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1、(10)申请公布号 CN 103344574 A (43)申请公布日 2013.10.09 CN 103344574 A *CN103344574A* (21)申请号 201310262546.X (22)申请日 2013.06.27 G01N 21/25(2006.01) (71)申请人 南京邮电大学 地址 210003 江苏省南京市鼓楼区新模范马 路 66 号 (72)发明人 夏瑞东 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 叶连生 (54) 发明名称 有机薄膜光增益性能测试装置 (57) 摘要 本发明提供一种有机薄膜光增益性能测试 装置， 该测试装置包括在。
2、同一条光路上顺序设置 的脉冲激光器 （1） 、 光路开关 （2） 、 线偏振片 （3） 、 二分之一波片 （4） 、 第一反光镜 （5） 、 全波衰减片 （6） 、 通带滤波片 （7） 、 第二反光镜 （8） 、 变焦扩束 器 （9） 、 可调光圈 （10） 、 柱面凸透镜 （11a） 、 可调狭 缝 （12） 、 球面透镜(11b)、 9:1分束器 （13） 、 样品的 光照条形区域 （14） 、 第三反光镜 （15） ； 利用此装 置可以准确测量薄膜的自发辐射放大性能， 光增 益系数， 损耗系数， 偏振光谱变化及有机薄膜激光 的阈值、 效率等。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 。
3、说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103344574 A CN 103344574 A *CN103344574A* 1/1 页 2 1. 一种有机薄膜光增益性能测试装置， 其特征在于， 该测试装置包括在同一条光路上 顺序设置的脉冲激光器 （1） 、 光路开关 （2） 、 线偏振片 （3） 、 二分之一波片 （4） 、 第一反光镜 （5） 、 全波衰减片 （6） 、 通带滤波片 （7） 、 第二反光镜 （8） 、 变焦扩束器 （9） 、 可调光圈 （10） 、 柱 面凸透镜 。
4、（11a） 、 可调狭缝 （12） 、 球面透镜 (11b)、 9:1 分束器 （13） 、 样品的光照条形区域 （14） 、 第三反光镜 （15） ； 其中， 光路开关 （2） 的控制信号来自控制计算机 （23） ， 控制计算机 （23） 由显微镜照相机 （16） 采集第三反光镜 （15） 的信号， 由带有光纤探头 （19） 的光栅光谱 仪和 CCD 照相机 （20） 通过高通滤波片 （17） 和全波滤波片 （18） 采集样品的光照条形区域 （14） 的信号， 样品位于柱面凸透镜 （11a） 和球面透镜(11b)的公共焦点处 ； 由光功率计 （22） 通过光功率计探头 （21） 采集 9:1。
5、 分束器 （13） 的信号。 2. 如权利要求 1 所述的有机薄膜光增益性能测试装置， 其特征在于所述的柱面凸透镜 （11a） 焦距为 30cm, 球面透镜 (11b) 焦距为 15cm。 3. 如权利要求 1 所述的有机薄膜光增益性能测试装置， 其特征在于， 入射到样品上的 光强度是由选择全波衰减片 （6） 的衰减倍数控制的， 全波衰减片 (6) 是三组镶在可绕中心 轴旋转的支架上、 或镶在可沿 X 轴平移的支架上的不同衰减倍数的全波衰减片组合而成。 4. 如权利要求 1 所述的有机薄膜光增益性能测试装置， 其特征在于， 入射光路上设有 与所选入射光波长相匹配的通带滤波片 （7） ， 以确保。
6、入射光为单一波长 ； 为避免泵浦光信 号进入样品出光端的探测器或光谱仪， 在光谱仪探头 (19) 前设计有高通滤波片 (17)。 5. 如权利要求 1 所述的有机薄膜光增益性能测试装置， 其特征在于， 所述的全波滤波 片 （18） 有三组， 放置角度倾斜， 使在光路上各个反射面上多次反射的光束偏离主光路， 避免 多个光斑照射在样品上。 6. 如权利要求 1 所述的有机薄膜光增益性能测试装置， 其特征在于， 所述的柱面凸透 镜 （11a） 、 球面透镜 (11b)、 显微镜照相机 （16） 固定在 X, Y, Z 三维可调光具座上。 7. 如权利要求 1 所述的有机薄膜光增益性能测试装置， 其特。
7、征在于， 样品、 光谱仪的光 纤探头 （ 19 ） 要在 X, Y, Z 三维可调， 还要在水平面上可旋转。 8. 如权利要求 1 所述的有机薄膜光增益性能测试装置 , 其特征在于所述的线偏振片 （3） 、 二分之一波片 （4） 、 柱面凸透镜 （11a） 、 可调狭缝 （12） 、 球面透镜 (11b) 均可在 X 方向平 移 , 并绕 Y 轴旋转 , 从而可以根据测量需要移入和移出主光路。 权 利 要 求 书 CN 103344574 A 2 1/4 页 3 有机薄膜光增益性能测试装置 技术领域 0001 本发明属于有机、 聚合物发光性能测试仪器设计技术领域， 是特别设计的有机、 聚 合物。
8、薄膜激光材料和器件的光增益性能测试光路设计。 背景技术 0002 聚合物半导体发光器件具有制作工艺简单、 可大面积加工、 并可以用 ink-jet 技 术制作在可弯曲的柔性基片上。而且， 有机发光材料的发射光谱范围宽， 在 400-700 纳米的 可见光范围内的有机光泵浦激光器均有报道， 而用 (poly(methylmethacrylate), (PMMA) 制作的塑料光纤， 其低损耗窗口恰在520-580纳米和650纳米波段。 因此， 开发低制作成本、 高效、 高稳定性有机半导体激光器件， 作为新一代光通讯光源， 已成为信息通讯领域主要研 究目标之一。 0003 有机半导体在光电子器件领域。
9、的一个重要挑战就是开发电泵浦有机半导体受激 发射器件。材料光增益性能、 光泵浦条件下有机激光器件性能的实验测试是研究探索电泵 浦有机激光的关键步骤。为设计开发一系列优异稳定性、 高荧光量子产率的有机发光半导 体 ； 筛选出具有优异耐热性能、 低泵浦阈值的激光增益半导体材料体系 ； 深入探讨不同材 料化学组成、 分子结构及器件结构与有机发光半导体的光吸收损失、 激光增益、 激光泵浦性 能之间的相互作用机制和影响规律， 需要对材料的自发辐射放大性能、 光增益波长范围、 增 益系数、 损耗系数、 光泵浦条件下各种结构有机激光器件的激光阈值、 出光波长、 量子效率 进行全面的实验测试与表征。 0004。
10、 在过去的 10 多年里有机半导体激光器受到了广泛的关注和研究， 有机半导体激 光材料已有了长足的发展， 目前为止已经有许多化合物被证明拥有光增益的特点， 包括芴 基的聚合物， 聚对苯撑乙烯和聚对苯撑乙炔， 寡聚噻吩， 星树形大分子以及各种各样的小分 子化合物。这些光增益材料的特点是吸收光谱和发射光谱都相对较宽， 激光光谱几乎覆盖 了近紫外、 可见及近红外的整个波段， 不同材料的激光性能、 光增益稳定性等也是千差万 别， 要在同一个实验装置上对多种材料的光增益性能实现全面表征， 增加了光路设计的难 度。 光路设计上要力求测量时光路调节简单方便， 只需变换少数光学元件， 且不改变系统的 共轴性，。
11、 就能对不同性能参数进行测量。 同时还要克服泵浦光源不稳定、 各个光学平面对入 射光反射形成的多个光斑同时到达样品、 入射光二级谱等因素对光谱测量的影响及产生的 误差。 发明内容 0005 技术问题 ： 本发明的目的是提供一种有机薄膜光增益性能测试装置 , 利用此光 路可以准确测量薄膜的自发辐射放大性能， 光谱变化、 光增益系数， 损耗系数， 偏振光谱变 化、 激光阈值、 斜率效率、 激光光谱等多种有机激光薄膜的性能。本光路设计力求解决同类 测量中普遍存在的泵浦光源不稳定造成的测量误差 ； 各个光学反射面对入射光多次反射后 在样品上形成多个光斑 ； 改变入射光偏振方向时造成光强损耗 50% ；。
12、 在测量不同光学性能 说 明 书 CN 103344574 A 3 2/4 页 4 时要重新搭建光路、 进行复杂耗时的准直调节等多项技术问题。 0006 技术方案 ： 本发明提供的光路设计利用线偏振片与波片结合 , 调整照在样品上 的激光光束的偏振方向， 却不会减小光强度。 激光泵浦光源是振动方向确定的偏振光， 但在 研究中有时需要对比两种相互垂直的偏振光泵浦下样品增益性能的变化， 线偏振片的作用 是将光源的偏振方向调整到需要的位置， 然后用二分之一波片使其偏振方向改变 90 ， 线偏 振片与二分之一波片都可以在不用时沿 X 方向平移离开光路。光路设计中是利用全波衰减 片改变入射到样品上的光强。
13、的， 但光斑在全波衰减片上反射会形成多个光斑， 为避免多个 光斑射向样品， 三组全波衰减片均没有垂直光轴放置， 且不能相互平行， 而是相互有一定角 度倾斜， 使在光路上各个反射面上多次反射的光束偏离主光路。 通常情况下， 泵浦激光器产 生的单模输出光斑较小， 为此， 光路中还设计了利用共焦透镜组合实现对原始激光光斑扩 束， 再用可变光圈实现对入射光斑尺寸的连续调节。在研究材料光增益， 即 ASE 现象时， 需 要在样品上形成一个矩形泵浦区， 本光路利用柱面透镜聚焦实现样品上的条形泵浦区域， 与可调节狭缝一起控制样品上的条形区域宽度。为克服泵浦光源不稳定产生的测量误差， 光路设计中用光分束元件将。
14、 10% 的入射光分出主光路， 用功率计监测射到样品上的实际光 强。 本发明还将显微照相机置于样品后部， 可以拍摄薄膜受光泵浦时的表面形貌， 选择泵浦 区域和测量区域大小。光路中狭缝固定在 X 轴方向可调光具座上、 显微照相机镜头固定在 X, Y, Z 三维可调光具座上。样品、 光谱仪光纤探头要在 X, Y, Z 三维可调 , 还要在水平 面上可旋转。柱面透镜、 可调狭缝、 球面透镜、 线偏振片、 二分之一波片均可在 X 方向平移 , 并可绕竖直轴旋转 90o。这样设计是为使各元件在不需要时可以沿 X 轴平移， 再绕竖直轴旋 转后离开光路， 而在需要时则可按反方向旋转后， 平移进入光路。具体结。
15、构如下 ： 本发明的有机薄膜光增益性能测试装置包括在同一条光路上顺序设置的脉冲激光器、 光路开关、 线偏振片、 二分之一波片、 第一反光镜、 全波衰减片、 通带滤波片、 第二反光镜、 变 焦扩束器、 可调光圈、 柱面凸透镜、 可调狭缝、 球面透镜、 9:1 分束器、 样品的光照条形区域、 第三反光镜 ； 其中， 光路开关的控制信号来自控制计算机， 控制计算机由显微镜照相机采集 第三反光镜的信号， 由光栅光谱仪和 CCD 照相机通过高通滤波片和全波滤波片采集样品的 光照条形区域的信号， 样品位于柱面凸透镜和球面透镜的公共焦点处 ； 由光功率计通过光 功率计探头采集 9:1 分束器的信号。 000。
16、7 所述的柱面凸透镜焦距为 30cm, 球面透镜焦距为 15cm。 0008 入射到样品上的光强度是由选择全波衰减片的衰减倍数控制的， 全波衰减片是三 组镶在可绕中心轴旋转的支架上、 或镶在可沿 X 轴平移的支架上的不同衰减倍数的全波衰 减片组合而成。 0009 入射光路上设有与所选入射光波长相匹配的通带滤波片， 以确保入射光为单一波 长 ； 为避免泵浦光信号进入样品出光端的探测器或光谱仪， 在光谱仪探头前设计有高通滤 波片。 0010 所述的全波滤波片有三组， 放置角度倾斜， 使在光路上各个反射面上多次反射的 光束偏离主光路， 避免多个光斑照射在样品上。 0011 所述的柱面凸透镜、 球面透。
17、镜、 显微镜照相机固定在 X, Y, Z 三维可调光具座上。 0012 样品、 光谱仪光纤探头要在 X, Y, Z 三维可调， 还要在水平面上可旋转。 0013 所述的线偏振片、 二分之一波片、 柱面凸透镜、 可调狭缝、 球面透镜均可在 X 方向 说 明 书 CN 103344574 A 4 3/4 页 5 平移 , 并绕 Y 轴旋转 , 从而可以根据测量需要移入和移出主光路。 0014 此光路设计利用线偏振片与二分之一波片结合 , 调整照在样品上的激光光束的 偏振方向， 但不改变照在样品上的光强度。 0015 利用共焦透镜组合实现对原始激光光斑扩束， 再用可变光圈实现对入射光斑尺寸 的连续调。
18、节。 0016 利用柱面透镜聚焦实现样品上的条形泵浦区域， 与可调节狭缝一起控制样品上的 条形区域宽度。 0017 用光分束原件将 10% 的入射光分出主光路， 用功率计监测， 克服了泵浦光源不稳 定产生的信号强度变化。光分束元件位于球面透镜与样品之间。 0018 有益效果 ： 采用本发明可以简便快捷地调整光路， 实现对有机激光薄膜材料光增 益相关的各种性能的实验研究， 从而为该领域研究提供新的可靠的实验光路设计方法。 附图说明 0019 图 1 是本发明的光路设计示意图， 虚线代表光线行进方向。 0020 图 2 圆形全波衰减片及滤波片支架示意图。 0021 图 3 条形全波衰减片及滤波片支。
19、架示意图。 0022 以上的图中有 ： 脉冲激光器 1、 光路开关 2、 线偏振片 3、 二分之一波片 4、 第一反光 镜 5、 全波衰减片 6、 通带滤波片 7、 第二反光镜 8、 变焦扩束器 9、 可调光圈 10、 柱面凸透镜 11a、 可调狭缝 12、 球面透镜 11b、 9:1 分束器 13、 样品的光照条形区域 14、 第三反光镜 15、 显 微镜照相机 16、 高通滤波片 17、 全波滤波片 18、 光纤探头 19、 光栅光谱仪和 CCD 照相机 20、 光功率计探头 21、 光功率计 22、 控制计算机 23。 具体实施方式 0023 根据样品的吸收光谱选择泵浦光源波长， 再由此。
20、波长确定低通滤波片的截止波 长， 由样品的荧光谱范围确定高通滤波片的截止波长， 以保证光谱仪能采集到样品的完整 光谱， 而泵浦激光的强光被截止。将光路开关 （挡光板） 、 线偏振片、 反射镜、 扩束器、 可变光 圈 （打开一毫米孔径， 以便调节光路） 、 柱面透镜， 可变狭缝 ( 同样， 只开一毫米宽 ) 放入光 路， 打开光路开关， 对系统进行准直调节， 使所有元件中心共轴。将全波衰减片、 滤光片、 分 束器放入光路， 其中分束器与狭缝平面呈45 o， 全波衰减片、 滤光片平面相互倾斜， 三组全波 衰减片组合成需要的衰减指数， 为避免强光照射造成样品光退化， 一般从高倍衰减片、 即弱 光强开。
21、始， 逐渐减少衰减片， 使光强增加。将样品放在柱面透镜焦距处， 使光斑照在待测区 域， 将光功率计、 光谱仪探头、 显微镜照相机镜头放入光路中相应位置， 打开可变光圈、 可调 狭缝， 借助显微镜照相机观察射在样品上光斑的位置、 形状、 大小， 对系统进一步微调， 同时 调节光纤探头， 使之接收到样品的荧光信号。 0024 在测量样品 ASE 性能时， 样品上的光照区域为条形， 光谱仪光纤探头从样品侧面 接收样品的发光谱， 观察谱线随入射光强增加而窄化的过程， 用功率计测出由分束器分出 的光强， 进而推算出入射到样品的光强。 0025 在测量薄膜激光器的阈值、 效率等参数时， 为避免样品的激光信。
22、号与入射光斑重 叠， 需将样品平面略倾斜， 所以要求样品不仅能在X、 Y、 Z三个方向可调， 还要能绕Z轴旋转。 说 明 书 CN 103344574 A 5 4/4 页 6 为寻找样品的激光信号， 光谱仪光纤探头也要随之转动。样品上的入射光强同样是由用功 率计测出分束器分出的光强， 进而推算出。 0026 实施例 1 用本发明设计的光路测量薄膜材料 ASE 性能与泵浦光源偏振方向的关系 ： 按图 1 将元 件放入光路， 使线偏振片旋转到所需的方向， 不断减小全波衰减片， 使泵浦光强由弱到强， 测量记录样品光谱随入射光强变化， 确定 ASE 阈值， 然后将二分之一波片放入光路， 使入射 光的偏。
23、振方向改变 90 o， 保持光路上其它元件不变， 重复上述测量。 0027 实施例 2 用本发明设计的光路测量薄膜材料的损耗系数 ： 按图 1 设计光路， 此测量无需线偏振 片和二分之一波片， 因此可以将这两个元件移出光路。 在特定入射光强下， 将可调狭缝宽度 固定， 光谱仪探头位置固定， 调节样品， 使矩形光斑的一个边缘恰在样品边缘， 记录样品 ASE 信号强度及光谱， 然后移动样品， 使矩形光斑边缘向样品内移动如 0.1 毫米， 再次记录样品 ASE 信号强度及光谱， 继续使矩形光斑边缘向样品内移动同样距离， 即 0.1 毫米， 记录样品 ASE 信号强度及光谱， 如此重复测量， 便可得到一组 ASE 信号强度及光谱与移动距离的关系 曲线， 对此曲线做指数拟合， 便可得到样品的光损耗系数。 说 明 书 CN 103344574 A 6 1/1 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103344574 A 7 。