圖 1. LDLS 發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。

當今生命科學和材料科學領域的尖端研究和制造應用需要能夠在較長使用壽命內提供明亮且高度穩定的光的光源。一種新的光源技術已經開發出來，可以在寬波長帶(170-2100 nm)內提供超高亮度，用于光譜學和其他用途，使其成為傳統氘燈(D2)的經濟高效、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，稱為激光驅動光源 (LDLS)，由于消除了相互作用，因此具有更長的使用壽命(通常是傳統燈的十倍)，并且比傳統光源更穩定高溫等離子體和鎢電極之間。

常規光源

當今的許多光譜和其他分析儀器需要高亮度、寬帶光源進行光譜測量，幫助確定所研究樣品的成分或結構。傳統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 燈組合用于寬帶應用。在一臺儀器中使用多個燈會導致光學設計的復雜性，導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，需要經常更換燈和重新校準儀器。

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

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

D2 燈的缺點是紫外光譜輻射率較低，即使在 200 nm 波長下也是如此，因為等離子體中的低壓放電和功率密度較低。等離子體尺寸相對較大(直徑通常為 0.5-1 毫米)，因此很難用于小光學擴展量應用，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)，TH 燈的亮度相對較低，尤其是在 400 nm 附近。對于寬帶應用，TH 燈通常與穿透式 D2 燈結合使用。組合光源的缺點是在 400 nm 波長區域輸出較低，在該區域，兩種燈的發射量較低;由于燈發射器不在空間中的同一位置并且亮度都較低，因此光學收集效率低;兩個燈之一的任何損壞或變化都會改變輸出光譜并強制重新校準。

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1 mW/mm 2 -nm-sr。一般來說，Xe 燈的穩定性明顯低于 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發生空間移動，氙燈中的電弧等離子體本質上不穩定。這種混亂的運動或閃爍隨著年齡的增長而惡化，使得這種燈對于許多低噪聲光譜應用來說是不可接受的。短弧氙燈的使用壽命通常為 1000 小時，因此需要在儀器的使用壽命內多次更換。

激光驅動光源

分析儀器的理想光源應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射器;并在多年的運營中保持穩定的產量。

在 LDLS 中，由 Xe 或其他惰性氣體混合物組成的高強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處形成的。聚焦點處激光束的功率密度足夠高，足以產生小而強的等離子體，其溫度在 10,000–20,000 K 范圍內，明顯高于短弧氙燈通常達到的 5000–7000 K。如此高的等離子體溫度使得深紫外發射大大增加。

等離子體的尺寸主要由激光的焦點決定，半峰全寬(FWHM)尺寸直徑約為100μm。等離子體的空間和時間穩定性主要受到光學系統和激光驅動功率穩定性的限制，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致能量損失，因此等離子體吸收的幾乎所有激光功率都會在寬帶光譜上重新輻射。該技術的可擴展性已在 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，以實現高通量和高信噪比 (SNR)。利用高亮度、小尺寸光源，光源的發射區域可以通過匹配的光學擴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現更高的靈敏度和更高的分辨率。

對 LDLS、高亮度 D2 燈和高亮度 75 W Xe 弧光燈的光譜輻射數據進行了比較(見圖 2)。 LDLS 在整個 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 燈高兩個數量級以上，在 200 nm 處比 Xe 弧光燈高約一個數量級。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 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計復雜性并增加分析儀器的工作范圍。從同一發射體積發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系統。在 LDLS 中，輸入功率被沉積到一個小體積中，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產生更高溫度的氙等離子體，從而在紫外/可見光/近紅外光譜范圍內產生更高的發射，其中深紫外的增幅最大。

LDLS 壽命和穩定性

頻繁更換和校準燈泡會消耗寶貴的技術和財務資源，從而降低生產率。在電極驅動燈中，熱電極本身是主要的故障機制，因為它們將金屬蒸發到石英燈泡上。在 LDLS 中，能量通過光學方式傳遞至 Xe 等離子體，因此高壓燈泡上不存在高熱應力、電應力或機械應力。燈泡的電極僅用于點火，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。壽命測試數據的比較突出了 LDLS 與典型 Xe 和 D2 燈之間輸出隨時間下降的差異(見表)。

對于高亮度、小光斑光源，空間穩定性對于與小光學擴展量應用的有效耦合至關重要。等離子體的任何運動，如氙弧燈的閃爍，都會轉化為信號噪聲。在 LDLS 中，激光焦點的精確控制與激光功率的調節相結合，表現出小于 ±1 μm 的空間穩定性(見圖 3)。

圖 3. LDLS 等離子體“質心”位置隨時間變化的圖突出顯示了發射器的高空間穩定性(2500 個圖像，200 幀/秒)。

LDLS 現在廣泛用于紫外/可見/近紅外光譜、光纖測試、半導體計量、高級內窺鏡檢查和光電子顯微鏡等多種應用。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間隔。

審核編輯 黃宇