光譜的應用

熒光的應用案例

PG2000-Pro 背照式光譜儀 ｜太陽輻照度測量

背景：輻照度是衡量某個與光源有特定距離的虛擬表面上的光通量密度。測量必須包含各個方向各個角度上的光輻射。光譜輻照度是描述輻照度按波長分布的函數(shù)。在太陽能發(fā)電、生物燃料的日光發(fā)酵、日光消毒、氣候研究、溫室農(nóng)業(yè)、太陽能模擬器檢測、大氣檢測等科學領域，日光輻射測量非常重要。

上圖表示的是日光的輻照光譜圖。圖中黑色部分是5250+273℃ = 5523K 黑體輻射的光譜輻照度在各個波段的吸收強度。紅色表示海平面吸收的光譜輻照強度在各個波段的大小強弱。黃色表示太陽光在最上層大氣的光譜輻照強度在各個波段的大小強弱。

設備配置：

光譜儀PG2000-Pro(300~1100nm)、NIR1700(900~1700nm)

光源#1號標準光源(帶計量院定標參數(shù))

光纖FIB-600-NIR

配件余弦校正器衰減器

測試步驟：參照標準光源，讀取光譜數(shù)據(jù)，計算得到光譜儀的輻照度定標參數(shù)。打開Morpho 軟件，將輻照度定標參數(shù)導入 Irradiance 模塊，進入輻照度測量模式，測量日光輻射參數(shù)，并作分析。若只需要可見光部分日光輻射量的分析，PG2000-Pro 足矣。若需要可見到紅外的日光輻射量分析，則需要 PG2000-Pro 和 NIR1700 的拼譜來實現(xiàn)可見到紅外的波段覆蓋。注：輻照度是光源特定距離表面上的光通量密度，而輻射率是用來測量擴展光源在單位立體角上發(fā)射的光通量密度。測量輻照度通常需要采用余弦校正器。

上述兩幅圖分別表示2015年6月15日下午日光在可見光波段的輻照光譜圖和日光在可見-紅外波段的輻照光譜圖。總結在太陽能領域中，由于要對地面上不同的區(qū)域所接收到的輻射量進行檢測，光譜輻照度的測量變得十分重要，在諸如太陽能發(fā)電、大氣監(jiān)測、溫室農(nóng)業(yè)、太陽能模擬器等行業(yè)中，輻照度法進行日光輻射測量具有重大的意義。復享輻照度光譜儀系統(tǒng)能實現(xiàn)寬譜段范圍內（理論上300~2500nm）監(jiān)測日光輻射率數(shù)據(jù)。

吸收的應用案例

NIR2500 在黑硅光電探測器研究中的應用

2016 年 7 月，一篇發(fā)表于 Nanoscale Research Letters，題為《The Enhanced Light Absorptance and Device

Application of Nanostructured Black Silicon Fabricated by Metal-assisted Chemical Etching》的文章報道了一種金屬輔助化學刻蝕（Metal-assisted Chemical Etching，MCE）方法形成的納米結構黑硅探測器。

黑硅對光的高吸收性質是人們對硅基紅外探測器研究的基礎。作者利用MCE 的方法來制備黑硅，然后利用黑硅制造 Si-PIN 光電探測器（圖1），并研究其性能。這種光電探測器展現(xiàn)了比較高了響應（0.57A/W@1064nm, 0.37A/W@1100nm）及較強的寬譜段吸收能力（400~2500nm, 95%）。證實了由 MCE 制造的納米結構黑硅在近紅外光電探測器上具有潛在的應用前景。

【樣品& 測試】文章中，作者使用 SEM 觀察了樣品在不同刻蝕時間下的形貌，圖2a 為利用 MCE 方法刻蝕 15min（左圖）及 60min （右圖）時的黑硅納米陣列的 SEM 圖。刻蝕后，硅襯底上會覆蓋垂直的納米錐狀陣列。通過不同的沉積和刻蝕時間可以很好的控制硅納米陣列的形態(tài)。刻蝕 60min 時，納米錐狀結構顯示了比較理想的長寬比，直徑和長度約為 100nm 和2.5μm。

文中樣品的光學特性是通過復享光學的反射/吸收光譜測量系統(tǒng) 測得。由于樣品表面高低不平的硅納米陣列，其對于光的反射明顯受到抑制（圖2b），納米結構的 C-Si 的反射率明顯低于普通的 C-Si 的反射率，且刻蝕時間越長，反射率越低。此外，與普通的 C-Si 相比，納米結構的 C-Si 顯著增強了 400~2500nm 波長范圍內的光吸收，尤其在近紅外波段（圖2c）。刻蝕 60min 的樣品具有最高的吸收率，在 NIR 波段（800~2500nm）最高可達 95%，平均吸收率（400~2500nm）達到 91%。這種在 400~2500nm 波長范圍內的高吸收率主要來自于硅納米錐陣列中光的多重反射，增加了光的路徑和光子的捕獲率。

對于探測器的響應特性，則是使用電學手段測量獲得的。將基于黑硅制造的Si-PIN 光電探測器與其他兩個探測器進行比較（濱松的 S1336-44BK 和文獻報道的同等探測器）。結果表明，基于上述方法制造的 Si-PIN 光電探測器顯著提高響應率，且響應峰值約有 80nm 的紅移，在近紅外波段，響應達到了 0.57A/W@1064nm、0.37A/W@1100nm。

文章報道了一種基于金屬輔助化學刻蝕方法的納米結構黑硅光電探測器的制備方案，并對其性能進行驗證。實驗證實，這種方案制造的黑硅光電探測器展示了優(yōu)良的設備性能，響應率可達0.57A/W@1064nm 及 0.37A/W@1100nm，最大光學吸收可達 95%（800~2500nm），平均光學吸收可達 91%（400~2500nm）。上述方案是對光學工程中硅材料性能的基礎研究，為實現(xiàn)硅材料的高吸收和寬譜段響應、黑硅光電探測器及其他新型器件提供了一個可行的策略。