光学新进展推动近紫外应用的发展

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，较近近紫外（250～400nm）应用正在蓬勃发展。

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。

 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”较好的选择，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。

 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较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。

......

文章摘自《激光世界LaserFocus World China》五月刊第16页，“光学新进展推动近紫外应用的发展”。

相关阅读:

没有相关新闻...