用于钻石检测应用的 LDLS 供电宽带可调谐光源

图 1：使用 LDTLS 进行钻石检测的示意图

由 Energetiq 的激光驱动光源 (LDLS ® ) 驱动的宽带激光驱动可调谐光源 (LDTLS ® ) 被提议用于钻石检测应用。给出了系统性能的实验结果和钻石样品检测的总结。

介绍

金刚石是一种超宽带隙半导体，以其众多卓越品质而闻名，包括已知材料中比较高的导热率、高击穿电压、高载流子迁移率(掺杂时)和高电阻率(未掺杂时)。与硅等传统半导体材料不同，金刚石半导体器件可以在更高的电压和电流下工作，同时提供低功耗。它们还可以有效散热，而不会影响电气性能。除了在珠宝行业中的令人垂涎的地位之外，钻石还可以通过支持社会电气化在未来 30 年内实现碳中和方面发挥关键作用。

虽然许多人仍然认为钻石是一种天然存在的矿物，必须从地球上开采，但现在可以在实验室中更经济、更可持续地生产钻石。这使得金刚石成为可行且重要的半导体选择。这些实验室生产的钻石的质量检查对于工业应用(无论是研发工作还是生产)尤其重要。金刚石材料中可能会出现位错和杂质等各种缺陷，需要在电子和其他应用中仔细监测和控制。以下研究提出了专门为促进此类检查而设计的宽带 LDTLS。LDTLS 的输出波长范围为 200 nm 至 770 nm，有助于在金刚石中产生荧光并准确识别各种内部缺陷。驱动 LDTLS 的 LDLS 中的发光氙气等离子体是通过将连续波激光束聚焦到高压氙灯泡中来维持的。与其他光源相比，LDLS 装置具有多种优势，包括更高的亮度、更宽的波长范围、更高的空间和时间稳定性、更小的等离子体尺寸、更长的使用寿命和更低的维护成本。

原理图及原理

使用 LDTLS 进行钻石检测的示意图如图 1 所示; LDTLS的工作原理可以参见之前的出版物。简而言之，EQ-77X 型 LDLS 充当 LDTLS 的光源。具有增强型 UV 涂层的球形后向反射器 (2) 经对准后可将 Xe 等离子体成像回自身上，以获得更高的前向发射辐射率。消色差反射光学器件，包括两个离轴抛物面 (OAP) 镜 (3、4)，经过优化，可通过匹配 LDLS 和单色仪 (7) 来很大程度地提高光学吞吐量。 UV 单色仪选择单个波长，然后将其发送到 UV 光纤 (8)。阶次排序滤光片和宽度可调狭缝旨在抑制二阶衍射并控制单色光谱输出的波长带宽。钻石样品的图像 (10)，由 LDTLS 输出照明，由成像系统 (9) 形成用于质量分析。

测量结果与分析

图 2 说明了 LDTLS 的输出性能。图 2(a) 和 2(b) 分别显示了使用 1.5 mm 芯直径光纤和 0.6 mm 芯直径光纤进行光收集时的带内通量和半峰全宽 (FWHM)。图 2(c) 显示了 205 nm 至 500 nm 范围内的归一化光谱输出。如图 2(a) 所示，芯径为 0.6 mm 的光纤从 200 nm 到 500 nm 的带内平均通量达到 1.14mW，芯径为 1.5 mm 的光纤则达到 2.79mW。相应的 FWHM 平均值为 4.5 nm 和 7.6 nm。高带内通量、可调带宽以及整个波长范围内一致的光谱输出使 LDTLS 适用于各种应用。

图 2： LDTLS 的性能，(a) 使用 1.5 mm 芯径光纤的带内通量和 FWHM; (b) 使用 0.6 mm 芯径光纤的带内通量和 FWHM; (c) 205 nm 至 500 nm 范围内的归一化光谱输出。

图 3 显示了使用不同波长的 LDTLS 输出照明进行钻石检测的示例。钻石样品 I 故意分多个步骤生长，以引入可以使用 LDTLS 照明观察到的生长缺陷。图像(a)、(b)、(c)和(d)显示了钻石样品 I 在 400 nm、300 nm、222 nm 和 205 nm 照明下的检测结果。图像 (e)、(f)、(g) 和 (h) 显示了钻石样品 II 在 350 nm、300 nm、250 nm 和 222 nm 照明下的检测结果。在可见光照射下不会出现荧光，但对于表面检查非常有用，如图 (a) 所示。荧光随紫外线波长的不同而变化，影响内部缺陷的可见度。样品 I 中的黑色圆形线缺陷只能使用 222 nm 或更短的波长检测到。样品 II 中的黑色圆形线缺陷可使用 350 nm 至 222 nm 的波长进行检测。这证明了 LDTLS 对于检测各种内部缺陷的有效性。

图 3：使用 LDTLS 输出照明检查的钻石，(a) 使用 400 nm 照明的样品 I; (b) 300 nm 照明下的样品 I; (c) 222 nm 照明下的样品 I; (d) 205 nm 照明下的样品 I; (e) 350 nm 照明下的样品 II; (f) 300 nm 照明下的样品 II; (g) 250 nm 照明下的样品 II; (h) 222 nm 照明下的样品 II。

概括

提出了一种由 LDLS 技术支持的宽带 LDTLS 用于钻石检测。实验结果表明，在200 nm至500 nm范围内，芯径0.6 mm的光纤带内通量平均为1.14 mW，芯径1.5 mm的光纤带内通量平均为2.79 mW。相应的 FWHM 平均值分别为 4.5 nm 和 7.6 nm。通过使用 LDTLS 的各种光谱输出进行成像和照明，可以检测到不同的内部缺陷，正如对两个钻石样品的检查所证明的那样。

审核编辑 黄宇