光學(xué)新進展推動近紫外應(yīng)用的發(fā)展

受到基底和鍍膜材料選擇范圍以及加工成本方面的限制，使得深紫外（100～250nm）應(yīng)用相對稀少，但是得益于新型光學(xué)元件、薄膜和光源的發(fā)展，較近近紫外（250～400nm）應(yīng)用正在蓬勃發(fā)展。

Gregory Fales，愛特蒙特光學(xué)公司光學(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)經(jīng)理

在電磁波譜圖中，通常將紫外波段（UV）分為三個區(qū)域：UV-C（通常定義為100～280nm）、UV-B（280～320nm）和UV-A（320～400nm）。然而，從更加實用的角度看，紫外光譜正好可以在250nm附近分成兩部分。對光學(xué)元件來講，在波長為100～250nm的范圍內(nèi)（通常分別定義為深紫外和極紫外區(qū)，或DUV和EUV區(qū)）可選擇的基底和鍍膜材料有限，并且加工成本昂貴，因此該波段內(nèi)的應(yīng)用一直相對稀少。然而，近紫外區(qū)的應(yīng)用正在蓬勃發(fā)展，并且在引領(lǐng)（或者也許是被引領(lǐng)）相關(guān)的紫外光學(xué)元件、薄膜以及紫外光源的進一步發(fā)展。


光學(xué)材料

事實上，光學(xué)元件的發(fā)展建立在材料科學(xué)的基礎(chǔ)之上。研究人員正在進行大量的研究工作開發(fā)在紫外區(qū)域有發(fā)展?jié)摿Φ墓鈱W(xué)材料，以及在遠(yuǎn)紅外區(qū)域有吸引力的單獨材料。在近紫外區(qū)域，光學(xué)透過材料的選擇一直都非常有限。

 熔融石英由于具有高透光率、低熱膨脹系數(shù)以及合理的色散，其已經(jīng)成為一種普遍的光學(xué)材料。然而，熔融石英也有它的局限性，特別是涉及到制造精密的折光元件的時候。熔融石英的低折射率（在整個近紫外、可見和近紅外區(qū)均小于1.50）不太適合設(shè)計和制造具有高數(shù)值孔徑的光學(xué)元件。高數(shù)值孔徑光學(xué)元件可用于收集和重新聚焦高度發(fā)散的光源（如熒光發(fā)射）或非常弱的光源（同樣是熒光發(fā)射），這在許多近紫外應(yīng)用中通常是必需的。

一個簡單的高數(shù)值孔徑近紫外“元件”有三種可能的配置，其中一種是一個由熔融石英制造的簡單的平凸透鏡（見圖1）。凸面的極大曲率立刻就顯現(xiàn)出來了。這個表面不僅很難加工，并且極大的曲率半徑帶來的球面像差產(chǎn)生了401個波長的聚焦點，從而形成一個大小為645µm的光斑。熔融石英制造的球面單透鏡相對較為便宜，且易于獲得，但很明顯只能提供適度的性能。另一種實現(xiàn)高數(shù)值孔徑的設(shè)計是采用氟化鈣（CaF2）和石英制造的三膠合透鏡（見圖2）。顯然這種設(shè)計帶來了性能上的顯著改善，獲得了303µm的光斑，光斑大小大約減少了50％。然而，氟化鈣要比熔融石英貴3～4倍，并且也是一種很難加工的材料，這意味著這種三膠合透鏡的成本將可能比球面單透鏡高20～25倍。與此類似的設(shè)計也和球面單透鏡一樣，可以從市場上購買，盡管不是很容易買到。

實現(xiàn)高數(shù)值孔徑近紫外“元件”較好的選擇，就是第三種途徑：熔融石英非球面透鏡。非球面表面消除了球面相差，所形成的光斑只受到衍射效應(yīng)的影響。雖然一些熔融石英非球面透鏡可以從市場上買到，但卻價格昂貴（價格為球面單透鏡的8～10倍），并且不能提供上述三膠合透鏡所具有的色差校正功能。熔融石英的高轉(zhuǎn)變溫度（Tg約為1000℃）消除了模具制造的可能性，而利用金剛石車削、計算機數(shù)字控制（CNC）或者磁流變拋光（MRF）設(shè)備，可以很容易將其加工成非球面。

幸運的是，無定形、硫系、硫化物和氟化物材料方面的研究已使得模壓紫外材料的選擇越來越多。ZBLAN是一種結(jié)合了重金屬鋯、鋇、鑭、鋁和鈉的氟化物玻璃，由于它的低轉(zhuǎn)變溫度（Tg低于300℃）和低色散，已經(jīng)引起了研究人員的廣泛興趣。

 在任一情況下（低成本模壓ZBLAN或加工熔融石英），非球面正在使需要高分辨率圖像和/或弱信號高度收集的應(yīng)用成為可能，特別是在生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域。比如用紫外線對蛋白質(zhì)的結(jié)晶成像，可以幫助將蛋白質(zhì)晶體與鹽晶體區(qū)分開來，揭示更多在可見光照射下不成像的晶體。這種技術(shù)依賴于色氨酸固有的熒光特性，即在280nm處有一吸收峰，而發(fā)射光譜覆蓋300～350nm。這些紫外線非球面透鏡提供了較大限度的信號采集和檢測，提高了設(shè)備的效能，并在藥物研發(fā)、設(shè)計和輸送等領(lǐng)域提供輔助。

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文章摘自《激光世界LaserFocus World China》五月刊第16頁，“光學(xué)新進展推動近紫外應(yīng)用的發(fā)展”。

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