圖 1. LDLS 發(fā)出的光源自聚焦激光束與氙氣或惰性氣體混合物的相互作用。

當(dāng)今生命科學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域的尖端研究和制造應(yīng)用需要能夠在較長使用壽命內(nèi)提供明亮且高度穩(wěn)定的光的光源。一種新的光源技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出來，可以在寬波長帶(170-2100 nm)內(nèi)提供超高亮度，用于光譜學(xué)和其他用途，使其成為傳統(tǒng)氘燈(D2)的經(jīng)濟(jì)高效、使用壽命更長的替代品，鹵鎢 (TH) 燈和短弧燈氙 (Xe) 燈。這種新光源由 Energetiq Technology 開發(fā)，稱為激光驅(qū)動(dòng)光源 (LDLS)，由于消除了相互作用，因此具有更長的使用壽命(通常是傳統(tǒng)燈的十倍)，并且比傳統(tǒng)光源更穩(wěn)定高溫等離子體和鎢電極之間。

常規(guī)光源

當(dāng)今的許多光譜和其他分析儀器需要高亮度、寬帶光源進(jìn)行光譜測(cè)量，幫助確定所研究樣品的成分或結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)光源無法覆蓋完整的感興趣的光譜范圍，通常從深紫外 (UV) 到可見光，再到近紅外 (NIR;約 170–1100 nm)。例如，分析儀器通常將直射式 D2 燈與 TH 或 Xe 燈組合用于寬帶應(yīng)用。在一臺(tái)儀器中使用多個(gè)燈會(huì)導(dǎo)致光學(xué)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，導(dǎo)致光的使用效率低下，并增加額外的成本。此外，這些燈的使用壽命通常為 500-2000 小時(shí)，需要經(jīng)常更換燈和重新校準(zhǔn)儀器。

在深紫外波長下，傳統(tǒng)燈的亮度(輻射率)較低，這對(duì)儀器功能造成了額外的限制。使用多個(gè)燈的儀器必須處理諸如燈光譜不匹配、低亮度導(dǎo)致的低吞吐量或靈敏度以及隨著各個(gè)燈老化不同而發(fā)生光譜變化等問題。在許多情況下，復(fù)雜性和成本促使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員僅使用一盞燈，通常是單獨(dú)的 D2 或 Xe 燈，從而限制了儀器的光譜響應(yīng)及其應(yīng)用的靈活性。

帶熔融石英窗口的氘燈是有用波長范圍為 180–380 nm 的紫外線發(fā)射燈。波長超過 380 nm 時(shí)的發(fā)射量較低，因此可使用 TH 或 Xe 燈來提供可見光和 NIR 輻射。

D2 燈的缺點(diǎn)是紫外光譜輻射率較低，即使在 200 nm 波長下也是如此，因?yàn)榈入x子體中的低壓放電和功率密度較低。等離子體尺寸相對(duì)較大(直徑通常為 0.5-1 毫米)，因此很難用于小光學(xué)擴(kuò)展量應(yīng)用，例如聚焦到直徑 200 微米的光纖或高分辨率的窄縫上。光譜儀。帶有熔融石英窗的D2燈的峰值光譜輻射亮度接近200 nm，其值通常小于0.1 mW/mm 2 -nm-sr。在典型的 2000 小時(shí)燈壽命期間，該輻射率不斷下降。

鹵鎢燈通常用于 400 nm 至 NIR 的光譜范圍。由于工作溫度有限且鎢絲尺寸較大(毫米級(jí))，TH 燈的亮度相對(duì)較低，尤其是在 400 nm 附近。對(duì)于寬帶應(yīng)用，TH 燈通常與穿透式 D2 燈結(jié)合使用。組合光源的缺點(diǎn)是在 400 nm 波長區(qū)域輸出較低，在該區(qū)域，兩種燈的發(fā)射量較低;由于燈發(fā)射器不在空間中的同一位置并且亮度都較低，因此光學(xué)收集效率低;兩個(gè)燈之一的任何損壞或變化都會(huì)改變輸出光譜并強(qiáng)制重新校準(zhǔn)。

短弧氙燈具有從 NIR 到 250 nm 的寬光譜范圍。由于鎢電極燈所能達(dá)到的等離子體溫度的限制，光譜輻射率(亮度)迅速降至 300 nm 以下。氙弧燈的峰值光譜輻射亮度通常接近500 nm，并且可以高達(dá)1 mW/mm 2 -nm-sr。一般來說，Xe 燈的穩(wěn)定性明顯低于 D2 和 TH 燈。由于隨著燈老化和陰極腐蝕，陰極表面上的電弧點(diǎn)發(fā)生空間移動(dòng)，氙燈中的電弧等離子體本質(zhì)上不穩(wěn)定。這種混亂的運(yùn)動(dòng)或閃爍隨著年齡的增長而惡化，使得這種燈對(duì)于許多低噪聲光譜應(yīng)用來說是不可接受的。短弧氙燈的使用壽命通常為 1000 小時(shí)，因此需要在儀器的使用壽命內(nèi)多次更換。

激光驅(qū)動(dòng)光源

分析儀器的理想光源應(yīng)提供從深紫外到紅外的平坦光譜輸出;非常小的超高亮度發(fā)射器;并在多年的運(yùn)營中保持穩(wěn)定的產(chǎn)量。

在 LDLS 中，由 Xe 或其他惰性氣體混合物組成的高強(qiáng)度等離子體通過吸收來自二極管或光纖激光器的聚焦激光束的能量來維持(見圖 1)。這種等離子體可稱為光學(xué)放電等離子體(ODP)，與帶有電極的短弧氙燈中的放電等離子體相反。 LDLS 中的 ODP 等離子體是在充滿高壓氣體的熔融石英燈泡中心的激光束聚焦點(diǎn)處形成的。聚焦點(diǎn)處激光束的功率密度足夠高，足以產(chǎn)生小而強(qiáng)的等離子體，其溫度在 10,000–20,000 K 范圍內(nèi)，明顯高于短弧氙燈通常達(dá)到的 5000–7000 K。如此高的等離子體溫度使得深紫外發(fā)射大大增加。

等離子體的尺寸主要由激光的焦點(diǎn)決定，半峰全寬(FWHM)尺寸直徑約為100μm。等離子體的空間和時(shí)間穩(wěn)定性主要受到光學(xué)系統(tǒng)和激光驅(qū)動(dòng)功率穩(wěn)定性的限制，兩者都可以保持高精度。由于沒有電極與等離子體接觸而導(dǎo)致能量損失，因此等離子體吸收的幾乎所有激光功率都會(huì)在寬帶光譜上重新輻射。該技術(shù)的可擴(kuò)展性已在 20 W 至 5 kW 的各種激光輸入功率上得到證明。

分析儀器需要高亮度的光源，以實(shí)現(xiàn)高通量和高信噪比 (SNR)。利用高亮度、小尺寸光源，光源的發(fā)射區(qū)域可以通過匹配的光學(xué)擴(kuò)展量有效地成像到小直徑光纖或窄單色儀入口狹縫上。更高亮度的光源可實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度和更高的分辨率。

對(duì) LDLS、高亮度 D2 燈和高亮度 75 W Xe 弧光燈的光譜輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較(見圖 2)。 LDLS 在整個(gè) UV/可見光/NIR 波段的光譜輻射亮度比 D2 燈和 Xe 燈高得多。 LDLS 光譜輻射亮度在峰值光譜輻射亮度(約 200 nm)處比 D2 燈高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，在 200 nm 處比 Xe 弧光燈高約一個(gè)數(shù)量級(jí)。在200 nm處，D2燈、Xe燈和LDLS的光譜輻射亮度分別約為0.1、1.0和10 mW/mm 2 -nm-sr。

圖 2. 與 D2 燈和 Xe 弧光燈相比，LDLS(型號(hào) EQ-1500)在 UV/可見光/NIR 光譜上的光譜輻射亮度更高，并且隨波長的變化較小(? = 直徑) )。

提供從深紫外到近紅外波長范圍的單一光源可降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性并增加分析儀器的工作范圍。從同一發(fā)射體積發(fā)射的不同波長的光允許更簡單且更有效地將光耦合到光學(xué)系統(tǒng)。在 LDLS 中，輸入功率被沉積到一個(gè)小體積中，使得能量密度明顯高于氙弧燈等離子體的能量密度。這種更高的能量密度會(huì)產(chǎn)生更高溫度的氙等離子體，從而在紫外/可見光/近紅外光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生更高的發(fā)射，其中深紫外的增幅最大。

LDLS 壽命和穩(wěn)定性

頻繁更換和校準(zhǔn)燈泡會(huì)消耗寶貴的技術(shù)和財(cái)務(wù)資源，從而降低生產(chǎn)率。在電極驅(qū)動(dòng)燈中，熱電極本身是主要的故障機(jī)制，因?yàn)樗鼈儗⒔饘僬舭l(fā)到石英燈泡上。在 LDLS 中，能量通過光學(xué)方式傳遞至 Xe 等離子體，因此高壓燈泡上不存在高熱應(yīng)力、電應(yīng)力或機(jī)械應(yīng)力。燈泡的電極僅用于點(diǎn)火，與等離子體間隔開，并且在工作期間不直接被等離子體加熱。壽命測(cè)試數(shù)據(jù)的比較突出了 LDLS 與典型 Xe 和 D2 燈之間輸出隨時(shí)間下降的差異(見表)。

對(duì)于高亮度、小光斑光源，空間穩(wěn)定性對(duì)于與小光學(xué)擴(kuò)展量應(yīng)用的有效耦合至關(guān)重要。等離子體的任何運(yùn)動(dòng)，如氙弧燈的閃爍，都會(huì)轉(zhuǎn)化為信號(hào)噪聲。在 LDLS 中，激光焦點(diǎn)的精確控制與激光功率的調(diào)節(jié)相結(jié)合，表現(xiàn)出小于 ±1 μm 的空間穩(wěn)定性(見圖 3)。

圖 3. LDLS 等離子體“質(zhì)心”位置隨時(shí)間變化的圖突出顯示了發(fā)射器的高空間穩(wěn)定性(2500 個(gè)圖像，200 幀/秒)。

LDLS 現(xiàn)在廣泛用于紫外/可見/近紅外光譜、光纖測(cè)試、半導(dǎo)體計(jì)量、高級(jí)內(nèi)窺鏡檢查和光電子顯微鏡等多種應(yīng)用。該源使新一代分析儀器具有更高的靈敏度、更大的通量和更長的維護(hù)間隔。

審核編輯 黃宇