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CN113670850A - 一种测试氧化锌微腔热光系数的方法 - Google Patents

一种测试氧化锌微腔热光系数的方法 Download PDF

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CN113670850A CN202110850810.6A CN202110850810A CN113670850A CN 113670850 A CN113670850 A CN 113670850A CN 202110850810 A CN202110850810 A CN 202110850810A CN 113670850 A CN113670850 A CN 113670850A
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卢俊峰
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Abstract

本发明公开了一种测试氧化锌微腔热光系数的方法，利用激光泵浦温度可控的氧化锌光学微谐振腔，通过光谱仪采集微区激光模式的移动，给出折射率随温度的变化关系。相比于传统的测试方法，该方法可以测试有源腔带隙能量附近的热光系数；另外腔模半高宽极窄，因此该方法还具有较高的测试灵敏度和准确度。该方法弥补了传统方法在测试半导体带隙能量附近热光系数的不足，适用于微纳级小尺寸样品测试。

Description

一种测试氧化锌微腔热光系数的方法
技术领域
本发明属于光电技术领域，涉及一种测试氧化锌微腔热光系数的方法。
背景技术
材料光学参数的测量在其实际应用中起着非常重要的作用。不同的参数性能直接决定了该材料的应用领域，及后续器件性能的优劣。热光系数，又叫折射率的温度系数，是一种非常重要的光学参数，反映了光学材料的折射率随温度的变化率。目前，光学材料热光系数的测量主要依赖温度相关的光学折射率的测量，这种传统的测试方式主要是控制温度条件，通过测试材料的透过率、吸收率和散射率变化而反映出来。然而，对于具有一定光学带隙的半导体材料，在其带隙能量附近，这种传统的测试方式则存在较大的局限性，同时传统的测试一般也是适用于薄膜、大尺寸块体样品的测试，对于微纳级别的样品则无法测量。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种测试氧化锌微腔热光系数的方法，该方法利用温度依赖的腔模移动，能够实现小尺寸样品和带隙能量附近的热光系数的测量。
技术方案：本发明提供的一种测试氧化锌微腔热光系数的方法，包括如下步骤：
(1)将待测光学微腔置于温控平台上；
(2)将置有光学微腔的温控平台一起放置在三维可调的微区平台上；将激发光聚焦于光学微腔之上进行光泵浦；
(3)利用光谱仪采集光学微腔在光泵浦下的激射谱；
(4)利用温控平台给光学微腔加热，并收集同一位置和激发条件下不同温度时的激射谱；
(5)分析激射谱随温度的变化关系，得出热光系数。
进一步的，步骤(1)中，所述光学微腔为镓掺杂氧化锌微米棒，其直径为1～20μm，长度不限；或者直径为50～1000nm，长度为1～20μm。
进一步的，步骤(1)中，所述温控平台的控温范围为-190～350℃，精度为0.001～0.1℃。
进一步的，所述步骤(2)中，将放置有光学微腔的温控平台固定在三维微区平台上，调节微区平台，通过光学显微镜将泵浦光聚焦于微腔上进行激发。
进一步的，所述微区平台调节范围为0～5cm，精度1μm；光学显微镜的物镜倍率为10～50倍，目镜倍率为10～20倍。
进一步的，所述泵浦光的重复频率为1～6000Hz，脉冲宽度为50fs～50ns，设置波长范围为315～360nm。
进一步的，步骤(3)中，所述光谱仪分辨率为0.03～0.3nm，光栅刻线为300～1200g/mm。
进一步的，步骤(4)中，所述温控平台给光学微腔加热的温度为273K～400K。
进一步的，步骤(5)中，根据所述激射谱随温度变化关系推导出的折射率随温度的变化关系，再通过拟合折射率随温度的变化关系能够得出热光系数。
有益效果：
(1)与现有技术相比，本发明的热光系数测试可拓展至带隙能量附近；
(2)本发明可用于微纳级别样品的热光系数测量；
(3)本发明基于腔模移动反应折射率变化，具有更高的灵敏度和准确度。
附图说明
图1是测试装置示意图。
图2是不同温度下的激射谱。
图3是不同温度下TE70模的折射率。
图4是折射率随温度变化关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步地详细描述。
如图1所示为测试装置示意图，包括微区平台、温控平台、氧化锌微腔、光学显微镜、光谱仪、激光器、光学元件。
本发明提供了一种测试氧化锌微腔热光系数的方法，利用温度依赖的腔模移动，反映出折射率变化，从而实现小尺寸样品和带隙能量附近的热光系数的测量。
发明原理：光学腔模的共振波长与增益介质、微腔尺寸和折射率密切相关。通过测试不同温度下的光学腔模激射谱，分析温度和光学微腔折射率之间的变化关系，从而得出热光系数。
本发明提供的一种测试氧化锌微腔热光系数的方法包括如下步骤：
(1)将氧化锌微腔放置在温控平台上，并将载有氧化锌微腔的温控平台整体固定于三维微区平台上；氧温控平台的控温范围为-190～350℃，化锌微腔的直径1～20μm，长度不限；或者直径为50～1000nm，长度为1～20μm；三维微区平台的调节精度为1～10μm，行程为3～8cm；光学显微镜的物镜倍率为10～50倍，目镜倍率为10～20倍。
(2)通过光学显微镜将激发光聚焦于氧化锌微腔上，并对其进行光激发；由于光泵激光模式输出对光源泵浦功率密度要求较高，因此采用脉冲宽度纳秒以下的激发源。步骤(2)中，泵浦光源的重复频率为1～6000Hz，脉冲宽度为50fs～50ns，设置波长为315～360nm。
(3)利用光谱仪对样品辐射信号进行采集，由于激光模式半高宽极窄，对光谱仪的分辨率要求较高，因此所选光谱仪的光栅刻线范围为300～1200g/mm，分辨率为0.03～0.3nm。
(4)利用温控平台对氧化锌微腔加热，并采集不同温度下的辐射信号；加热温度为273K～400K，精度为0.001～0.1℃；
(5)对比分析不同温度下的辐射信号，得到温度与折射率的变化关系。
本发明中所采用的镓掺杂氧化锌微米棒，可以通过市售方式获取。
实施例1：
本实施例测试氧化锌微腔热光系数的方法包括如下步骤：
(1)选取长度为0.5cm，直径为5μm的氧化锌微腔放置于温控平台上；并将其整体固定于精度为1μm，进程为5cm的三维微区平台上；
(2)调节微区平台，通过物镜为10倍率，目镜为10倍率的光学显微镜将激发波长为325nm，重复频率为1000Hz，脉冲宽度为100fs的泵浦光聚焦于镓掺杂氧化锌微米棒上进行光激发；
(3)利用光谱分辨率为0.03nm、光栅刻线为1200g/mm的光谱仪对氧化锌微腔的辐射信号进行采集；
(4)利用精度为0.1℃的温控平台对氧化锌微腔加热，加热温度为296K～306K，并对不同温度下的氧化锌微腔辐射信号进行同时采集，并观测光谱的变化。
(5)经过对比分析，得到温度与折射率的变化关系。
如图2所示，随着温度增加，激射谱向长波方向移动；激射谱中的尖峰为一种光谱信号，每个尖峰的波长与温度紧密相关，它们之间是通过折射率相联系的，知道了不同温度下的波长，就能够通过公式反推出不同温度下的折射率，再通过拟合可以得出热光系数。
图3是根据平面波模型得出的TE70模在不同温度下的折射率；最后可得到折射率与温度的变化关系图，如图4所示，其热光系数与已有报道在同一数量级。
实施例2：
本实施例测试氧化锌微腔热光系数的方法包括如下步骤：
(1)选取长度为0.4cm，直径为8μm的氧化锌微腔放置于温控平台上；并将其整体固定于精度为3μm，进程为4cm的三维微区平台上；
(2)调节微区平台，通过物镜为10倍率，目镜为10倍率的光学显微镜将激发波长为355nm，重复频率为2000Hz，脉冲宽度为100fs的泵浦光聚焦于镓掺杂氧化锌微米棒上进行光激发；
(3)利用光谱分辨率为0.03nm、光栅刻线为1200g/mm的光谱仪对氧化锌微腔的辐射信号进行采集；
(4)利用精度为0.01℃的温控平台对氧化锌微腔加热，加热温度为296K～306K，并对不同温度下的氧化锌微腔辐射信号进行同时采集，并观测光谱的变化。
(5)经过对比分析，得到温度与折射率的变化关系。
实施例3：
本实施例测试氧化锌微腔热光系数的方法包括如下步骤：
(1)选取长度为0.6cm，直径为10μm的氧化锌微腔放置于温控平台上；并将其整体固定于精度为5μm，进程为4cm的三维微区平台上；
(2)调节微区平台，通过物镜为40倍率，目镜为10倍率的光学显微镜将激发波长为325nm，重复频率为6000Hz，脉冲宽度为100fs的泵浦光聚焦于镓掺杂氧化锌微米棒上进行光激发；
(3)利用光谱分辨率为0.03nm、光栅刻线为1200g/mm的光谱仪对氧化锌微腔的辐射信号进行采集；
(4)利用精度为0.001℃的温控平台对氧化锌微腔加热，加热温度为296K～306K，并对不同温度下的氧化锌微腔辐射信号进行同时采集，并观测光谱的变化。
(5)经过对比分析，得到温度与折射率的变化关系。
实施例4：
本实施例测试氧化锌微腔热光系数的方法包括如下步骤：
(1)选取长度为0.2cm，直径为8μm的氧化锌微腔放置于温控平台上；并将其整体固定于精度为4μm，进程为3cm的三维微区平台上；
(2)调节微区平台，通过物镜为20倍率，目镜为10倍率的光学显微镜将激发波长为355nm，重复频率为3000Hz，脉冲宽度为100fs的泵浦光聚焦于镓掺杂氧化锌微米棒上进行光激发；
(3)利用光谱分辨率为0.03nm、光栅刻线为1200g/mm的光谱仪对氧化锌微腔的辐射信号进行采集；
(4)利用精度为0.1℃的温控平台对氧化锌微腔加热，加热温度为296K～306K，并对不同温度下的氧化锌微腔辐射信号进行同时采集，并观测光谱的变化。
(5)经过对比分析，得到温度与折射率的变化关系。

Claims (9)

1.一种测试氧化锌微腔热光系数的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将待测光学微腔置于温控平台上；
(2)将置有光学微腔的温控平台一起放置在三维可调的微区平台上；将激发光聚焦于光学微腔之上进行光泵浦；
(3)利用光谱仪采集光学微腔在光泵浦下的激射谱；
(4)利用温控平台给光学微腔加热，并收集同一位置和激发条件下不同温度时的激射谱；
(5)分析激射谱随温度的变化关系，得出热光系数。
2.根据权利要求1所述的测试氧化锌微腔热光系数的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述光学微腔为镓掺杂氧化锌微米棒，其直径为1～20μm，长度不限；或者直径为50～1000nm，长度为1～20μm。
3.根据权利要求1所述的测试氧化锌微腔热光系数的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述温控平台的控温范围为-190～350℃，精度为0.001～0.1℃。
4.根据权利要求1所述的测试氧化锌微腔热光系数的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，将放置有光学微腔的温控平台固定在三维微区平台上，调节微区平台，通过光学显微镜将泵浦光聚焦于微腔上进行激发。
5.根据权利要求4所述的测试氧化锌微腔热光系数的方法，其特征在于：所述微区平台调节范围为0～5cm，精度1μm；光学显微镜的物镜倍率为10～50倍，目镜倍率为10～20倍。
6.根据权利要求4所述的测试氧化锌微腔热光系数的方法，其特征在于：所述泵浦光的重复频率为1～6000Hz，脉冲宽度为50fs～50ns，设置波长范围为315～360nm。
7.根据权利要求1所述的测试氧化锌微腔热光系数的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述光谱仪分辨率为0.03～0.3nm，光栅刻线为300～1200g/mm。
8.根据权利要求1所述的测试氧化锌微腔热光系数的方法，其特征在于：步骤(4)中，所述温控平台给光学微腔加热的温度为273K～400K。
9.根据权利要求1所述的测试氧化锌微腔热光系数的方法，其特征在于：步骤(5)中，根据所述激射谱随温度变化关系推导出的折射率随温度的变化关系，再通过拟合折射率随温度的变化关系能够得出热光系数。
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