一种偏振分辨的差分反射谱测量系统

摘要

本发明公开了一种偏振分辨的差分反射谱测量系统，包括：一液氮杜瓦；一手动三维平移台；一消色差透镜；一激震器用于周期性震动透镜；一宽波段四分之一波长波片；一双输出格兰泰勒棱镜；一宽波段线偏振片以及一宽波长二分之一波长波片；一单色仪；一超连续白光光源；一探测器；两台锁相放大器；以及一斩波。利用本发明，通过配备低温杜瓦，可以测量样品在77K至300K之间的偏振分辨差分反射谱，从而可以进一步研究分析物质与自旋相关的能带结构和特性。

权利要求

1.一种偏振分辨的差分反射谱测量系统，其特征在于，该系统包括：一液氮杜瓦，用于放置样品和使样品达到液氮温度；

一手动三维平移台，包括一手动旋转台以及一俯仰台，用于放置液氮杜瓦以及调节液氮杜瓦的空间位置；

一消色差透镜，用于聚焦入射光到样品，并收集样品的反射光；

两锁相放大器，第一锁相放大器用于读出反射光的光强强度，接来自于斩波的参考信号，第二锁相放大器用于读出反射光在样品不同位置反射强度差别的大小，接来自激振器的参考信号；

一激振器，该消色差透镜连接于该激振器上，通过改变该消色差透镜位置得到位置周期性变化的入射光，并为第二锁相放大器提供参考信号，使发射光产生周期性变化；

一宽波段的四分之一波长波片，用于使得通过的线偏振光变为圆偏振光，并将从样品上反射回的圆偏振光变为线偏振光；

一双窗口的格兰泰勒棱镜，用于将入射光分解为o光和e光两束偏振方向垂直的线偏振光，并使得经过样品反射以及宽波段的四分之一波长波片的而成为线偏振光的反射光进入探测器；

一探测器，用于接收和探测反射光；

一超连续白光光源，用于得到准连续的光谱；

一单色仪，用于得到需要波长的单色光，并对波长进行扫描；

一斩波，用于得到周期性的入射光信号，并为第一锁相放大器提供参考信号，通过第一锁相放大器读出反射光的光强强度，从而得到入射光相对光强；

该系统利用所述双窗口格兰泰勒棱镜以及所述宽波段的四分之一波长波片得到入射左旋或右旋圆偏振光，利用所述激振器连接该消色差透镜，通过振动该消色差透镜，得到周期移动的入射光，从而照射到样品不同位置得到反射光信号；并且经过样品反射回来的反射光信号成为右旋或左旋圆偏振光，经过同一个四分之一波长波片变成线偏振光，然后从双窗口格兰泰勒棱镜的另一个窗口出射进入探测器，从而使用该探测器接受和探测反射光信号；

该系统利用所述激振器带动一个该消色差透镜振动，使聚焦后的周期运动入射光照射到样品上，并且使得反射光再次通过该消色差透镜，样品位于该消色差透镜焦点上；

该系统利用激光激发非线性光纤得到的超连续白光光源，通过与单色仪的组合，得到可连续扫描的单色光。

2.根据权利要求1所述的偏振分辨的差分反射谱测量系统，其特征在于，所述探测器为Si探测器或InGaAs探测器，用来接收和探测不同波段的反射光，给出光强的信号，传输给锁相放大器。

说明书

一种偏振分辨的差分反射谱测量系统

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体自旋电子学技术领域，特别是涉及一种偏振分辨的差分反射谱测量系统，用于对半导体自旋电子学材料(比如：稀磁半导体材料)的自旋相关光学性质的测量。

背景技术

[0002] 自从1988年巨磁电阻(Giant Magneto Resistance)效应在Fe/Cr多层结构中被发现后，20年来，旨在利用电子的另一内禀属性自旋来扮演电子电荷在现代信息技术领域中类似角色的新兴学科——自旋电子学，无论在实验室还是工业界都取得了令人惊异的长足发展。

[0003] 在自旋电子学的研究中，偏振分辨的光学性质非常重要的研究内容：对如GaAs:Mn一类的所谓稀磁半导体，由于塞曼(Zeeman)效应的存在，能带在一定条件下会产生分裂，而具有不同的能量和自旋取向，通过分别测量样品的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光反射谱，可以直接反映出是否形成了磁性半导体，以及半导体能带的这种分裂。

[0004] 现阶段，实验室里比较常见的测量反射谱的装置多是利用电调制和光调制来测量反射谱，但是灵敏度依然有待提高，实验的复杂程度有待降低。而对于偏振分辨的反射谱，通常使用光弹调制器来得到一个周期变化的圆偏振光，这就无法分别得到不同偏振的反射谱，所以，一种灵敏的，简便的可以实现偏振分辨的反射谱测量系统就显得非常必要。

发明内容

[0005] (一)要解决的技术问题

[0006] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种灵敏度较高，且易于实现的偏振分辨的差分反射谱测量系统。

[0007] (二)技术方案

[0008] 为达到上述目的，本发明提供了一种偏振分辨的差分反射谱测量系统，该系统包括：

[0009] 一液氮杜瓦，用于放置样品和使样品达到液氮温度；

[0010] 一手动三维平移台，包括一手动旋转台以及一俯仰台，用于放置液氮杜瓦以及调节液氮杜瓦的空间位置；

[0011] 一消色差透镜，用于聚焦入射光到样品，并收集样品的反射光；

[0012] 一激振器，包括周期性振动透镜，通过改变透镜位置得到位置周期性变化的入射光，并为锁相放大器提供参考信号，使发射光产生周期性变化；

[0013] 一宽波段的四分之一波长波片，用于使得通过的线偏振光变为圆偏振光，并将从样品上反射回的圆偏振光变为线偏振光；

[0014] 一双窗口的格兰泰勒棱镜，用于将入射光分解为o光和e光两束偏振方向垂直的线偏振光，并使得经过样品反射以及宽波段的四分之一波长波片的而成为线偏振光的反射光进入探测器；

[0015] 一探测器，用于接收和探测反射光；

[0016] 两锁相放大器，用于读出反射光的光强强度以及随激振器振动周期变化的大小；

[0017] 一超连续白光光源，用于得到准连续的光谱；

[0018] 一单色仪，用于得到需要波长的单色光，并对波长进行扫描；

[0019] 一斩波，用于得到周期性的入射光信号，并为锁相放大器提供参考信号，从而得到入射光相对光强。

[0020] 上述方案中，该系统利用所述双窗口格兰泰勒棱镜和所述宽波段的四分之一波长波片，实现入射光的起偏和反射光的检偏；利用所述激振器连接一个透镜，通过振动透镜，得到空间位置周期变化的入射光，实现入射光的空间调制。

[0021] 上述方案中，该系统以所述激振器频率作为参考信号，利用所述锁相放大器测得由于光在样品不同位置上的反射强度变化，得到差分信号。

[0022] 上述方案中，该系统利用所述双窗口格兰泰勒棱镜以及所述宽波段的四分之一波长波片得到入射左旋(右旋)圆偏振光，利用所述激振器连接一个透镜，通过振动透镜，得到周期移动的入射光，从而照射到样品不同位置得到反射光信号；并且经过样品反射回来成为右旋(左旋)圆偏振光，经过同一个四分之一波长波片变成与原先入射光偏振垂直的线偏振光，然后从格兰泰勒的另一个窗口出射进入探测器，从而得到左旋或右旋入射光的反射信号。

[0023] 上述方案中，该系统利用所述激振器带动透镜得到周期性运动的透镜，实现入射光在样品上周期性的移动；利用所述斩波进行调制，得到一个周期性的入射光，以斩波频率为参考，得到入射光强度，以激振器频率为参考得到差分信号。

[0024] 上述方案中，该系统利用所述激振器带动一个消色差透镜震动，使聚焦后的周期运动入射光照射到样品上，并且使得反射光再次通过该透镜，样品位于透镜焦点上。

[0025] 上述方案中，该系统利用激光激发非线性光纤得到的超连续白光光源，通过与单色仪的组合，得到可连续扫描的单色光。

[0026] 上述方案中，所述探测器为Si探测器或InGaAs探测器，用来接收和探测不同波段的反射光，给出光强的信号，传输给锁相放大器。

[0027] 上述方案中，所述超连续白光光源，通过一个980泵浦光激发一个非线性光纤，得到功率最大4w，波长范围覆盖450nm至1500nm的超连续自光。

[0028] (三)有益效果

[0029] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

[0030] 1、利用本发明，通过配备低温杜瓦，可以测量样品在77K-300K(如果利用液氦杜瓦，可实现4.2K-300K)之间的偏振分辨差分反射谱，从而可以进一步研究分析物质与自旋相关的能带结构和特性。

[0031] 2、本发明提供了低温的样品环境，并且可以通过外增加磁铁提供外磁场对其进行升级，可以测量到反映样品能带结构的差分反射谱，并且可以分别测量左右旋圆偏光的差分反射谱，从而得到样品自旋相关的能带结构。

附图说明

[0032] 为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，其中：

[0033] 图1是本发明提供的偏振分辨的差分反射谱测量系统的结构示意图；

[0034] 图2是利用本发明提供的偏振分辨的差分反射谱测量系统在室温下测量的一块砷化镓样品的差分反射谱。

具体实施方式

[0035] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

[0036] 请参阅图1所示，图1是本发明提供的偏振分辨的差分反射谱测量系统的结构示意图，该系统包括：一液氮杜瓦，用于放置样品和使样品达到液氮温度；一手动三维平移台，包括一手动旋转台以及一俯仰台，用于放置液氮杜瓦以及调节液氮杜瓦的空间位置；一消色差透镜，用于聚焦入射光到样品，并收集样品的反射光；一激振器，包括周期性振动透镜，通过改变透镜位置得到位置周期性变化的入射光，并为锁相放大器提供参考信号，使发射光产生周期性变化；一宽波段的四分之一波长波片，用于使得通过的线偏振光变为圆偏振光，并将从样品上反射回的圆偏振光变为线偏振光；一双窗口的格兰泰勒棱镜，用于将入射光分解为o光和e光两束偏振方向垂直的线偏振光，并使得经过样品反射以及宽波段的四分之一波长波片的而成为线偏振光的反射光进入探测器；一探测器，用于接收和探测反射光；两锁相放大器，用于读出反射光的光强强度以及随激振器振动周期变化的大小；一超连续白光光源，用于得到准连续的光谱；一单色仪，用于得到需要波长的单色光，并对波长进行扫描；一斩波，用于得到周期性的入射光信号，并为锁相放大器提供参考信号，从而得到入射光相对光强。

[0037] 其中，超连续白光光源(LS)可以覆盖频率很宽而且强度很大发散角较小的连续光。白光从单色仪(SP)入射狭缝进入，经过光栅分光，在出射狭缝可以得到需要波长的单色光，通过电脑控制连续转动单色仪光栅，就可以对波长进行连续扫描。对于斩波(CP)，由于叶片地转动，周期性地使得入射光通过与不通过，从而得到周期性的入射光信号。斩波为锁相放大器(LA1)提供参考信号，从而读出入射光的光强。对于液氮杜瓦(LND)，放置样品S，并使样品S达到液氮温度。其中LND下安装有一手动三维平移台，一手动旋转台以及一俯仰台用于调节液氮杜瓦的位置。样品S可以选择放置方式使其生长方向垂直或平行于液氮杜瓦LND的冷指表面。而消色差透镜(L)，对于不同波长的入射光，消色差透镜的焦距不变，选择适当焦距的消色差透镜，使入射光聚焦到样品表面。另外，当入射光被样品反射回来，也用该透镜收集。激振器(JZ)伸出的震动头可以前后周期震动，于是带动固定于其上的消色差透镜L周期性振动，图上箭头表示其振动方向。由于透镜位置改变，入射光的位置到达样品时照射位置也周期性变化。激振器还为锁相放大器提供参考信号，从而得到反射光周期性的变化强度，也就是样品不同位置反射的差分信息。宽波段的四分之一波长波片(QWP)使得入射的线偏振光在通过之后变为圆偏振光。并且将从样品反射回来的的圆偏振光变为与入射光偏振方向垂直的线偏振光。双窗口的格兰泰勒棱镜(prism)，将入射光分解为o光和e光两束偏振方向垂直的线偏振光。在光路中，prism一方面起起偏的作用使得入射光经过之后变为线偏光。另一方面起检偏的作用，使线偏振的反射光被prism反射进入探测器，这也起到了提高信噪比的作用。探测器(DT)用来接收和探测反射光，将反射光的光强转化为一个电信号传给锁相放大器。两锁相放大器LA1和LA2，其中LA1接来自于斩波得参考信号，从而可以读出反射光的光强强度，LA2接来自激振器的参考信号，从而读出反射光在样品不同位置反射强度差别的大小。

[0038] 本发明提供的偏振分辨的差分反射谱测量系统的核心部分是激振器JZ及其上连接的消色差透镜L，以及双窗口格兰泰勒棱镜prism。利用激振器的震动带动透镜震动，从而得到周期性运动的入射光，而根据经典的光学反射投射定律就可以发现，只要选择合适焦距的透镜，并调节样品位置，就可以使得反射光再次经过透镜，波片，最终被格兰泰勒棱镜检偏以及反射。在这个光路中，因为要扫描入射光的波长，所以L消色差的性质也是很重要的。

[0039] 而本发明提供的偏振分辨的差分反射谱测量系统的一个特点就是，利用光的偏振反射定律，经过prism起偏的线偏光，经过QWP之后成为一个左旋(或右旋)的圆偏光。经过样品之后，成为右旋(或左旋)的圆偏光，再经过QWP之后的反射光，再次成为线偏振光。并且此时反射光偏振方向与原先的入射光偏振方向垂直。利用此原理，反射光就被prism所反射，从而进入探测器。

[0040] 本发明提供的偏振分辨的差分反射谱测量系统起偏和检偏用了同一种光路。而且没有在光路中再添加其它光学元件就可以将入射光和反射光分开。而一般的偏振分辨光路系统，起偏和检偏都是用不同的棱镜和波片，或者其中还需要分光棱镜。这些光学元件不仅增加了实验的成本而且对于实验信噪比的提高也很不利。而本发明提供的系统的设计则克服了这一困难。而且运用格兰泰勒棱镜的分光性质，使得与反射光不同偏振的噪声被消除，也大大提高了信噪比。另外通过转动一个QWP就可以自由选择入射光的偏振方向，而不用考虑反射光的检测，也大大地方便了实验。

[0041] 本发明提供的偏振分辨的差分反射谱测量系统通过运用超连续白光与单色仪配合，得到了光束质量较好而且强度很大的，可以连续扫描波长的入射光，这对于提高信噪比很有帮助。

[0042] 本发明提供的偏振分辨的差分反射谱测量系统另一个特点就是杜瓦可以更换，通过选择普通液氮杜瓦，可以使得样品温度达到77K-300K。通过选用液氦杜瓦，可以使温度降到4.2K。并且在样品周围增加磁铁可以使样品处于磁场之中。

[0043] 作为一个实例，利用本系统测量了液氮温度下一块砷化镓样品的差分反射谱，由于不是铁磁性材料，不同偏振光的反射性质相同。首先利用单色仪分光之后的入射光调节光路。使得所有光学元件光轴基本位于一条直线上。并使得入射光照射在样品需要测量的区域。仔细调节杜瓦下面的手动三维平移台，旋转台以及俯仰台，使得反射光沿入射光光路返回。调节格兰泰勒棱镜(prism)位置以及四分之一波片(QWP)角度，使得入射光经过QWP之后成为圆偏振光。而反射光与入射光同光路，则反射光自动经过QWP之后，被prism反射，从而与原入射光光路在prism处分开，进入探测器。另一方面，打开激振器以及锁相放大器，调解样品位置使得噪声最小。转动单色仪光栅，扫描入射波长，就可以进行差分反射谱的测量了。锁相放大器读出的数据经过电脑收集处理，就可以得到偏振分辨的差分反射谱进而可以对样品能带结构以及磁性进行分析。得到的室温下差分反射光谱如图2所示。运用此套系统，样品表面微小的不均匀性所反映出能带信息都可以测量到。

[0044] 从上述实施例可以看出，本发明提供的偏振分辨的差分反射谱测量系统确实可以实现在不同温度下对样品的不同区域不均匀性进行测量，从而可以得到样品的能带结构与自旋性质。并且，本系统的实现和运行都是简便、低成本而拥有较高信噪比的，很适合作为自旋相关半导体材料能带及磁性分析系统，在实验室中推广使用。

[0045] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。