热点应用丨傅里叶变换光致发光技术（FT-PL）在中红外发光材料测试中的应用

中红外发光材料

中红外光致发光（MIR PL）光谱仪（使用激光或其他光源）被广泛应用于半导体和中红外发光材料的表征。MIR光谱范围有一些不同的界定，在实践中，中红外光致发光的研究多集中在2μm~25μm。

主要有两种实验方式来测量PL光谱：色散和非色散。色散仪器在检测器之前，将光色散成单一的波长，通常使用带有衍射光栅的单色仪。PL光谱仪在可见光范围内大都采用这种方式。

非色散仪器的核心是干涉仪而不是单色仪，通常是由傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪升级的PL光谱仪，或傅里叶变换光致发光（FT-PL）光谱仪。干涉仪通过创建和分析两束光之间的干涉图样，一次记录整个光谱。图1说明了色散和非色散PL光谱仪之间的区别。

图1：色散型（基于单色仪）和非色散型（基于干涉仪）PL光谱仪的示意图

大多数PL应用涉及检测可见光，PL光谱仪通常是色散型的（单色仪为基础）仪器。当在MIR范围测量PL时，通常将现有的PL光谱仪与红外检测器和光栅相适应。在这个范围内，FT-PL可以提供更高灵敏度的测试结果，这得益于一系列仪器优势：

1.多重传输优势

非色散型的FT-PL光谱仪，一次收集全部光谱。这种同时检测，降低了噪声(检测器显示高斯噪声(所有红外模拟检测器))，提高了信噪比（SNR）。

2.通量优势

色散型仪器配置狭缝，狭缝的宽度决定仪器的光谱分辨率。不能通过狭缝的光会丢失，从而降低了信噪比。在FT-PL仪器中，分辨率由干涉仪的相对移动长度控制。为了确保光线完全准直，利用Jacquinot孔来决定光斑的大小。这个孔径是圆形的，因此光通量更高，信噪比也更高。

3. 波数优势

FT-PL光谱仪以厘米为单位记录干涉图，傅里叶变换的结果，是一个以厘米倒数(cm-1)为单位的光谱，使用固定的数值（单位为cm-1）记录光谱单元。相比之下，色散仪器直接以波长单位(nm)记录光谱，使用固定的数值（单位为nm）记录光谱单元。固定的Δλ意味着，当扫描到较长波长时，检测到的能量会逐渐变小，信号变弱。

上述优点解释了为什么当测量MIR的PL时，傅里叶变换比色散仪器更受青睐。然而，当前市面上的一些FT-PL光谱仪复杂且昂贵。本文使用FTIR光谱仪(爱丁堡仪器公司IR5)的FT-PL系统，测量MIR光致发光。

01 实验配置

含铒固体样品用爱丁堡傅里叶变换红外光谱仪IR5进行测量，如图2i。FT-PL升级包括一个激光光源和转向光学系统，以及一个专用的光致发光样品支架(图2ii)，和第二检测器（可选）。样品通过2W 980nm激光激发，FT-PL使用液氮冷却InSb检测器检测。在激光关闭的情况下获得光谱，并从原始数据中扣除热背景效应。

图2：FT-PL配置的爱丁堡IR5光谱仪(i)；显示激发和发射光束路径的光致发光样品架示意图(ii)

为了进行比较，同一样品的中红外光致发光测试，在配备相同激光光源和InSb检测器的扫描单色仪上进行。

02 测试结果

在IR5中获得的样品FT-PL图谱如图3所示。数据采集使用0.5cm-1的光谱分辨率，平均40个连续光谱信号，获得高信噪比。总采集时间为4分钟。

图3：使用IR5测试得到的铒材料红外光致发光谱图

图4展示了使用色散型PL光谱仪获得的同一样品的中红外PL谱图。图3和图4都显示了未校正的光谱，即数据未校正由于特定波长下的InSb检测器灵敏度或光谱仪组件的吸收带来的光谱变化。可以清楚地看到，图4中的色散型PL光谱仪偏向于较低的波长(详见简介中的波数优势)，在中红外区，信噪比低。图4中光谱的采集时间明显较高，为45分钟。

图4：使用色散型PL光谱仪测试得到的铒材料红外光致发光谱图

此测试中，色散型PL光谱仪设置发射侧带宽为5nm，步长为1nm，铒材料样品中的一些较窄发射信号不能被很好地分辨。相比之下，IR5数据提供了更好的光谱分辨率和更高的数据（信号）密度，如图5所示。

图5：PL光谱的对比（IR5（绿色）和色散型PL光谱仪（红色）

03 结 论

傅里叶变换红外光谱仪IR5的FT-PL测试，仅使用色散型PL光谱仪所用时间的一小部分，就可以得到高质量的MIR光致发光数据。除了显著地节约测试时间，将样品暴露在激发激光下较短的时间，可以极大地减少样品的光损伤，以及中红外光致发光中经常遇到的热背景干扰。