激光驱动白光光源LDLS 高亮度宽带光源

ENERGETIQ激光驱动白光光源

现如今，成像和分析光谱广泛应用于生命科学和材料科学等领域，因此需要光源在广泛的波长范围内都能够提供极高的亮度。而传统的辐射校准光源，如氘灯、石英窗卤素钨灯、氙弧光灯等都在光谱范围、稳定性和工作寿命上具有非常大的局限性。传统光源需要在使用100小时或更短时间后进行重新校准，在使用500小时后还需要更换灯泡。经过一系列不懈的努力，Hamamatsu集团旗下的Energetiq公司革命性地研发出单点激光驱动光源技术，并将其命名为LDLS（Laser Driven Light Source），该类光源不仅可以在170 nm至2100nm的光谱范围内提供超高发光亮度，且LDLS的发光寿命相较于传统光源也要高出一个数量级。

1.1 LDLS产品特点及优势

l170 nm-2100 nm波长范围内具有超高亮度—100μm量级发光等离子体即可实现

l辐照度＞10-100 mW/mm.sr.nm（波长相关）—超快速测量

l光纤耦合或自由空间光束输出—光学灵活性高

l无电极结构—超长寿命、超高稳定性、超低成本

1.2 LDLS结构和工作原理

LDLS技术和传统的电致发光光源原理不同，传统电致发光光源通过光源灯室电极加高压激发灯室中气体放电，从而发光。LDLS使用外置1000nm左右波长激光光源汇聚到光源灯室中，加热氙等离子体，等离子体加热到足够的温度时发光。传统光源如弧光灯、氘灯、氙灯等，由于使用了电极耦合产生等离子体，亮度、UV光功率、寿命都有很大的限制。LDLS采用无电极激光驱动技术，有高效的光收集能力，可在深紫外至可见光以及更宽的光谱范围内提供超高发光亮度，且整个光源的发光寿命相比较于传统光源也高出了整整一个数量级。

LDLS光源整体结构由一个特殊设计的灯室，驱动激光光源，激光聚焦光路，光源输出光路，光源控制器等主要部分组成。

图 1.2.1 LDLS工作原理图

1.3 LDLS产品系列

根据使用环境和输出功率的不同需求，可以选择不同型号的LDLS光源进行匹配。其中，LDLS光源提供自由空间输出或光纤耦合输出的紧凑型EQ-99X系列、自由空间输出的EQ-9系列、高亮度自由空间输出的EQ-77系列、高功率应用的超高亮度EQ-400系列和高亮度输出波长可调窄光谱LDTLS系列。

图 1.3.1 LDLS产品系列

1.4 LDLS性能优势

1.4.1 高亮度

LDLS光源是高亮度光源，所谓的高亮度光源是指光源可以从一个极小的光点发出强光。作为高亮度光源，LDLS适用于成像应用和测量诸如微芯片，生物细胞等小型物体的应用。

lLDLS能从100μm量级的光点发出超强光

l超小光点成像（<<1mm）变得更容易

lLDLS光源更容易耦合进光纤和光谱仪

图 1.4.1 EQ-99系列光源发光等离子体尺寸（Typical）

 

1.4.2 宽光谱分布

lLDLS光谱分布涵盖了深紫外—可见光—近红外的光谱范围

l光谱分布平坦

l提供了传统光源无法比拟的极紫外波段光谱强度（>10X）

图 1.4.2 EQ-99X和卤钨灯光谱分布对比

图 1.4.3 LDLS系列光源光谱强度分布和传统光源对比

1.4.3 长寿命和高稳定性

l超长灯室寿命，超9000小时典型时长（低耗材成本）。

l校准时间间隔更长，与传统光源（氙灯、氘灯、卤钨灯）相比漂移更低。

图 1.4.4 LDLS系列光源和传统光源输出稳定性对比

表 1.4.1 EQ-99X光源和传统光源稳定性和寿命对比

1.4.4 LDLS发光等离子体的极高空间稳定性

l以每秒200帧的速度收集和存储2500张图像

l使用ImageJ（图像分析软件）计算每张图像的质心

l发光等离子体质心位置标准差:√水平方向：0.145µm

                                                        √垂直方向：0.094µm

图1.4.5 EQ-99系列发光等离子体质心分布

1.5 LDLS产品应用

l紫外-可见光光谱分析

l单色仪光源

l薄膜检测

l滤光片/光学元件测试

l原子吸收光谱

l材料特征检测

l环境分析

l高光谱成像

l气相分析测量

l光学传感器检测

l生命科学与生物成像

 

1.6 FAQ

1. Energetiq LDLS光源光谱范围？

EQ-99X, EQ-77和EQ-400光谱范围为170nm 到2400nm，EQ-99XFC光谱范围为 190nm 到2400nm，光谱范围的不同由光源灯泡和光窗材质决定。下图中为LDLS与传统氙灯、氘灯卤素灯的光谱强度分布曲线对比。

 

2. LDLS光源的功率和亮度可以到多少？

LDLS针对高亮度方面进行了优化，LDLS光源的功率从一个100μm左右的等离子体发出,所以LDLS光源可以在较小的辐射功率发出高亮度（spectral radiance - mwatts/nm/mm²/sr）的光。几种LDLS光源辐射功率和亮度选择如下：

lEQ-99X光辐射功率0.5W，光谱辐射强度10 mwatts/nm/mm²/sr

lEQ-77光辐射功率2W，光谱辐射强度40 mwatts/nm/mm²/sr

lEQ-400光辐射功率15W，光谱辐射强度100 mwatts/nm/mm²/sr

3. EQ-99XFC使用哪种光纤连接方式进行输出？

EQ-99XFC使用FC接头连接，为了保证产品的稳定输出，我们推荐使用原厂的光纤进行连接，目前我们可以提供不同纤芯直径的FC-FC和FC-SMA光纤供选择。

4. EQ-99XFC可以输出多强的光功率？

EQ-99XFC输出光功率取决于光纤的纤芯直径和光纤对波长的选择性，使用标准光纤输出的光功率如下：

l600μm core fiber, 0.22NA; ~200 mwatts (broadband)

l455μm core fiber, 0.22NA; ~150 mwatts (broadband)

l230μm core fiber, 0.22NA; ~70 mwatts (broadband)

l115μm core fiber, 0.22NA; ~25 mwatts (broadband)

l50μm core fiber, 0.22NA; ~5 mwatts (broadband)

l9μm core single mode fiber; ~40 μwatts (broadband)

5. EQ-99XFC光谱辐射强度可以到什么范围？

光谱辐射强度取决于输出光纤纤芯直径、波长选择性。230μm纤芯直径，0.22NA，长度1m的标准光纤输出，光谱辐射强度图如下所示：

6. 对EQ-99X 和 EQ-99XFC来说，控制器和光源灯室之间的光纤长度可以选择吗？

目前，EQ-99X 和 EQ-99XFC的控制器和光源灯室之间的光纤长度我们只提供1m的长度，其他长度暂时不能提供。

7. EQ-99XFC输出光纤长度可以选择吗？

我们可以提供性能最好、抗老化的不同纤芯的光纤，目前光纤长度有1m和2m两种选择。我们不建议客户选用更长长度的输出光纤，因为即使是最好的光纤也会吸收深紫外的光。

8. 什么是LDLS光源等离子体空间稳定性？

LDLS光源等离子体空间位置由激发激光聚焦点精准控制，LDLS产品等离子体位置在x,y,z三个方向上的分布偏差均小于0.5μm。

9. LDLS光源寿命可以到多久？

EQ-99系列和EQ-77系列光源的灯泡寿命均在9000小时以上。另外，光源工作1000小时以后，灯泡的输出功率只会衰减1%~2%。 

10. LDLS光源中的激发激光波长是多少？每种光源中的激发激光输出功率多少？

LDLS光源中的激发激光均为特殊定制的半导体激光器，这些激光器的波长均在1μm左右。 EQ-99系列光源中激发激光器输出功率在20W左右，EQ-77系列光源中激发激光器输出功率在50W左右，EQ-400系列光源中激发激光器输出功率在400W左右；激发激光器的功率决定了整个光源的输出功率。

11. EQ-99系列光源的灯室温度大概在什么范围？

在正常实验室环境中使用时，EQ-99X和EQ-99XFC灯室温度约为55℃，最终温度会随着使用环境的变化略有区别。 

12. 什么时候使用LDLS光源需要充氮气，氮气的气压需要多少？

LDLS光源产生大量深紫外光，200nm以下的深紫外光会使氧气转化为臭氧，同时臭氧会吸收240nm~270nm的深紫外光。因此，如需使用170nm~270nm的深紫外光，光源在使用时需要充入纯净氮气。同时，充入氮气也可以防止灯泡被空气中有机蒸汽污染。 为了保证光学器件的洁净，氮气需要满足6级洁净度，充入氮气的气压需要保持在0.14 MPa。