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光学新进展推动近紫外应用的发展
材料来源:爱特蒙特光学           录入时间:2010-7-23 21:32:44

受到基底和镀膜材料选择范围以及加工成本方面的限制,使得深紫外(100~250nm)应用相对稀少,但是得益于新型光学元件、薄膜和光源的发展,最近近紫外(250~400nm)应用正在蓬勃发展

作者:Gregory Fales爱特蒙特光学公司光学产品生产经理

在电磁波谱图中,通常将紫外波段(UV)分为三个区域:UV-C(通常定义为100~280nm)、UV-B(280~320nm)和UV-A(320~400nm)。然而,从更加实用的角度看,紫外光谱正好可以在250nm附近分成两部分。对光学元件来讲,在波长为100~250nm的范围内(通常分别定义为深紫外和极紫外区,或DUV和EUV区)可选择的基底和镀膜材料有限,并且加工成本昂贵,因此该波段内的应用一直相对稀少。然而,近紫外区的应用正在蓬勃发展,并且在引领(或者也许是被引领)相关的紫外光学元件、薄膜以及紫外光源的进一步发展。

光学材料

事实上,光学元件的发展建立在材料科学的基础之上。研究人员正在进行大量的研究工作开发在紫外区域有发展潜力的光学材料,以及在远红外区域有吸引力的单独材料。在近紫外区域,光学透过材料的选择一直都非常有限。

图1:三种标准高数值孔径的近紫外元件设计,工作波长为266nm。非球面透镜提供了比球面单透镜小两个数量级的光斑尺寸。

熔融石英由于具有高透光率、低热膨胀系数以及合理的色散,其已经成为一种普遍的光学材料。然而,熔融石英也有它的局限性,特别是涉及到制造精密的折光元件的时候。熔融石英的低折射率(在整个近紫外、可见和近红外区均小于1.50)不太适合设计和制造具有高数值孔径的光学元件。高数值孔径光学元件可用于收集和重新聚焦高度发散的光源(如荧光发射)或非常弱的光源(同样是荧光发射),这在许多近紫外应用中通常是必需的。

一个简单的高数值孔径近紫外“元件”有三种可能的配置,其中一种是一个由熔融石英制造的简单的平凸透镜(见图1)。凸面的极大曲率立刻就显现出来了。这个表面不仅很难加工,并且极大的曲率半径带来的球面像差产生了401个波长的聚焦点,从而形成一个大小为645µm的光斑。熔融石英制造的球面单透镜相对较为便宜,且易于获得,但很明显只能提供适度的性能。另一种实现高数值孔径的设计是采用氟化钙(CaF2)和石英制造的三胶合透镜(见图2)。显然这种设计带来了性能上的显著改善,获得了303µm的光斑,光斑大小大约减少了50%。然而,氟化钙要比熔融石英贵3~4倍,并且也是一种很难加工的材料,这意味着这种三胶合透镜的成本将可能比球面单透镜高20~25倍。与此类似的设计也和球面单透镜一样,可以从市场上购买,尽管不是很容易买到。

实现高数值孔径近紫外“元件”最好的选择,就是第三种途径:熔融石英非球面透镜。非球面表面消除了球面相差,所形成的光斑只受到衍射效应的影响。虽然一些熔融石英非球面透镜可以从市场上买到,但却价格昂贵(价格为球面单透镜的8~10倍),并且不能提供上述三胶合透镜所具有的色差校正功能。熔融石英的高转变温度(Tg约为1000℃)消除了模具制造的可能性,而利用金刚石车削、计算机数字控制(CNC)或者磁流变抛光(MRF)设备,可以很容易将其加工成非球面。

幸运的是,无定形、硫系、硫化物和氟化物材料方面的研究已使得模压紫外材料的选择越来越多。ZBLAN是一种结合了重金属锆、钡、镧、铝和钠的氟化物玻璃,由于它的低转变温度(Tg低于300℃)和低色散,已经引起了研究人员的广泛兴趣。

 

图2:三胶合透镜设计用以减小近紫外光源的光斑尺寸。

在任一情况下(低成本模压ZBLAN或加工熔融石英),非球面正在使需要高分辨率图像和/或弱信号高度收集的应用成为可能,特别是在生物技术和生物医学应用领域。比如用紫外线对蛋白质的结晶成像,可以帮助将蛋白质晶体与盐晶体区分开来,揭示更多在可见光照射下不成像的晶体。这种技术依赖于色氨酸固有的荧光特性,即在280nm处有一吸收峰,而发射光谱覆盖300~350nm。这些紫外线非球面透镜提供了最大限度的信号采集和检测,提高了设备的效能,并在药物研发、设计和输送等领域提供辅助。

波长滤波

除了收集和聚焦近紫外光信号,近紫外线照射的选择性分离对许多应用来说至关重要。直到最近,需要在近紫外区域进行波长选择性分离的应用仍只有非常有限的选择。光栅历来都被有效地用于波长分离仪器,如分光光度计和单色仪。但是,光栅往往产生相当多的杂散光,在近紫外区的效率相对较低(小于70%),并且不允许对物体进行直接成像。此外,考虑到基于光栅的仪器所需要的复杂几何配置,滤光片显然具有重要作用。

近紫外滤光器的推出已有一段时间。然而直到最近,光学滤光片几乎都是由软膜薄膜材料和/或多个吸收薄膜层和半透明玻璃基底制造而成的。软膜(通常为金属介质混合膜堆)透过率低,损伤阈值低,并且环境稳定性差,很容易由于热、潮湿或经常被接触而损坏。吸收层和半透明玻璃基底通常表现出有害的自发荧光,在探测器上产生大量噪声。

在制备耐用、更加稳定的滤光薄膜方面,过去10年中已经取得诸多进展,特别是在紫色、蓝色和绿色光谱区域内,在生物医学应用中广泛用于收集和分离常见的荧光蛋白质的激发和发射光谱,以及在通信波段的近红外区域对C波段(1530~1570nm)和L波段(1565~1625nm)选取特定波长。制备这些滤光片的技术包括离子束溅射技术和先进的等离子反应溅射技术,使用硅、铝、钛、钽、锆、钇、铪、钪和铌的氧化物在高能量下沉积,产生致密和紧凑的薄膜(见图3)。

然而,在近紫外波段沉积同样的材料却面临着巨大挑战。难熔的材料在近紫外区域往往具有更高的吸收──以至于如硅、钛、锆和铌的氧化物都不再适用。材料的折射率在近紫外区迅速变化也是问题,这使得制备具有高通带透过率、深带外截止以及在通带和截止带之间具有尖锐过渡区的滤光片更具挑战性。为了在紫外波段获得较高的透过率,要求膜层相对较薄,这使得问题进一步复杂化。

 

图 3:采用先进的等离子体反应溅射技术制备的硬膜紫外滤光片。

尽管面临这些挑战,厂商还是生产出了更高性能的紫外滤光片。具有通带透过率高于80%、通带外透过率为10-6,并且具有尖锐过渡区的滤光片,正使得光谱、荧光显微、净化、消毒、工业加工和半导体制造等领域的应用成为可能。

照射光源进展

如果没有近紫外区域大量光源的进展,所有这些都不可能实现。在此之前,需要紫外照明的应用仅有相当有限的选择;用于宽带输出的氙灯或氘灯,用于准单色输出的汞灯,或者用于真正的单色输出的多种激光光源(如氯化氙、氟化氙、Nd:YAG激光器的三倍频和四倍频、氮气、氦镉和氩离子激光器)。不过,当前正在研究制造准单色和真正单色的半导体光源,创造了更小、更便宜和能源效率更好的紫外照射光源。

此前采用汞弧光灯(峰值为253nm、313nm、334nm、365nm和406 nm)准单色输出的应用,现在正被氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)和氮化铝镓铟(AlInGaN)发光二极管(LED)所取代。这些宽带隙III-V族化合物的商用LED,输出波长低至280nm、功率数十毫瓦,室温下寿命达到数千小时。短波长紫外LED的应用包括生物传感器、水净化和荧光光谱。对于更成熟的波长更长的紫外LED(约365nm),其应用包括伪造检测、紫外光固化系统、光刻和DNA测序与分析等。

近紫外区域真正的单色半导体光源(激光二极管)仍处于研究阶段。输出功率为数十毫瓦、工作寿命几百小时的375nm激光二极管可以很容易购得,但除了这些激光二极管,氮化铟镓(InGaN)配置的材料限制使实现受激辐射相当困难。

总之,近紫外光谱区的进展正在迅速发生。从透镜、反射镜、偏振片和棱镜等标准光学元件到更为复杂的物镜和非球面镜,都比以往更加容易获得。尤其是非球面镜和物镜,由于可以获得更小的聚焦点尺寸(使用紫外光的主要优点之一),使得利用紫外照射最为有效。通过致密溅射技术制备的薄膜,具有更高的透过率和更好的对比度,这进一步强化了该方面优势。这也是为什么许多行业应用正在转向采用紫外光来解决所面临的挑战,为人类创造一个更美好、更清洁、更安全和更健康的明天。


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