使用349NX激光器(qi)進(jin)行(xing)SiC的(de)拉曼光譜和光致發光實驗

介紹

來自Link?ping University的(de)(de)Ivan Ivanov教授(shou)團隊(dui)利用Skylark的(de)(de)349NX激光(guang)(guang)器成(cheng)功替代了實驗(yan)室中(zhong)的(de)(de)陳舊氬離子氣體激光(guang)(guang)器，在4H-SiC和6H-SiC材料(liao)的(de)(de)光(guang)(guang)致發光(guang)(guang)以及拉(la)曼(man)光(guang)(guang)譜實驗(yan)中(zhong)獲得了清晰的(de)(de)結果。349NX具有無干擾信號、線寬窄、能效高、尺寸小、維護成(cheng)本(ben)低、使用壽命(ming)長(chang)等特點，為(wei)實驗(yan)提供了準確性與靈活(huo)性。

正文

近日，來自(zi)Link?ping University的(de)Ivan Ivanov教授團隊利(li)用Skylark的(de)349NX激(ji)光(guang)(guang)器成功替代了(le)實(shi)驗室中(zhong)的(de)陳舊(jiu)氬離子氣(qi)體激(ji)光(guang)(guang)器，在4H-SiC和6H-SiC材料的(de)光(guang)(guang)致發光(guang)(guang)以(yi)及(ji)拉曼光(guang)(guang)譜(pu)實(shi)驗中(zhong)獲得了(le)清晰的(de)結果(guo)。英國Skylark公司(si)致力于單頻激(ji)光(guang)(guang)器的(de)研發，而這次實(shi)驗室采購(gou)的(de)型號(hao)349NX擁有349nm的(de)激(ji)光(guang)(guang)波長和100mw的(de)輸(shu)出(chu)功率。

Ivanov教授(shou)解(jie)釋，他們(men)采(cai)購這款激(ji)(ji)光器(qi)是(shi)為(wei)(wei)(wei)了(le)替代(dai)實驗室中(zhong)使(shi)用的(de)(de)陳(chen)舊氬離子激(ji)(ji)光器(qi)，因為(wei)(wei)(wei)后者已經無(wu)法(fa)滿(man)足目前實驗的(de)(de)功率要求。該(gai)激(ji)(ji)光器(qi)的(de)(de)引(yin)入將為(wei)(wei)(wei)團隊(dui)在(zai)SiC材料的(de)(de)帶隙激(ji)(ji)發方面提(ti)供(gong)更(geng)為(wei)(wei)(wei)可(ke)靠和高(gao)效的(de)(de)工具。此外，349nm激(ji)(ji)光（3.55 eV）也被證明是(shi)替代(dai)351nm氬離子激(ji)(ji)光器(qi)的(de)(de)理(li)想選擇。

雖然單頻激光(guang)(guang)器(qi)在光(guang)(guang)致(zhi)發(fa)光(guang)(guang)方面并非必需(xu)，但在拉曼(man)光(guang)(guang)譜(pu)的研究(jiu)中(zhong)，其(qi)極窄的線(xian)(xian)(xian)寬(kuan)或成為至關重(zhong)要的因素(su)。Ivanov教(jiao)授解釋，拉曼(man)光(guang)(guang)譜(pu)需(xu)要激發(fa)激光(guang)(guang)的線(xian)(xian)(xian)寬(kuan)小(xiao)于(yu)0.1 ?，而這(zhe)款349NX激光(guang)(guang)器(qi)的線(xian)(xian)(xian)寬(kuan)為500 kHz，對(dui)應于(yu)349 nm處的2×10-6 ?，這(zhe)大(da)大(da)滿(man)足了(le)實驗(yan)的要求。同時(shi)，由于(yu)激光(guang)(guang)的相干長度超過了(le)100米，這(zhe)臺激光(guang)(guang)器(qi)也在其(qi)他應用領域表現出(chu)色。

該(gai)團隊還(huan)強調了(le)349NX與傳統氣(qi)(qi)體(ti)(ti)激(ji)光(guang)(guang)器(qi)(qi)相(xiang)比的(de)(de)幾個優勢(shi)。首先，349NX激(ji)光(guang)(guang)器(qi)(qi)的(de)(de)發射在(zai)光(guang)(guang)譜上非常純凈，僅在(zai)激(ji)光(guang)(guang)線附近可(ke)能存在(zai)微(wei)弱的(de)(de)擾(rao)動。相(xiang)比之下(xia)，氣(qi)(qi)體(ti)(ti)激(ji)光(guang)(guang)器(qi)(qi)的(de)(de)發射包含(han)多(duo)個等離子體(ti)(ti)線，這(zhe)些線可(ke)能會淹沒(mei)被(bei)測光(guang)(guang)譜，從而影響實驗結果(guo)。其次，該(gai)激(ji)光(guang)(guang)器(qi)(qi)的(de)(de)工作效率遠高于氣(qi)(qi)體(ti)(ti)激(ji)光(guang)(guang)器(qi)(qi)，將(jiang)激(ji)光(guang)(guang)輸出(chu)(chu)的(de)(de)光(guang)(guang)功率與輸入的(de)(de)電功率相(xiang)除，349NX的(de)(de)表現更為出(chu)(chu)色。這(zhe)也使得實驗的(de)(de)設(she)計更加緊湊(cou)，冷卻要求(qiu)更為寬(kuan)松(song)，提(ti)高了(le)設(she)備的(de)(de)便攜性。最后，Ivanov教授指出(chu)(chu)，激(ji)光(guang)(guang)器(qi)(qi)的(de)(de)穩(wen)定性和均方根(gen)參數與氣(qi)(qi)體(ti)(ti)激(ji)光(guang)(guang)器(qi)(qi)相(xiang)當，但激(ji)光(guang)(guang)器(qi)(qi)的(de)(de)使用(yong)壽命更長，維(wei)護成(cheng)本(ben)(ben)更低。對(dui)比而言(yan)，氣(qi)(qi)體(ti)(ti)激(ji)光(guang)(guang)器(qi)(qi)在(zai)發生(sheng)故障(zhang)時(shi)往往需要更換昂貴的(de)(de)激(ji)光(guang)(guang)管，而激(ji)光(guang)(guang)器(qi)(qi)只(zhi)需更換泵浦二極管或倍頻晶體(ti)(ti)，維(wei)修成(cheng)本(ben)(ben)也更為低廉。

實驗數據

Ivan Ivanov教授進行的(de)(de)(de)第1次測試是使用349nm激光(guang)(guang)束(shu)替換自制微(wei)型拉(la)曼(man)系統(tong)中的(de)(de)(de)532nm激光(guang)(guang)束(shu)。雖然(ran)分束(shu)器等光(guang)(guang)學元(yuan)件將物鏡(jing)入瞳處的(de)(de)(de)光(guang)(guang)功率降低(di)至< 2 mW，使用Skylark 349NX，他們仍(reng)然(ran)獲取了4H-SiC和6H-SiC的(de)(de)(de)清晰(xi)拉(la)曼(man)光(guang)(guang)譜(pu)，包括(kuo)二階拉(la)曼(man)譜(pu)帶，如圖1所示。

圖1 使用349NX激光(guang)器獲得(de)的4H-SiC和6H-SiC的拉(la)曼光(guang)譜(pu)

因為實(shi)驗使(shi)用(yong)的二(er)向(xiang)色鏡對拉(la)曼(man)(man)光譜測量(liang)來說并(bing)不是最適宜(yi)的，所(suo)以低于~520 cm-1的光譜線(xian)被削減。然而，通過使(shi)用(yong)適應于349nm的光學(xue)系(xi)統，利用(yong)349NX所(suo)進行的微型拉(la)曼(man)(man)測量(liang)是可行的。這需要一個調(diao)整后的光學(xue)裝(zhuang)置來適配349nm波(bo)長。

使(shi)用配備GaAs光(guang)電倍(bei)增管和光(guang)柵的(de)雙單色(se)儀重(zhong)復4H-SiC和6H-SiC上的(de)拉曼光(guang)譜測(ce)量，得(de)到的(de)光(guang)譜如圖2所示(shi)。除(chu)了該系統提供的(de)更高分辨率(lv)之外，使(shi)用349NX的(de)實驗還(huan)具(ju)有其他優點。例如不需(xu)要對激光(guang)線進行過(guo)濾(lv)(lv)，因此(ci)整個激光(guang)功率(lv)可用于激發光(guang)譜，并且實驗設置比(bi)使(shi)用濾(lv)(lv)光(guang)單色(se)儀更簡單、更靈活。

圖2 使(shi)用(yong)雙單色(se)儀獲得的4H-SiC和6H-SiC的拉(la)曼(man)光譜

正如(ru)預期的(de)那樣，在(zai)>155 cm-1區域(yu)的(de)光譜沒(mei)有偽影(ying)。然而(er)(er)，在(zai)<155 cm-1的(de)區域(yu)，可(ke)以看到一些微弱的(de)譜線(xian)。這(zhe)些譜線(xian)不是源(yuan)自樣品，而(er)(er)是由(you)激光引(yin)起的(de)，用星(xing)號標(biao)記。這(zhe)些譜線(xian)的(de)強(qiang)度隨著與特征距(ju)離偏移的(de)距(ju)離縮(suo)短(duan)而(er)(er)增強(qiang)。然而(er)(er)，在(zai)低于(yu)~150 cm-1的(de)范(fan)圍內，這(zhe)些偽影(ying)的(de)強(qiang)度比氣體激光器激光線(xian)附近的(de)等離子線(xian)也要低得(de)多(duo)。

教授利用(yong)一塊4H-SiC樣品測得(de)(de)了一個光譜，如圖(tu)3所示(shi)。正如前(qian)面提到(dao)的(de)(de)，349NX激(ji)光器(qi)不需要濾光，這極大地簡化(hua)了實驗(yan)設置，其得(de)(de)到(dao)的(de)(de)光譜也沒有(you)(you)激(ji)光產(chan)生的(de)(de)偽影，只(zhi)包(bao)含(han)樣品中有(you)(you)用(yong)的(de)(de)線，這是激(ji)光純(chun)凈性的(de)(de)結(jie)果。相比之下(xia)，未經過(guo)濾的(de)(de)氬(ya)離(li)子激(ji)光器(qi)在351nm處(chu)會產(chan)生大量(liang)等離(li)子體線，淹沒原始光譜。

圖3 使用349NX激光(guang)器(qi)獲得(de)的4H-SiC在AB線(xian)區域（640 - 760 nm）的光(guang)致發(fa)光(guang)譜(pu)。

Skylark 349 NX激光(guang)器易于使用，啟(qi)動(dong)時間(jian)與氬(ya)離子激光(guang)器相當，激光(guang)束的(de)(de)形(xing)狀也近似呈(cheng)高斯(si)分布，是一(yi)種出色的(de)(de)拉(la)曼光(guang)譜(pu)與光(guang)致發(fa)光(guang)激發(fa)光(guang)源。其與氬(ya)激光(guang)器相比仍然具有一(yi)些優(you)勢。349NX光(guang)譜(pu)純凈(jing)，不像氬(ya)離子激光(guang)器那樣(yang)存在雜散(san)光(guang)譜(pu)，無需(xu)額外的(de)(de)濾光(guang)單色儀。激光(guang)器的(de)(de)功率(lv)預計在壽命內能保持恒定，小巧輕(qing)便(bian)，可以在實驗室(shi)之間(jian)輕(qing)松攜帶，為實驗提供(gong)了額外的(de)(de)靈活性。

除此之外，Skylark也推出了320nm窄線(xian)寬(kuan)紫(zi)外連續激光(guang)器，輸出功(gong)率可達(da)200 mW，線(xian)寬(kuan)<0.5 MHz，相干(gan)距離&gt;100 m。上海昊量光(guang)電(dian)可為(wei)您提供專(zhuan)業的選型以及技術服務。

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