圖 1：使用 LDTLS 進行鉆石檢測的示意圖

由 Energetiq 的激光驅動光源 (LDLS ? ) 驅動的寬帶激光驅動可調諧光源 (LDTLS ? ) 被提議用于鉆石檢測應用。給出了系統(tǒng)性能的實驗結果和鉆石樣品檢測的總結。

介紹

金剛石是一種超寬帶隙半導體，以其眾多卓越品質而聞名，包括已知材料中比較高的導熱率、高擊穿電壓、高載流子遷移率(摻雜時)和高電阻率(未摻雜時)。與硅等傳統(tǒng)半導體材料不同，金剛石半導體器件可以在更高的電壓和電流下工作，同時提供低功耗。它們還可以有效散熱，而不會影響電氣性能。除了在珠寶行業(yè)中的令人垂涎的地位之外，鉆石還可以通過支持社會電氣化在未來 30 年內實現(xiàn)碳中和方面發(fā)揮關鍵作用。

雖然許多人仍然認為鉆石是一種天然存在的礦物，必須從地球上開采，但現(xiàn)在可以在實驗室中更經濟、更可持續(xù)地生產鉆石。這使得金剛石成為可行且重要的半導體選擇。這些實驗室生產的鉆石的質量檢查對于工業(yè)應用(無論是研發(fā)工作還是生產)尤其重要。金剛石材料中可能會出現(xiàn)位錯和雜質等各種缺陷，需要在電子和其他應用中仔細監(jiān)測和控制。以下研究提出了專門為促進此類檢查而設計的寬帶 LDTLS。LDTLS 的輸出波長范圍為 200 nm 至 770 nm，有助于在金剛石中產生熒光并準確識別各種內部缺陷。驅動 LDTLS 的 LDLS 中的發(fā)光氙氣等離子體是通過將連續(xù)波激光束聚焦到高壓氙燈泡中來維持的。與其他光源相比，LDLS 裝置具有多種優(yōu)勢，包括更高的亮度、更寬的波長范圍、更高的空間和時間穩(wěn)定性、更小的等離子體尺寸、更長的使用壽命和更低的維護成本。

原理圖及原理

使用 LDTLS 進行鉆石檢測的示意圖如圖 1 所示; LDTLS的工作原理可以參見之前的出版物。簡而言之，EQ-77X 型 LDLS 充當 LDTLS 的光源。具有增強型 UV 涂層的球形后向反射器 (2) 經對準后可將 Xe 等離子體成像回自身上，以獲得更高的前向發(fā)射輻射率。消色差反射光學器件，包括兩個離軸拋物面 (OAP) 鏡 (3、4)，經過優(yōu)化，可通過匹配 LDLS 和單色儀 (7) 來很大程度地提高光學吞吐量。 UV 單色儀選擇單個波長，然后將其發(fā)送到 UV 光纖 (8)。階次排序濾光片和寬度可調狹縫旨在抑制二階衍射并控制單色光譜輸出的波長帶寬。鉆石樣品的圖像 (10)，由 LDTLS 輸出照明，由成像系統(tǒng) (9) 形成用于質量分析。

測量結果與分析

圖 2 說明了 LDTLS 的輸出性能。圖 2(a) 和 2(b) 分別顯示了使用 1.5 mm 芯直徑光纖和 0.6 mm 芯直徑光纖進行光收集時的帶內通量和半峰全寬 (FWHM)。圖 2(c) 顯示了 205 nm 至 500 nm 范圍內的歸一化光譜輸出。如圖 2(a) 所示，芯徑為 0.6 mm 的光纖從 200 nm 到 500 nm 的帶內平均通量達到 1.14mW，芯徑為 1.5 mm 的光纖則達到 2.79mW。相應的 FWHM 平均值為 4.5 nm 和 7.6 nm。高帶內通量、可調帶寬以及整個波長范圍內一致的光譜輸出使 LDTLS 適用于各種應用。

圖 2： LDTLS 的性能，(a) 使用 1.5 mm 芯徑光纖的帶內通量和 FWHM; (b) 使用 0.6 mm 芯徑光纖的帶內通量和 FWHM; (c) 205 nm 至 500 nm 范圍內的歸一化光譜輸出。

圖 3 顯示了使用不同波長的 LDTLS 輸出照明進行鉆石檢測的示例。鉆石樣品 I 故意分多個步驟生長，以引入可以使用 LDTLS 照明觀察到的生長缺陷。圖像(a)、(b)、(c)和(d)顯示了鉆石樣品 I 在 400 nm、300 nm、222 nm 和 205 nm 照明下的檢測結果。圖像 (e)、(f)、(g) 和 (h) 顯示了鉆石樣品 II 在 350 nm、300 nm、250 nm 和 222 nm 照明下的檢測結果。在可見光照射下不會出現(xiàn)熒光，但對于表面檢查非常有用，如圖 (a) 所示。熒光隨紫外線波長的不同而變化，影響內部缺陷的可見度。樣品 I 中的黑色圓形線缺陷只能使用 222 nm 或更短的波長檢測到。樣品 II 中的黑色圓形線缺陷可使用 350 nm 至 222 nm 的波長進行檢測。這證明了 LDTLS 對于檢測各種內部缺陷的有效性。

圖 3：使用 LDTLS 輸出照明檢查的鉆石，(a) 使用 400 nm 照明的樣品 I; (b) 300 nm 照明下的樣品 I; (c) 222 nm 照明下的樣品 I; (d) 205 nm 照明下的樣品 I; (e) 350 nm 照明下的樣品 II; (f) 300 nm 照明下的樣品 II; (g) 250 nm 照明下的樣品 II; (h) 222 nm 照明下的樣品 II。

概括

提出了一種由 LDLS 技術支持的寬帶 LDTLS 用于鉆石檢測。實驗結果表明，在200 nm至500 nm范圍內，芯徑0.6 mm的光纖帶內通量平均為1.14 mW，芯徑1.5 mm的光纖帶內通量平均為2.79 mW。相應的 FWHM 平均值分別為 4.5 nm 和 7.6 nm。通過使用 LDTLS 的各種光譜輸出進行成像和照明，可以檢測到不同的內部缺陷，正如對兩個鉆石樣品的檢查所證明的那樣。

審核編輯 黃宇