光谱学：LDLS 揭示了分析科学应用-电子发烧友网

图 1. LDLS 发出的光源自聚焦激光束与氙气或惰性气体混合物的相互作用。

当今生命科学和材料科学领域的尖端研究和制造应用需要能够在较长使用寿命内提供明亮且高度稳定的光的光源。一种新的光源技术已经开发出来，可以在宽波长带(170-2100 nm)内提供超高亮度，用于光谱学和其他用途，使其成为传统氘灯(D2)的经济高效、使用寿命更长的替代品，卤钨 (TH) 灯和短弧灯氙 (Xe) 灯。这种新光源由 Energetiq Technology 开发，称为激光驱动光源 (LDLS)，由于消除了相互作用，因此具有更长的使用寿命(通常是传统灯的十倍)，并且比传统光源更稳定高温等离子体和钨电极之间。

常规光源

当今的许多光谱和其他分析仪器需要高亮度、宽带光源进行光谱测量，帮助确定所研究样品的成分或结构。传统光源无法覆盖完整的感兴趣的光谱范围，通常从深紫外 (UV) 到可见光，再到近红外 (NIR;约 170–1100 nm)。例如，分析仪器通常将直射式 D2 灯与 TH 或 Xe 灯组合用于宽带应用。在一台仪器中使用多个灯会导致光学设计的复杂性，导致光的使用效率低下，并增加额外的成本。此外，这些灯的使用寿命通常为 500-2000 小时，需要经常更换灯和重新校准仪器。

在深紫外波长下，传统灯的亮度(辐射率)较低，这对仪器功能造成了额外的限制。使用多个灯的仪器必须处理诸如灯光谱不匹配、低亮度导致的低吞吐量或灵敏度以及随着各个灯老化不同而发生光谱变化等问题。在许多情况下，复杂性和成本促使系统设计人员仅使用一盏灯，通常是单独的 D2 或 Xe 灯，从而限制了仪器的光谱响应及其应用的灵活性。

带熔融石英窗口的氘灯是有用波长范围为 180–380 nm 的紫外线发射灯。波长超过 380 nm 时的发射量较低，因此可使用 TH 或 Xe 灯来提供可见光和 NIR 辐射。

D2 灯的缺点是紫外光谱辐射率较低，即使在 200 nm 波长下也是如此，因为等离子体中的低压放电和功率密度较低。等离子体尺寸相对较大(直径通常为 0.5-1 毫米)，因此很难用于小光学扩展量应用，例如聚焦到直径 200 微米的光纤或高分辨率的窄缝上。光谱仪。带有熔融石英窗的D2灯的峰值光谱辐射亮度接近200 nm，其值通常小于0.1 mW/mm 2 -nm-sr。在典型的 2000 小时灯寿命期间，该辐射率不断下降。

卤钨灯通常用于 400 nm 至 NIR 的光谱范围。由于工作温度有限且钨丝尺寸较大(毫米级)，TH 灯的亮度相对较低，尤其是在 400 nm 附近。对于宽带应用，TH 灯通常与穿透式 D2 灯结合使用。组合光源的缺点是在 400 nm 波长区域输出较低，在该区域，两种灯的发射量较低;由于灯发射器不在空间中的同一位置并且亮度都较低，因此光学收集效率低;两个灯之一的任何损坏或变化都会改变输出光谱并强制重新校准。

短弧氙灯具有从 NIR 到 250 nm 的宽光谱范围。由于钨电极灯所能达到的等离子体温度的限制，光谱辐射率(亮度)迅速降至 300 nm 以下。氙弧灯的峰值光谱辐射亮度通常接近500 nm，并且可以高达1 mW/mm 2 -nm-sr。一般来说，Xe 灯的稳定性明显低于 D2 和 TH 灯。由于随着灯老化和阴极腐蚀，阴极表面上的电弧点发生空间移动，氙灯中的电弧等离子体本质上不稳定。这种混乱的运动或闪烁随着年龄的增长而恶化，使得这种灯对于许多低噪声光谱应用来说是不可接受的。短弧氙灯的使用寿命通常为 1000 小时，因此需要在仪器的使用寿命内多次更换。

激光驱动光源

分析仪器的理想光源应提供从深紫外到红外的平坦光谱输出;非常小的超高亮度发射器;并在多年的运营中保持稳定的产量。

在 LDLS 中，由 Xe 或其他惰性气体混合物组成的高强度等离子体通过吸收来自二极管或光纤激光器的聚焦激光束的能量来维持(见图 1)。这种等离子体可称为光学放电等离子体(ODP)，与带有电极的短弧氙灯中的放电等离子体相反。 LDLS 中的 ODP 等离子体是在充满高压气体的熔融石英灯泡中心的激光束聚焦点处形成的。聚焦点处激光束的功率密度足够高，足以产生小而强的等离子体，其温度在 10,000–20,000 K 范围内，明显高于短弧氙灯通常达到的 5000–7000 K。如此高的等离子体温度使得深紫外发射大大增加。

等离子体的尺寸主要由激光的焦点决定，半峰全宽(FWHM)尺寸直径约为100μm。等离子体的空间和时间稳定性主要受到光学系统和激光驱动功率稳定性的限制，两者都可以保持高精度。由于没有电极与等离子体接触而导致能量损失，因此等离子体吸收的几乎所有激光功率都会在宽带光谱上重新辐射。该技术的可扩展性已在 20 W 至 5 kW 的各种激光输入功率上得到证明。

分析仪器需要高亮度的光源，以实现高通量和高信噪比 (SNR)。利用高亮度、小尺寸光源，光源的发射区域可以通过匹配的光学扩展量有效地成像到小直径光纤或窄单色仪入口狭缝上。更高亮度的光源可实现更高的灵敏度和更高的分辨率。

对 LDLS、高亮度 D2 灯和高亮度 75 W Xe 弧光灯的光谱辐射数据进行了比较(见图 2)。 LDLS 在整个 UV/可见光/NIR 波段的光谱辐射亮度比 D2 灯和 Xe 灯高得多。 LDLS 光谱辐射亮度在峰值光谱辐射亮度(约 200 nm)处比 D2 灯高两个数量级以上，在 200 nm 处比 Xe 弧光灯高约一个数量级。在200 nm处，D2灯、Xe灯和LDLS的光谱辐射亮度分别约为0.1、1.0和10 mW/mm 2 -nm-sr。

图 2. 与 D2 灯和 Xe 弧光灯相比，LDLS(型号 EQ-1500)在 UV/可见光/NIR 光谱上的光谱辐射亮度更高，并且随波长的变化较小(ø = 直径) )。

提供从深紫外到近红外波长范围的单一光源可降低设计复杂性并增加分析仪器的工作范围。从同一发射体积发射的不同波长的光允许更简单且更有效地将光耦合到光学系统。在 LDLS 中，输入功率被沉积到一个小体积中，使得能量密度明显高于氙弧灯等离子体的能量密度。这种更高的能量密度会产生更高温度的氙等离子体，从而在紫外/可见光/近红外光谱范围内产生更高的发射，其中深紫外的增幅最大。

LDLS 寿命和稳定性

频繁更换和校准灯泡会消耗宝贵的技术和财务资源，从而降低生产率。在电极驱动灯中，热电极本身是主要的故障机制，因为它们将金属蒸发到石英灯泡上。在 LDLS 中，能量通过光学方式传递至 Xe 等离子体，因此高压灯泡上不存在高热应力、电应力或机械应力。灯泡的电极仅用于点火，与等离子体间隔开，并且在工作期间不直接被等离子体加热。寿命测试数据的比较突出了 LDLS 与典型 Xe 和 D2 灯之间输出随时间下降的差异(见表)。

对于高亮度、小光斑光源，空间稳定性对于与小光学扩展量应用的有效耦合至关重要。等离子体的任何运动，如氙弧灯的闪烁，都会转化为信号噪声。在 LDLS 中，激光焦点的精确控制与激光功率的调节相结合，表现出小于 ±1 µm 的空间稳定性(见图 3)。