專利名稱：變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光譜分析技術領域，特別是涉及半導體材料的變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)。
背景技術：
磁場是半導體材料研究中常用的外微擾條件之一。磁場主要影響半導體中電子的狀態(tài)而不影響晶格振動狀態(tài)，因此半導體磁光光譜在很大程度上由電子決定。在光學實驗中引入磁場等參數可以增加許多信息，這使得磁光光譜成為表征半導體材料和磁性半導體半金屬材料物質性質的重要手段。
溫度也是半導體材料研究中的一個非常重要的外微擾條件。通常情況下，很多磁光光譜是把樣品放置在樣品架上，然后把它們浸入到液氦杜瓦中來測量的。這樣，同時改變磁場和樣品的溫度是不可能的。
隨著納米材料制備技術的進步和樣品光刻技術的發(fā)展，人們越來越希望研究上述技術制備的一系列低維材料的磁光效應。但是傳統(tǒng)的磁光光譜系統(tǒng)由于樣品是被浸入到液氦中的，這給如何觀察和定位低維材料，并對這些低維材料的特定位置進行磁光光譜測試帶來一定的困難。
如何把磁場和溫度這兩個重要的實驗參數在磁光光譜測試中有機地結合起來，以及如何在磁光光譜中定位樣品的特定區(qū)域并進行高空間分辨的磁光光譜測試，是磁光光譜技術期待解決的一個重要問題之一。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)，利用這套系統(tǒng)，可以非常方便地實現對樣品進行高分辨的顯微觀察和定位，也能非常方便地把磁光光譜信號導入光纖并利用光譜儀進行光譜測試。利用這套系統(tǒng)，可同時調節(jié)樣品感受到的磁場強度和樣品的溫度，實現可變溫的顯微磁光光譜測試。
本發(fā)明一種變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)，其特征在于，該光譜系統(tǒng)包括一激光器，其出射激光用于激發(fā)樣品的熒光光譜；一致冷機，控制樣品的溫度，樣品放置于其致冷頭中；一中心帶有室溫孔洞的超導磁體杜瓦，提供用于磁光光譜的磁場，致冷機放置樣品的致冷頭能深入超導磁體杜瓦的室溫孔洞中；
一激光入射光路，把激光器的輸出激光引入并聚焦到致冷頭內的樣品表面來激發(fā)樣品的熒光光譜；一樣品監(jiān)視光路，使第一照明光源發(fā)出的白光通過光路中的第一監(jiān)視器顯微觀察樣品的表面圖像，同時監(jiān)視激光通過第一分束器和顯微物鏡聚焦到樣品上的具體位置和聚焦情況；一信號收集光路，把樣品的熒光信號通過顯微物鏡、第一分束器傳輸并會聚進多模光纖，通過多模光纖把熒光信號傳輸到光譜儀進行光譜測量；一光纖監(jiān)視光路，通過光路中的第二監(jiān)視器觀察熒光信號和激光反射信號在多模光纖靠近第五分束器一側端面的具體位置，確保樣品熒光信號有效地被多模光纖收集；一光譜儀和相應的探測器，位于多模光纖的一端，用來色散和測量樣品的熒光信號。
其中激光入射光路包括帶通濾光片，第一分束器和具有長工作距離的顯微物鏡。
其中激光器出射的激光經帶通濾光片濾除激光等離子線后，由第一分束器反射，然后穿過第二分束器和后由顯微物鏡聚焦到致冷機中致冷頭里樣品表面。
其中第一分束器可以換為陷波濾波器或截止濾光片。
其中樣品監(jiān)視光路包括第一照明光源，第二分束器，第三分束器，顯微物鏡，第一監(jiān)視器。
其中第一照明光源發(fā)出的白光經第二分束器反射，然后穿過第三分束器后由顯微物鏡聚焦到致冷機中致冷頭內的樣品表面，反射的白光經顯微物鏡收集后，由第三分束器反射到第一監(jiān)視器。
其中第一監(jiān)視器由攝像機和顯示器組成。
其中當樣品監(jiān)視完成后，可以把第二分束器和第三分束器移走，這樣既不影響該系統(tǒng)的其他功能，也提高激光和熒光信號的通過效率。
其中信號收集光路包括具有顯微物鏡，第一分束器和多模光纖。
其中由樣品發(fā)出的熒光信號，經過顯微物鏡收集后，穿過第一分束器后，由多模光纖收集。
其中光纖監(jiān)視光路包括第二照明光源，第四分束器，第五分束器，第二監(jiān)視器和多模光纖。
其中第二照明光源發(fā)出的白光經第四分束器反射，然后穿過第五分束器后直接照射到多模光纖表面，由多模光纖表面反射的白光經經第五分束器反射到第二監(jiān)視器。
其中當光纖表面監(jiān)視工作完成后，可以把第四分束器和第五分束器移走，這樣既不影響該系統(tǒng)的其他功能，也提高熒光信號的通過效率。
其中第二監(jiān)視器由攝像機和顯示器組成。
利用本系統(tǒng)，可以對樣品進行高分辨顯微觀察和定位，并把磁光信號導入到光譜儀進行光譜測試，調節(jié)磁場強度和樣品溫度，實現可變溫的顯微磁光光譜測試。本系統(tǒng)可應用于半導體材料和磁性半導體半金屬材料的磁光光譜測試等技術中。


下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細說明如后，其中圖1是變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)的結構簡圖。
圖2是利用此變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)在常溫下測試的砷化鎵的顯微光致發(fā)光光譜。
具體實施例方式
請參閱圖1所示，本發(fā)明一種變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)，該光譜系統(tǒng)包括
一激光器LS，其出射激光用于激發(fā)樣品S的熒光光譜，該激光器LS出射的激光經帶通濾光片BF濾除激光等離子線后，由第一分束器BS1反射，然后穿過第二分束器BS2和BS3后由顯微物鏡LNS聚焦到致冷機BT中致冷頭里樣品S表面，該第一分束器BS1可以換為陷波濾波器NF或截止濾光片EF；一致冷機BT，控制樣品S的溫度，樣品S放置于其致冷頭中；一中心帶有室溫孔洞的超導磁體杜瓦MG，提供用于磁光光譜的磁場，致冷機BT放置樣品S的致冷頭能深入超導磁體杜瓦MG的室溫孔洞中；一激光入射光路，把激光器LS的輸出激光引入并聚焦到致冷頭內的樣品S表面來激發(fā)樣品S的熒光光譜，該激光入射光路包括帶通濾光片BF，第一分束器BS1和具有長工作距離的顯微物鏡LNS；一樣品監(jiān)視光路，使第一照明光源WL1發(fā)出的白光通過光路中的第一監(jiān)視器CM1顯微觀察樣品S的表面圖像，同時監(jiān)視激光通過第一分束器BS1和顯微物鏡LNS聚焦到樣品S上的具體位置和聚焦情況，該樣品監(jiān)視光路包括第一照明光源WL1，第二分束器BS2，第三分束器BS3，顯微物鏡LNS，第一監(jiān)視器CM1，該第一照明光源WL1發(fā)出的白光經第二分束器BS2反射，然后穿過第三分束器BS3后由顯微物鏡LNS聚焦到致冷機BT中致冷頭內的樣品S表面，反射的白光經顯微物鏡LNS收集后，由第三分束器BS3反射到第一監(jiān)視器CM1，該第一監(jiān)視器CM1由攝像機和顯示器組成；一信號收集光路，把樣品S的熒光信號通過顯微物鏡LNS、第一分束器BS1傳輸并會聚進多模光纖FBR，通過多模光纖FBR把熒光信號傳輸到光譜儀進行光譜測量，該信號收集光路包括具有顯微物鏡LNS，第一分束器BS1和多模光纖FBR；一光纖監(jiān)視光路，通過光路中的第二監(jiān)視器CM2觀察熒光信號和激光反射信號在多模光纖FBR靠近第五分束器BS5一側端面的具體位置，確保樣品S熒光信號有效地被多模光纖FBR收集，該光纖監(jiān)視光路包括第二照明光源WL2，第四分束器BS4，第五分束器BS5，第二監(jiān)視器CM2和多模光纖FBR，該第二照明光源WL2發(fā)出的白光經第四分束器BS4反射，然后穿過第五分束器BS5后直接照射到多模光纖FBR表面，由多模光纖FBR表面反射的白光經經第五分束器BS5反射到第二監(jiān)視器CM2，該第二監(jiān)視器CM2由攝像機和顯示器組成；一光譜儀SP和相應的探測器DT，位于多模光纖FBR的一端，用來色散和測量樣品S的熒光信號。
其中當樣品S監(jiān)視完成后，可以把第二分束器BS2和第三分束器BS3移走，這樣既不影響該系統(tǒng)的其他功能，也提高激光和熒光信號的通過效率。
其中由樣品S發(fā)出的熒光信號，經過顯微物鏡LNS收集后，穿過第一分束器BS1后，由多模光纖FBR收集。
其中當光纖表面監(jiān)視工作完成后，可以把第四分束器BS4和第五分束器BS5移走，這樣既不影響該系統(tǒng)的其他功能，也提高熒光信號的通過效率。
請再參閱圖1所示，本發(fā)明一種變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)，該光譜系統(tǒng)包括一激光器LS；一致冷機BT；一中心帶有室溫孔洞的超導磁體杜瓦MG；一激光入射光路，包含帶通濾光片BF，第一分束器BS1和具有長工作距離的顯微物鏡LNS；一樣品監(jiān)視光路，包含第一照明光源WL1，第二分束器BS2，第三分束器BS3，顯微物鏡LNS，第一監(jiān)視器CM1；一信號收集光路，包含顯微物鏡LNS，第一分束器BS1和多模光纖FBR；一光纖監(jiān)視光路，包含第二照明光源WL2，第四分束器BS4，第五分束器BS5，第二監(jiān)視器CM2和多模光纖FBR；一光譜儀SP和相應的探測器DT。
其中第一分束器BS1可以換為陷波濾波器NF或截止濾光片EF。
其中第一監(jiān)視器CM1由攝像機和顯示器組成。
其中第二監(jiān)視器CM2由攝像機和顯示器組成這套變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)的超導磁體杜瓦MG中心有一室溫孔洞，樣品安置在致冷機BT的致冷機頭里，而致冷機頭比超導磁體杜瓦MG中心室溫孔洞的直徑小，使得致冷機頭能伸入到超導磁體杜瓦MG中心的室溫孔洞里。
為了利用激光激發(fā)樣品的磁光光譜并對磁光信號進行收集，本系統(tǒng)設計了激光入射光路和信號收集光路。激光入射光路包括帶通濾光片BF，第一分束器BS1和顯微物鏡LNS。由激光器出射的激光經帶通濾光片BF純化后入射到第一分束器BS1上，激光由第一分束器BS1反射后，經長工作距離顯微物鏡LNS聚焦到樣品表面，可對樣品進行顯微觀測。信號收集光路包括長工作距離顯微物鏡LNS，第一分束器BS1和多模光纖FBR。樣品S經激光照射后發(fā)出的信號光由顯微物鏡LNS收集后，穿過第一分束器BS1，然后入射到光纖FBR，由光纖FBR收集的信號經后面的光譜儀SP分光后，由譜儀的探測器DT讀出分析，得到樣品的顯微磁光光譜。
為了對樣品和光纖進行觀測，本系統(tǒng)設計了樣品監(jiān)視光路和光纖監(jiān)視光路。樣品監(jiān)視光路包括第一照明光源WL1，第二分束器BS2，第三分束器BS3和第一監(jiān)視器CM1。第一照明光源WL1發(fā)出的白光經第二分束器BS2發(fā)射后穿過第三分束器BS3，經顯微物鏡LNS會聚到樣品SS上，散射的白光由顯微物鏡LNS收集后，經第三分束器BS3反射到第一監(jiān)視器CM1。在第一監(jiān)視器CM1的顯示器上就可以對樣品進行微米到亞微米級的顯微觀測。
光纖監(jiān)視光路包括第二照明光源WL2，第四分束器BS4，第五分束器BS5和第二監(jiān)視器CM2。第二照明光源WL2發(fā)出的白光經第四分束器BS4發(fā)射后穿過第五分束器BS5，照射到光纖FBR端面，從光纖FBR端面散射的白光經第五分束器BS5反射到第二監(jiān)視器CM2。在第二監(jiān)視器CM2的顯示器上就可以觀測到從樣品發(fā)出的信號光是否進入光纖FBR的內芯并進行了有效的收集。
利用上面這套磁光系統(tǒng)，可以對樣品表面進行高分辨顯微觀察和定位，可以對光纖表面進行觀察，把從樣品反射的激光信號和樣品發(fā)出的熒光信號完全導入光纖并把光信號輸入到光譜儀進行光譜測試。測試過程中可以調節(jié)磁場強度和樣品溫度，實現可變溫的顯微磁光光譜測試。這套系統(tǒng)設計簡單，操作方便，磁光信號透過率高。
作為一個實例，我們在砷化鎵樣品S的表面開一個20微米×20微米的方形區(qū)域，用一長工作距離的50倍物鏡對樣品進行觀察和顯微分析。通過第一監(jiān)視器CM1，我們能清楚地看到激光斑位于方形區(qū)域之中。再通過第二監(jiān)視器CM2，能看到樣品反射的信號入射到光纖FBR的內芯并進行了有效的收集。經譜儀和探測器收集獲得的光譜圖入圖2所示。入射到樣品的激光功率僅為0.2毫瓦時，在常溫下我們就清楚地收集到了砷化鎵的帶邊發(fā)光峰。
以上實例說明我們設計的這套系統(tǒng)結構簡單和調節(jié)方便，具有對樣品進行快速的高分辨顯微觀察和定位，同時調節(jié)樣品溫度和樣品感受到的磁場，以及非常高的信號收集率等特點，非常有利于對低維半導體材料和磁性半導體半金屬材料進行磁光光譜研究。
權利要求
1.一種變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)，其特征在于，該光譜系統(tǒng)包括一激光器，其出射激光用于激發(fā)樣品的熒光光譜；一致冷機，控制樣品的溫度，樣品放置于其致冷頭中；一中心帶有室溫孔洞的超導磁體杜瓦，提供用于磁光光譜的磁場，致冷機放置樣品的致冷頭能深入超導磁體杜瓦的室溫孔洞中；一激光入射光路，把激光器的輸出激光引入并聚焦到致冷頭內的樣品表面來激發(fā)樣品的熒光光譜；一樣品監(jiān)視光路，使第一照明光源發(fā)出的白光通過光路中的第一監(jiān)視器顯微觀察樣品的表面圖像，同時監(jiān)視激光通過第一分束器和顯微物鏡聚焦到樣品上的具體位置和聚焦情況；一信號收集光路，把樣品的熒光信號通過顯微物鏡、第一分束器傳輸并會聚進多模光纖，通過多模光纖把熒光信號傳輸到光譜儀進行光譜測量；一光纖監(jiān)視光路，通過光路中的第二監(jiān)視器觀察熒光信號和激光反射信號在多模光纖靠近第五分束器一側端面的具體位置，確保樣品熒光信號有效地被多模光纖收集；一光譜儀和相應的探測器，位于多模光纖的一端，用來色散和測量樣品的熒光信號。
2.根據權利要求1所述的變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)，其特征在于，其中激光入射光路包括帶通濾光片，第一分束器和具有長工作距離的顯微物鏡。
3.根據權利要求2所述的變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)，其特征在于，其中激光器出射的激光經帶通濾光片濾除激光等離子線后，由第一分束器反射，然后穿過第二分束器和后由顯微物鏡聚焦到致冷機中致冷頭里樣品表面。
4.根據權利要求2所述的變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)，其特征在于，其中第一分束器可以換為陷波濾波器或截止濾光片。
5.根據權利要求1所述的變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)，其特征在于，其中樣品監(jiān)視光路包括第一照明光源，第二分束器，第三分束器，顯微物鏡，第一監(jiān)視器。
6.根據權利要求5所述的變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)，其特征在于，其中第一照明光源發(fā)出的白光經第二分束器反射，然后穿過第三分束器后由顯微物鏡聚焦到致冷機中致冷頭內的樣品表面，反射的白光經顯微物鏡收集后，由第三分束器反射到第一監(jiān)視器。
7.根據權利要求5所述的變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)，其特征在于，其中第一監(jiān)視器由攝像機和顯示器組成。
8.根據權利要求5所述的變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)，其特征在于，其中當樣品監(jiān)視完成后，可以把第二分束器和第三分束器移走，這樣既不影響該系統(tǒng)的其他功能，也提高激光和熒光信號的通過效率。
9.根據權利要求1所述的變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)，其特征在于，其中信號收集光路包括具有顯微物鏡，第一分束器和多模光纖。
10.根據權利要求9所述的變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)，其特征在于，其中由樣品發(fā)出的熒光信號，經過顯微物鏡收集后，穿過第一分束器后，由多模光纖收集。
11.根據權利要求1所述的變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)，其特征在于，其中光纖監(jiān)視光路包括第二照明光源，第四分束器，第五分束器，第二監(jiān)視器和多模光纖。
12.根據權利要求11所述的變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)，其特征在于，其中第二照明光源發(fā)出的白光經第四分束器反射，然后穿過第五分束器后直接照射到多模光纖表面，由多模光纖表面反射的白光經經第五分束器反射到第二監(jiān)視器。
13.根據權利要求11所述的變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)，其特征在于，其中當光纖表面監(jiān)視工作完成后，可以把第四分束器和第五分束器移走，這樣既不影響該系統(tǒng)的其他功能，也提高熒光信號的通過效率。
14.根據權利要求11所述的變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)，其特征在于，其中第二監(jiān)視器由攝像機和顯示器組成。
全文摘要
一種變溫顯微磁光光譜系統(tǒng)，包括一激光器；一致冷機控制樣品的溫度；一中心帶有室溫孔洞的超導磁體杜瓦提供用于磁光光譜的磁場；一激光入射光路把激光器的輸出激光引入并聚焦到致冷頭內的樣品表面來激發(fā)樣品的熒光光譜；一樣品監(jiān)視光路監(jiān)視激光通過第一分束器和顯微物鏡聚焦到樣品上的具體位置和聚焦情況；一信號收集光路通過多模光纖把熒光信號傳輸到光譜儀進行光譜測量；一光纖監(jiān)視光路觀察熒光信號和激光反射信號的具體位置，確保樣品熒光信號有效地被多模光纖收集；一光譜儀和相應的探測器，位于多模光纖的一端，用來色散和測量樣品的熒光信號。
文檔編號G01N27/00GK101059437SQ200610011749
公開日2007年10月24日 申請日期2006年4月19日 優(yōu)先權日2006年4月19日
發(fā)明者譚平恒, 鄭厚植, 李桂榮, 章昊, 姬楊, 甘華東, 朱匯 申請人:中國科學院半導體研究所