一种半导体材料调制光谱的方法及光路系统与流程

本发明涉及半导体材料光学性质，特别涉及一种半导体材料调制光谱的方法及光路系统。

背景技术：

1、超连续激光照射半导体材料表面时，激光的光子与半导体中的电子发生相互作用，如果激光的能量足够高，可以克服半导体的带隙能量，使电子从价带跃迁到导带。在跃迁过程中，电子吸收光子的能量，并释放出与跃迁相对应的光子，形成光谱。

2、不同波长激光器发出的光束照射到半导体材料上，当激光能量高于一般半导体材料的带隙能量时，电子会吸收光子能量从价带跃迁至导带，从而产生光生电子-空穴对，这些光生载流子可以在半导体内部移动，导致半导体材料的能带结构发生变化。

3、在激光照射下，半导体材料的能带结构会发生变化，例如会导致能级移动或是重新排列，半导体对激光的吸收和发射光谱也会发生变化。具体来说，如果某些能级向高能级移动，那么对应的光谱线可能会向短波长方向移动(即蓝移)；如果某些能级向低能级移动，那么对应的光谱线可能向长波长方向移动(即红移)；因此，需要一种半导体材料调制光谱的方法，实现半导体材料对光谱调制作用。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题是：提供一种半导体材料调制光谱的方法及光路系统，用于半导体材料对光谱调制。

2、本发明采用如下技术方案：一种半导体材料调制光谱的光路系统，包括：超连续激光光路、激光器、半导体材料、光谱仪、光电探测器、锁相放大器、计算机、扫描振镜。

3、超连续激光光路中，通过超连续激光器发出超连续激光光束，依次经过第一反射镜、斩波器和第二反射镜后，斜入射到半导体材料表面，进入光谱仪；所述光谱仪接收来自超连续激光光路的光信号，并将信号发送至光电探测器，通过锁相放大器输入至计算机，通过计算机采集半导体材料的光谱信号；

4、激光器发出调制激光光束，经过扫描振镜斜入射到半导体材料；所述扫描振镜连接计算机，计算机通过调整扫描振镜的倾斜角度，改变超连续激光光束照射到半导体材料上产生的光谱。

5、具体地，斩波器放置于第一反射镜和第二反射镜之间，同时连接锁相放大器，接收超连续激光光路输入信号，滤除部分噪声，并将噪声分散到不同时间间隔，提取光路中的直流信号作为参考信号；所述锁相放大器接收经过斩波器处理后的信号，利用参考信号进行互相关，通过相乘和积分进一步抑制噪声，进行信号提取。

6、具体地，锁相放大器还连接光电探测器，所述光电探测器设置于光谱仪后，接收光谱仪传递的光信号，转变为电信号后传输至锁相放大器，锁相放大器将收到的信号后滤波去噪后传输至计算机。

7、具体地，超连续激光光束与调制激光光束不重叠，超连续激光光束斜以一定角度入射至半导体材料，光谱仪位于反射路径，接收半导体材料反射的光，测量光的强度和波长；所述调制激光光束以不同角度经过经过扫描振镜斜入射至半导体材料上。

8、具体地，计算机通过控制系统调整扫描振镜的倾斜角度，改变调制激光光束入射到半导体材料的角度，进而改变超连续激光光束和调制激光光束的重合度，所述扫描振镜的角度调整范围为±10°至±30°。

9、具体地，所述超连续激光光束光谱范围为400-2300nm；所述激光器为不同光波长激光器，发出调制激光光束的波长分别为1064nm、852nm、532nm、405nm，且调制激光光束能量高于半导体材料的带隙能量，电子被激发从价带跃迁至导带，产生光生电子-空穴对，在半导体材料内部移动，使能带结构发生变化，对光谱产生不同的调制作用。

10、具体地，半导体材料放置于升降台上，半导体材料的能带结构随温度的变化而变化，包括：硅、锗、砷化镓、氮化镓、氧化锌、金刚石、氮化硼、碳化硅，在常温下的带隙宽度分别为：1.12ev、0.66ev、1.4ev、3.4ev、3.37ev、5.6ev、6.5ev、2.367ev。

11、具体地，光电探测器类型包括：石墨烯光电探测器、二硫化钼光电探测器、二硫化钨光电探测器、黑磷光电探测器、碳化硅光电探测器；

12、具体地，扫描振镜类型包括：伽利略振镜、微机电系统振镜、声光振镜、多边形振镜、共振振镜。

13、本发明技术方案还提供了一种半导体材料调制光谱的方法，包括如下步骤：

14、s1、通过超连续激光器发出超连续激光光束，经过反射镜和斩波器，照射至半导体材料表面，用于给半导体材料中的价带电子提供能量跃迁至导带，跃迁过程中，电子吸收光子的能量，并释放出与跃迁相对应的光子，形成光谱；

15、s2、通过激光器发出调制激光光束，照射到半导体材料表面，改变半导体材料能带结构，和超连续激光光束在半导体材料上有形成一定重合区域；利用计算机控制系统改变扫描振镜的倾斜角度，观察两束光斑重合度不同时的调制光谱；

16、s3、改变激光器的类型，分别使用波长为1064nm/852nm/532nm/405nm的激光器，重复步骤s2；

17、s4、利用光电探测器和斩波器，连接在锁相放大器上，对接收到的信号进行处理，并传送到计算机；

18、s5、计算机对比分析波长为1064nm/852nm/532nm/405nm的激光照射至半导体材料上时，对光谱产生的调制效果；对比分析对于同一激光器由于两光斑重合度不同时，对光谱产生的调制效果。

19、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

20、1、本发明光路系统中激光器发射的激光使得半导体材料中处于价带的电子吸收光子的能量跃迁至导带上，从而改变半导体材料的能带结构，进而使得超连续激光器照射到半导体材料上产生的光谱发生变化，起到调制光谱的作用。

21、2、本发明超连续激光光路中，在两反射镜之间放置一个斩波器，连接至锁相放大器，截取光路中的电信号作为参考信号，锁相放大9和斩波器的协同工作，进一步抑制噪声，并提取出有用的信号，提高调制光谱的准确度。

技术特征：

1.一种半导体材料调制光谱的光路系统，其特征在于，包括：超连续激光光路、激光器(5)、半导体材料(6)、光谱仪(7)、光电探测器(8)、锁相放大器(9)、计算机(10)、扫描振镜(11)；

2.根据权利要求1所述的半导体材料调制光谱的光路系统，其特征在于，所述斩波器(3)放置于第一反射镜(2)和第二反射镜(4)之间，同时连接锁相放大器(9)，接收超连续激光光路输入信号，滤除部分噪声，并将噪声分散到不同时间间隔，提取光路中的直流信号作为参考信号；所述锁相放大器(9)接收经过斩波器(3)处理后的信号，利用参考信号进行互相关，通过相乘和积分进一步抑制噪声，进行信号提取。

3.根据权利要求1所述的半导体材料调制光谱的光路系统，其特征在于，所述锁相放大器(9)还连接光电探测器(8)，所述光电探测器(8)设置于光谱仪(7)后，接收光谱仪(7)传递的光信号，转变为电信号后传输至锁相放大器(9)，锁相放大器(9)将收到的信号后滤波去噪后传输至计算机(10)。

4.根据权利要求1所述的半导体材料调制光谱的光路系统，其特征在于，所述超连续激光光束与调制激光光束不重叠，超连续激光光束斜以一定角度入射至半导体材料(6)，光谱仪(7)位于反射路径，接收半导体材料(6)反射的光，测量光的强度和波长；所述调制激光光束以不同角度经过经过扫描振镜(11)斜入射至半导体材料(6)上。

5.根据权利要求4所述的半导体材料调制光谱的光路系统，其特征在于，所述计算机(10)通过控制系统调整扫描振镜(11)的倾斜角度，改变调制激光光束入射到半导体材料(6)的角度，进而改变超连续激光光束和调制激光光束的重合度，所述扫描振镜(11)的角度调整范围为±10°至±30°。

6.根据权利要求5所述的半导体材料调制光谱的光路系统，其特征在于，所述超连续激光光束光谱范围为400-2300nm；所述激光器(5)为不同光波长激光器，发出调制激光光束的波长分别为1064nm、852nm、532nm、405nm，且调制激光光束能量高于半导体材料(6)的带隙能量，电子被激发从价带跃迁至导带，产生光生电子-空穴对，在半导体材料(6)内部移动，使能带结构发生变化，对光谱产生不同的调制作用。

7.根据权利要求1所述的半导体材料调制光谱的光路系统，其特征在于，所述半导体材料(6)放置于升降台(12)上，半导体材料(6)的能带结构随温度的变化而变化，包括：硅、锗、砷化镓、氮化镓、氧化锌、金刚石、氮化硼、碳化硅，在常温下的带隙宽度分别为：1.12ev、0.66ev、1.4ev、3.4ev、3.37ev、5.6ev、6.5ev、2.367ev。

8.根据权利要求1所述的半导体材料调制光谱的光路系统，其特征在于，所述光电探测器(8)类型包括：石墨烯光电探测器、二硫化钼光电探测器、二硫化钨光电探测器、黑磷光电探测器、碳化硅光电探测器。

9.根据权利要求1所述的半导体材料调制光谱的光路系统，其特征在于，所述的扫描振镜(11)类型包括：伽利略振镜、微机电系统振镜、声光振镜、多边形振镜、共振振镜。

10.一种半导体材料调制光谱的方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结本发明公开了一种半导体材料调制光谱的方法及光路系统，包括：超连续激光器、斩波器、激光器、反射镜、半导体材料、升降台、扫描振镜、光谱仪、光电探测器、锁相放大器、计算机。超连续激光光束经过反射镜和斩波器斜入射到半导体材料表面，进入光谱仪，连接光电探测器，将信号传播至计算机采集光谱信号；激光器发出的激光经过扫描振镜斜入射到半导体材料上；扫描振镜连接计算机，通过计算机逐步调整振镜的倾斜角度，激光器与超连续激光器发出的两束激光的光斑随着扫描振镜角度的变化会呈现出不同的重合度，两束激光不同的重合度对所得到的光谱有着不同的调制作用；同时斩波器连接锁相放大器，进行组合滤波，进一步提高了调制光谱的准确性。技术研发人员：徐鹏飞,王岩受保护的技术使用者：无锡华兴光电研究有限公司技术研发日：技术公布日：2024/10/10