具有重要意义。传统的电学测量技术如：时差法、霍尔效应法、暗电流
‑
电压法、表面光电压法等方法需要将材料制备成特定的器件或者在材料表面蒸镀电极，以实现电学方法的测量，因此在实际检测中受到两方面限制：一、受限于电极尺寸的需求，材料需要具有一定的尺寸，对于材料的制备提出了更高的要求；二、样品制备电极或器件的过程中，可能对对样品自身的性质造成一定的改变，测得的实验结果与材料真实的物理本质存在偏差。
[0003]目前，在该研究领域有学者提出采用空间分离的显微瞬态光谱技术。瞬态光谱技术指的是使用一束脉冲激光作为泵浦光激发样品至激发态并产生光生载流子，处于激发态的样品对光的吸收会发生改变，用另一束到达样品的相对时间可调的脉冲激光作为探测光探测材料受激发后对光吸收随时间的变化，进一步获得光生载流子的信息。空间分离的显微瞬态光谱技术的内容是保持激发中心在样品上的位置固定，使用扫描振镜相对于激发中心扫描探测光的位置，从而获得载流子的空间分布信息。但该方法的空间分辨率依赖于光斑尺寸，且由于载流子相对于激发中心的扩散距离仅在亚微米至几个微米量级，因此需要扫描振镜以高精度扫描光束，对实验设备精度的要求较为苛刻。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术存在的缺陷，本专利技术提出一种基于微区瞬态光谱的载流子扩散系数测量装置与方法，该方法克服了传统电学测试方法的限制，同时具有测试精准、便捷的优点。能实现超短时间尺度内的载流子浓度分布表征，为光电材料中光生载流子扩散系数和扩散长度等参数的表征提供新的解决思路。
[0005]为实现上述内容，本专利技术采用的技术方案描述如下：
[0006]一种基于微区瞬态光谱的载流子扩散系数测量装置，包括：
[0007]飞秒激光光源，所述飞秒激光光源用于输出超短激光脉冲；
[0008]超连续白光泵浦
‑
探测单元，所述超连续白光泵浦
‑
探测单元接收所述飞秒激光脉冲进入并输出泵浦光和探测光脉冲，其中探测光为波长覆盖可见光范围的超连续白光，同时可调节泵浦光和探测光的相对时间延迟及探测光到达样品处的光斑尺寸；
[0009]显微聚焦单元，所述显微聚焦单元接收所述泵浦光和探测光脉冲聚焦在样品上，
并对经过样品后的光束准直；
[0010]及光谱测量单元，所述光谱测量单元采集经过样品后的探测光各区域的瞬态光谱。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，所述超连续白光泵浦
‑
探测单元包括：分束镜，所述飞秒激光脉冲经过分束镜分为两束；其中一束光路上设置有BBO晶体，飞秒激光脉冲经过BBO晶体倍频后作为泵浦光，另一束光路上设置有非线性晶体，飞秒激光脉冲聚焦于非线性晶体中产生超连续白光探测光。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，沿光路方向，所述BBO晶体两端分别设置有第一凸透镜和第二凸透镜。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，所述超连续白光泵浦
‑
探测单元还包括：回射镜；所述回射镜设置在位移平台上；所述泵浦光经过第一反射镜反射进入所述回射镜；回射镜反射后依次经过第二反射镜、第三反射镜及第四反射镜后与探测光在二向色镜处会合，并沿同一路径进入显微聚焦单元。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，沿光路方向，所述非线性晶体两端分别设置有第三凸透镜和第四凸透镜；所述第四凸透镜另一端依次设置有凹透镜和第五凸透镜，探测光经过第五凸透镜后与泵浦光在二向色镜处会合，并沿同一路径进入显微聚焦单元。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，所述显微聚焦单元包括相对设置的第一物镜和第二物镜，第一物镜和第二物镜设置在三维位移台上。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，所述显微聚焦单元和光谱测量单元之间设置有长通滤光片。
[0017]作为本专利技术的进一步改进，所述光谱测量单元包括光纤夹持器、接收光纤和光栅光谱仪，光纤夹持器固定于位移台，光纤夹持器通过接收光纤和光栅光谱仪连接。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，所述载流子扩散系数测量装置的光学元件及光机组件均安装在隔振光学平台上，其中显微聚焦单元安装于固定在隔振光学平台的直角板上，形成垂直的显微镜结构。
[0019]一种载流子扩散系数测量装置的测量方法，包括以下步骤：
[0020]由飞秒激光光源输出的飞秒激光脉冲经过超连续白光泵浦
‑
探测单元，产生延迟时间可调的泵浦光和探测光脉冲；两束光合束后聚焦至样品，探测光斑与泵浦光斑中心重合；
[0021]通过调整探测光的发散角，扩大其在样品处的光斑尺寸；泵浦光覆盖的区域为光生载流子激发区，探测光覆盖的区域为光生载流子扩散区；
[0022]通过移动光谱测量单元中光纤探头接收面相对于探测光斑的位置采集探测光斑不同区域的瞬态光谱，探测扩散区对应位置处的载流子浓度及其随时间的变化，获得光生载流子扩散系数和扩散长度参数。
[0023]本专利技术的有益效果在于：
[0024]本专利技术提出了基于微区瞬态光谱的载流子扩散系数测量装置，包括沿飞秒脉冲激光入射方向依次放置的飞秒激光光源、超连续白光泵浦
‑
探测单元、显微聚焦单元和光谱测量单元；飞秒激光光源输出超短激光脉冲；超连续白光泵浦
‑
探测单元接收飞秒激光脉冲进入并输出泵浦光和探测光脉冲，显微聚焦单元接收所述泵浦光和探测光脉冲聚焦在样品
上，并对经过样品后的光束准直；光谱测量单元采集经过样品后的探测光各区域的瞬态光谱。该测量装置克服了传统电学测试方法的限制，同时具有测试精准、便捷的优点。能实现超短时间尺度内的载流子浓度分布表征，为光电材料中光生载流子扩散系数和扩散长度等参数的表征提供新的解决思路。相比于传统的测试技术更加精准便捷，应用范围更加广泛。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0026]图1使本专利技术系统结构图；
[0027]图2是本专利技术具体实施方式的结构原理示意图；
[0028]图3是光谱测量单元的工作原理图；
[0029]其中，1、分束镜，2、第一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微区瞬态光谱的载流子扩散系数测量装置，其特征在于，包括：飞秒激光光源，所述飞秒激光光源用于输出超短激光脉冲；超连续白光泵浦
‑
探测单元，所述超连续白光泵浦
‑
探测单元接收所述飞秒激光脉冲进入并输出泵浦光和探测光脉冲，其中探测光为波长覆盖可见光范围的超连续白光，同时可调节泵浦光和探测光的相对时间延迟及探测光到达样品处的光斑尺寸；显微聚焦单元，所述显微聚焦单元接收所述泵浦光和探测光脉冲聚焦在样品上，并对经过样品后的光束准直；及光谱测量单元，所述光谱测量单元采集经过样品后的探测光各区域的瞬态光谱。2.根据权利要求1所述的载流子扩散系数测量装置，其特征在于：所述超连续白光泵浦
‑
探测单元包括：分束镜(1)，所述飞秒激光脉冲经过分束镜(1)分为两束；其中一束光路上设置有BBO晶体(3)，飞秒激光脉冲经过BBO晶体(3)倍频后作为泵浦光，另一束光路上设置有非线性晶体(6)，飞秒激光脉冲聚焦于非线性晶体(6)中产生超连续白光探测光。3.根据权利要求2所述的载流子扩散系数测量装置，其特征在于：沿光路方向，所述BBO晶体(3)两端分别设置有第一凸透镜(2)和第二凸透镜(4)。4.根据权利要求2所述的载流子扩散系数测量装置，其特征在于：所述超连续白光泵浦
‑
探测单元还包括：回射镜(10)；所述回射镜(10)设置在位移平台(9)上；所述泵浦光经过第一反射镜(8)反射进入所述回射镜(10)；回射镜(10)反射后依次经过第二反射镜(13)、第三反射镜(14)及第四反射镜(15)后与探测光在二向色镜(16)处会合，并沿同一路径进入显微聚焦单元。5.根据权利要求2所述的载流子扩散系数测量装置，其特征在于：沿光路方向，所述非线性晶体(6)两端分别设置有第...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫理贺，司金海，霍天宇，侯洵，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：