MOCVD原位红外测温方法的比较研究

MOCVD原位红外测温方法主要有单色辐射测温法与双波长比色测温法。利用薄膜等厚干涉模型与Kirchhoff定律计算了Si (111)衬底生长10 m GaN外延片的940 nm、1 550 nm光谱发射率,以Thomas Swan CSS MOCVD为例,比较了500 ℃至1 300 ℃范围内,940 nm单色辐射测温法、1 550 nm单色辐射测温法、940 nm与1 550 nm双波长比色测温法的相对误差和相对灵敏度,以及单色辐射测温法与双波长比色测温法的校准修正,并利用940 nm与1 550 nm双波长比色测温法在线监测了Si (111)衬底生长InGaN/GaN MQW 结构LED外延片过程中的温度。研究表明:940 nm与1 550 nm双波长比色测温法在相对误差及有效探测孔径修正校准上优于940 nm单色辐射测温法和1 550 nm单色辐射测温法,该结论可为MOCVD原位红外测温设备开发提供参考。     

一种用于MOCVD石墨盘的红外测温装置

根据MOCVD (metal organic chemical vapor deposition)在线红外测温的发展需要,结合Thomas Swan CCS MOCVD反应室的结构特征,考虑加热比调节空烧过程的特定条件,设计了一种能够在线监测MOCVD石墨盘上表面温度及径向19个点温度分布的简易940 nm红外测温装置。通过安装于光学视窗上方的红外探头,探测高温石墨盘及外延片的红外辐射强度,根据Planck黑体辐射公式及光谱发射率修正进行测温。红外测温装置主要由可读数轨道、红外探头、连接板以及精密平移台4部分组成。将该装置应用于MOCVD Si(111)衬底上制备InGaN/GaN多量子阱(MQW)结构外延片加热程序的空烧过程,结果表明:最低能够测量的温度为430℃,700℃~850℃测量误差在2.3℃内,900℃~1 100℃测量误差在1℃内,700℃~1 100℃范围内,重复性均在0.6℃内,无需反射率修正、探孔有效面积校准;能稳定工作。     

一种应用于MOCVD的3波长在线红外测温方法

根据金属有机物化学气相沉积(MOCVD)在线红外测温的发展需要,提出一种3波长免探测孔有效面积校准和反射率修正的测温方法。给出了探测1 300 nm、1 150 nm、940 nm 3波长的在线测温探头设计方案和光路图,将该探头应用于THOMAS SWAN CCS MOCVD 5.08 cm (2英寸)Si(111)衬底上生长10 μm GaN外延层的在线测温。测量结果表明:在700 ℃~1 100 ℃范围内,探头多次测量的重复性误差在1.0 ℃内,在950 ℃~1 100 ℃范围内,以EpiTT红外测温仪为参考,探头测温精度在1 ℃内,距离容差性为2 mm。该探头应用于我国自主研发的MOCVD 5.08 cm Si(111)衬底上生长InGaN/GaN MQW结构蓝光LED外延片,可得最低测温量程为435 ℃,n-GaN生长过程中测量噪声为0.75℃。结果分析表明:该3波长免修正在线红外测温法对于高质量单层薄膜外延生长具有一定可行性,对于多层复杂结构外延生长需要进一步改进。     

红外双色复合仿真系统测温技术研究

为了模拟红外制导时目标和干扰的等效辐射环境,并比较单色测温和比色测温两种方法在复杂环境下目标测温效果的差异,利用红外双色复合仿真系统对空间6 km处目标和干扰弹进行了实物模拟.通过准确标定的热像仪,采用单色和比色测温两种方法对不同温度的目标和干扰进行测试.利用经标定的中波热像仪和长波热像仪对黑体测温,黑体温度为(20~60)℃时,长波热像仪的绝对误差限为0.5 ℃;黑体温度为(50~120) ℃时,中波热像仪的绝对误差限为0.2 ℃.当目标温度为500 ℃、干扰温度为1 000 ℃时,用长波红外、中波红外、比色方法测得的目标温度分别为28.5 ℃、148.3 ℃、322.4 ℃,干扰温度分别为56.7 ℃、223.2 ℃、660.1 ℃.实验结果表明,在复杂环境下采用比色测温方法更能真实反映目标的温度特性.     

Cu膜的光学特性尺寸效应及最小连续膜厚研究

采用离子束溅射在K9玻璃基底上沉积了不同厚度的Cu膜,利用Lambda-900分光光度计,测量了波长为310 nm到1300 nm范围内Cu膜的反射率和透射率.选定波长为310、350、400、430、550、632、800、1200 nm时对薄膜的反射率、透射率和吸收率随膜厚变化的关系进行研究.同时,对Cu膜的光学常量也进行了讨论.结果显示,Cu膜的光学特性都有明显的尺寸效应.将波长为550 nm时的反射率和透射率随Cu膜厚度变化关系的交点对应厚度作为特征厚度, 该厚度可认为是金属Cu膜生长从不连续膜进入连续膜的最小连续膜厚.根据这一特征判据,离子束溅射沉积Cu膜样品的最小连续膜厚为33 nm.利用原子力显微镜观测了膜厚在特征厚度附近时Cu膜的表面形貌.     

温度变化对金属Ag膜反射镜偏振特性的影响研究

空间遥感应用中的光学有效载荷对系统偏振控制提出了越来越高的要求,作为常用的宽光谱反射镜,金属银(Ag)膜反射镜的偏振特性随着环境温度的改变而变化。本文设计并制备了低偏振灵敏度的Ag膜反射镜,研究了反射镜在45°和60°入射角下,从室温25℃升温到150℃时的偏振特性变化和反射光谱变化情况。随着温度的升高,Ag膜的折射率在350~1 200 nm波长范围内有所增加;Ag膜反射镜的反射光中s和p光的相位差Δ在350~600 nm波长范围内减小,在600~650 nm波长范围内基本稳定,在650~1 200 nm波长范围内增大。温度上升到125℃时,Ag膜和反射镜表面形貌发生改变,增加了表面散射和吸收,导致350~900 nm波段反射率降低,在波长350 nm附近的降低约25%。     

一种被动式单波长实时测温系统的优化设计

基于Kirchhoff定律,利用一面反射镜,设计了一种可同时测量发射率及温度的单波长实时测温系统.从系统的测温灵敏度、相对测温灵敏度、探测器的温度分辨力及系统的测温标准差与波长的关系出发,并结合大气对红外辐射的透射特性,优化了系统的工作波长; 从系统的抗反射辐射能力与波长带宽的关系出发,并结合探测器的最小可探测光功率要求,优化了系统的波长带宽.实验结果表明,当λ=0.80 μm、Δλ=20 nm时,在测温范围600~2 500℃内,系统的测温不确定度优于0.3%.     

基于传输矩阵法的多层介质膜反射特性研究

薄膜干涉是大学物理波动光学教学的重要内容,也是薄膜光学的理论基础.薄膜干涉的一个重要应用是用于设计减反膜和高反膜.本文基于传输矩阵法,定量计算了多层介质膜的反射率.以BK7玻璃为例,无镀膜时在可见光范围内,其反射率约为4%.利用薄膜的相消干涉可以减少表面的反射率.镀一层减反膜时,对设计波长550 nm其反射率下降为1.3%,一旦偏离设计波长减反效果变差;镀两层减反膜时,在470 nm～670 nm范围内,减反效果明显改善,反射率均低于1.3%.利用薄膜的相长干涉可以增加表面的反射率.以熔石英为例,镀一层薄膜时,对设计波长1500 nm其反射率可由未镀膜时的3.3%提高到30%;镀七组薄膜时在1360 nm～1660 nm范围内其反射率均可达99%以上.通过这些定量计算,让学生更加深刻地理解所学理论知识在实际中的应用,培养工程意识,提高学习兴趣.     

双波长高精度红外测温仪

利用双波长红外测温方法,通过黑体红外辐射曲线中双波长等比吸收的原理消除了由于辐射环境中水蒸气等外界吸收原因造成的单波长红外测温仪中的测量误差,实现更稳定的高精度红外测温.该方法绕开了传统红外测温方法中"辐射率修正困难"的问题.同时利用此红外测温仪器改进了金属钨电子逸出功测量实验.     

卫星激光通信滤光膜的研制

为满足卫星激光通信中超高速数据传输的特殊要求,采用电子束和离子辅助沉积技术,制备了532nm、632nm和1 064nm波长处高反射,808nm和1 550nm处高透射的多波段滤光膜.选取了H4和SiO2作为高低折射率材料,通过对膜系设计曲线的不断优化,减少了灵敏层的个数,得到了相对易于制备的膜系结构;采用电子束加热蒸发方法并加以离子辅助沉积系统制备薄膜,采用光控与晶控同时监控的方法控制膜厚;通过不断调整工艺,提高了薄膜的抗激光损伤能力,减小了膜厚控制误差,提高了透射波段的透过率及反射波段的反射率,最终得到了光谱性能较好的滤光膜.该薄膜能够承受雨淋、盐雾、高低温等环境测试,满足使用要求.     

基于有限立体角测量的多光谱测温

辐射测温以Planck定律为基础通过测量物体表面的发射辐射来反演温度。推导了有限立体角辐射测量条件下的单色测温方程,发现多光谱辐射测温能够实现温度和光谱发射率同时求解通常需满足特定的辐射测量条件：进行微元立体角辐射测量或仅针对漫发射体的有限立体角辐射测量。引入多项式发射率模型,经过数学转化,可以摆脱以上测量限制,得到具有测量普适性的单色测温方程,但却不一定能同时测量光谱发射率。对测温方程组的多解问题进行了初步研究,提出使测量通道数大于待求变量数及采用非线性最小二乘来解决此问题。     

砷化镓光电阴极光谱响应与吸收率关系分析

为了研究砷化镓(GaAs)光电阴极光谱响应与吸收率曲线间的关系,采用分子束外延法(MBE)和金属有机化合物化学气相沉积法(MOCVD)制备了两类GaAs光电阴极,并测试得到了样品吸收率和光谱响应实验曲线.对每个样品的这两条曲线在同一坐标系中做最大值归一化处理,将归一的光谱响应曲线与归一的吸收率曲线做除法,得到了类似光电阴极表面势垒的形状.结果表明,两种方法制备的光电阴极光谱响应曲线相比吸收率曲线都发生了红移,MBE样品偏移量稍大于MOCVD样品.短波吸收率不截止,光谱响应截止于500 nm左右;可见光波段上,光谱响应曲线的峰值位置相比吸收率曲线红移了几百meV;近红外区域,光谱响应曲线的截止位置相比吸收率曲线红移了几个meV.MOCVD样品中杂质对带隙的影响更小,光谱响应相比吸收率发生的能量偏移更小.这些结论对提高GaAs光电阴极光电发射性能有指导意义.     

非漫发射体温度测量原理

辐射测温以Planck定律为基础可以在不同的空间位置测量物体表面的发射辐射来反演温度,以实现物体表面温度的非接触测量,具有重要现实意义。Planck定律确立了光谱辐射强度与黑体温度之间的定量关系,然而在辐射测温理论和实践研究中,实际物体表面光谱发射率的复杂性和未知性成为辐射温度精确测量的主要障碍。基于特定的发射率模型,可以在未知晓物体表面发射率的条件下实现物体温度的非接触测量,但此时难于考虑被测物体的非漫发射特征。为了在有限立体角辐射测量条件下实现非漫发射体温度测量,研究中直接从辐射测量方程出发,经过适当数学转化后,提出了辐射测温中的一个新概念一表观发射率,并对其特征进行了分析,结果表明在对非漫发射体进行温度测量时在同一次测量中,表观发射率虽然形式上很复杂但仅是波长的函数,可以直接针对波长进行模型构建,进而可以在有限立体角辐射测量条件下实现非漫发射体温度的封闭求解,进而给出了有限立体角辐射测量条件下非漫发射体的波长和波段测量方程。同时,还对有限面积条件下的温度测量进行了研究,发现如果具有非漫发射特征有限面积上的温度处处相同,基于表观发射率的构建也可以实现温度的封闭求解。     

基于SPR的类铬型金属膜厚在线纳米测量研究

当具有足够大发散角的柱面光照射在匀厚金属薄膜表面时,由表面等离子体振荡产生的光反射率角分布是膜厚的函数,用CCD接收反射光分布信息并经过计算机分析处理,可实时、在线测量10nm内的铬、钛等金属膜厚,这类金属的复介电常数的实部相对虚部是较小的负数,故具有强反射锐峰及较平坦的吸收峰,该两峰点可作为膜厚测量依据的特征标记点,并通过建库进行曲线匹配而获得膜厚数值。实验结果表明,该方法的平均测量误差可低于0.4nm。     

人眼安全激光测距与红外成像滤光膜的研制

从人眼安全的角度,设计并制备了对1 064 nm激光抑制并可用于1 550 nm激光测距以及3 m～5 m波段红外成像的滤光膜。选用ZnS、YbF3作为膜料组合、多光谱ZnS作为基底,利用薄膜设计软件对薄膜进行了优化设计。膜系设计通过合理的厚度控制和膜层安排,来增强薄膜的机械强度。滤光膜的制备采用了电子束沉积技术,通过离子辅助沉积和真空退火处理技术,进一步提高滤光膜的牢固性。光谱测试表明:在1 064 nm处的透射率仅为0.5%,1 550 nm处的透过率为99.3%,3 m～5 m波段的平均透过率大于96%,经分析YbF3的折射率在薄膜沉积过程中有所提高,但是对光谱曲线影响不大;可靠性测试表明:滤光膜能够耐受恶劣的环境考验,满足使用要求。     

数字图像技术的数字滤光方法在图像测温中的应用

针对在比色测温法中由CCD光谱响应带宽引起的误差,提出了数字滤光的误差校正方法。该方法利用数字图像技术将光谱曲线离散化,采用离散化数据模型展开比色测温计算,在540±10nm绿光段和640±10nm红光段分别加入数字滤光算法,测温误差与外光路搭载滤光片效果接近。该方法简单实用,精度较高,在无外置滤光光路情况下实现了彩色CCD摄像设备的辐射测温,可为图像测温产品的便携性和适用化带来便利。