以氮分子激光器為激發(fā)源的熒光光譜系統(tǒng).pdf

1、熒光光譜是一種在材料、物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用的強有力工具。通過分析材料的熒光，人們可以獲得半導(dǎo)體材料的能級結(jié)構(gòu)、能級壽命，納米結(jié)構(gòu)的激發(fā)和發(fā)光機制，有機分子的功能團類型，環(huán)境中的痕量污染物等信息。
　　 一個典型的紫外熒光光譜系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包括紫外光源，分光機構(gòu)，光電探測器及微弱信號測量系統(tǒng)，包含調(diào)制器、透鏡組的光路，和用于儀器控制和信號采集的計算機等。在本課題中設(shè)計一種以N2分子激光器為激發(fā)源的紫外熒光光譜系統(tǒng)。在研究

2、過程中，涉及了微弱信號、高壓大電流快速開關(guān)器件的制作、高壓脈沖的產(chǎn)生、以及高速采樣積分等諸多問題。為解決這些實際問題，自研、自制了一批工具和儀器，而這些自研、自制的儀器，不僅可以用于本課題中的紫外熒光光譜系統(tǒng)，也可以用于其它一些相關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域。
　　 (1)本論文中光譜測量系統(tǒng)使用一臺國產(chǎn)單色儀作為分光機構(gòu)。使用低噪聲PIN光電二極管制作了光探頭。為了達到極低的探測極限(1pW)，設(shè)計并制作了pA級的電流前置放大器，用于測量PIN

3、光探頭的輸出信號。前置放大器的輸出信號可使用鎖相放大器測量，也可直接使用電壓表監(jiān)控。
　　 (2)微弱電流前置放大器是光譜測量系統(tǒng)的主要難點。由于PIN光探頭的響應(yīng)度在0.1～0.5A/W之間，為保證1pW的探測極限，要求放大器具有不高于100fA的偏置電流。目前，很多集成運算放大器可以滿足偏置電流的要求。然而，由于工藝的限制，相較于分立元件，低偏置電流的集成運算放大器一般具有更高的輸入電壓噪聲，例如在STM，SEM中普遍使用的

4、OPA128LM，具有典型值為27nv/√Hz@1kHz和92nv/√Hz@10Hz的輸入電壓噪聲密度。由于微弱電流測量一般需要高阻值的反饋電阻進行I/V轉(zhuǎn)換，在低源內(nèi)阻的情況下，電壓增益將非常高。例如，在使用了10GOhm和500MOhm分別作為兩個量程的反饋電阻，在源內(nèi)阻10MOhm的條件下，最小量程的電壓增益將達到1000倍，輸入電壓噪聲將嚴(yán)重降低信噪比。因此，選擇使用篩選的結(jié)型場效應(yīng)管(2sk170，0.95nv/√Hz)制作前

5、置放大器的輸入級，保證了極低的偏置電流和輸入電壓噪聲密度。
　　 (3)一般紫外熒光光譜儀使用的光源多為HeCd激光、使用非線性晶體倍頻的激光器、或具有紫外區(qū)輸出的調(diào)諧激光器等。由于上述激光器大多價格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實驗室現(xiàn)有條件下難以制作。因此采用一種脈沖氣體激光器，N2分子激光器作為激發(fā)光源。N2激光器的激光上能級壽命短，下能級壽命長，且激光增益率高，即使不使用諧振腔和真空、密封系統(tǒng)，也可以獲得脈沖激光輸出。這使得其設(shè)計和

6、制作非常簡便。
　　 N2激光器是一種脈沖放電激勵的氣體激光器，在橫向激勵(TE)模式下使用一對平行的工作電極對氣體放電，激光由平行于電極的激發(fā)態(tài)氣體產(chǎn)生。該激光器需要的工作電壓一般在15KV以上，放電脈沖在納秒量級，電流峰值為數(shù)安培。由于半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)特點，半導(dǎo)體開關(guān)器件如三極管、場效應(yīng)管、閘流管等都不能同時滿足上訴條件。本文中，選擇了自制的可觸發(fā)火花隙作為N2激光器的開關(guān)器件。
　　 可觸發(fā)火花隙需要在觸發(fā)級上施加

7、一個高電壓脈沖來觸發(fā)陰極和陽極之間的放電。N2激光器的時域特性由其驅(qū)動脈沖決定。一般的，在高壓脈沖技術(shù)中，常使用電感或變壓器作為磁儲能元件，通過切換電流來產(chǎn)生高壓脈沖。但受限于大電流開關(guān)器件本身的特點，如開關(guān)速度（功率場效應(yīng)管在微秒量級），這種方式很難產(chǎn)生低延時和低抖動的高壓脈沖。
　　 雪崩三極管是一種常用語超快前沿脈沖發(fā)生的高速器件。其通過集電極和基極之間的可恢復(fù)雪崩擊穿工作。雪崩三極管的工作電壓一般在幾十伏至數(shù)百伏之間，不

8、能直接產(chǎn)生高壓脈沖，本課題中，使用雪崩三極管組成Marx電路以提高其輸出電壓。該電路的特點是，使可以直接使用TTL電平控制，具有極低的延時和抖動，并且可以輸出一路參考信號，提供給鎖相放大器或Boxcar采樣積分器。
　　 由于雪崩三極管Marx電路的輸出脈沖的時域特性良好，不僅可以用于可觸發(fā)火花隙的觸發(fā)，也可以使用諸如半導(dǎo)體激光器驅(qū)動、LED測試、Q開關(guān)驅(qū)動等場合。
　　 (4)由于N2激光器輸出脈沖寬度是約5ns左右，

9、使用示波器直接觀測效果非常差。為此，設(shè)計并制作了的采樣積分放大器以測量N2激光器的脈沖寬度和RMS抖動。
　　 該采樣積分器的結(jié)構(gòu)是:前置放大器——高速開關(guān)（以延時發(fā)生器DG535控制）——積分電容——輸出放大器——模數(shù)轉(zhuǎn)換器。一般采樣積分放大器使用具有低輸入電容的結(jié)型場效應(yīng)管為開關(guān)器件，如在某型號Boxcar模塊中，采用型號為2n4416的低結(jié)電容、高速結(jié)型場效應(yīng)管作為開關(guān)器件，時間分辨率為2ns。為了保證高時間分辨率我使用高