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(duì)稀少，但是得益于新型光學(xué)元件、薄膜和光源的發(fā)展，最近近紫外（250～400nm）應(yīng)用正在蓬勃發(fā)展。

作者：Gregory Fales，愛(ài)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(gè)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(shí)用的角度看，紫外光譜正好可以在250nm附近分成兩部分。對(duì)光學(xué)元件來(lái)講，在波長(zhǎng)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(duì)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(jìn)一步發(fā)展。

光學(xué)材料

事實(shí)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(jìn)行大量的研究工作開(kāi)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(dú)材料。在近紫外區(qū)域，光學(xué)透過(guò)材料的選擇一直都非常有限。

圖1：三種標(biāo)準(zhǔn)高數(shù)值孔徑的近紫外元件設(shè)計(jì)，工作波長(zhǎng)為266nm。非球面透鏡提供了比球面單透鏡小兩個(gè)數(shù)量級(jí)的光斑尺寸。

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(shí)候。熔融石英的低折射率（在整個(gè)近紫外、可見(jiàn)和近紅外區(qū)均小于1.50）不太適合設(shè)計(jì)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(gè)簡(jiǎn)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(gè)由熔融石英制造的簡(jiǎn)單的平凸透鏡（見(jiàn)圖1）。凸面的極大曲率立刻就顯現(xiàn)出來(lái)了。這個(gè)表面不僅很難加工，并且極大的曲率半徑帶來(lái)的球面像差產(chǎn)生了401個(gè)波長(zhǎng)的聚焦點(diǎn)，從而形成一個(gè)大小為645µm的光斑。熔融石英制造的球面單透鏡相對(duì)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(shí)現(xiàn)高數(shù)值孔徑的設(shè)計(jì)是采用氟化鈣（CaF2）和石英制造的三膠合透鏡（見(jiàn)圖2）。顯然這種設(shè)計(jì)帶來(lái)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(lèi)似的設(shè)計(jì)也和球面單透鏡一樣，可以從市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)，盡管不是很容易買(mǎi)到。

實(shí)現(xiàn)高數(shù)值孔徑近紫外“元件”最好的選擇，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(chǎng)上買(mǎi)到，但卻價(jià)格昂貴（價(jià)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(chē)削、計(jì)算機(jī)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(yùn)的是，無(wú)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(lái)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。

圖2：三膠合透鏡設(shè)計(jì)用以減小近紫外光源的光斑尺寸。

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(hào)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(xiàn)對(duì)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(kāi)來(lái)，揭示更多在可見(jiàn)光照射下不成像的晶體。這種技術(shù)依賴(lài)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(xiàn)非球面透鏡提供了最大限度的信號(hào)采集和檢測(cè)，提高了設(shè)備的效能，并在藥物研發(fā)、設(shè)計(jì)和輸送等領(lǐng)域提供輔助。

波長(zhǎng)濾波

除了收集和聚焦近紫外光信號(hào)，近紫外線(xiàn)照射的選擇性分離對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。直到最近，需要在近紫外區(qū)域進(jìn)行波長(zhǎng)選擇性分離的應(yīng)用仍只有非常有限的選擇。光柵歷來(lái)都被有效地用于波長(zhǎng)分離儀器，如分光光度計(jì)和單色儀。但是，光柵往往產(chǎn)生相當(dāng)多的雜散光，在近紫外區(qū)的效率相對(duì)較低（小于70％），并且不允許對(duì)物體進(jìn)行直接成像。此外，考慮到基于光柵的儀器所需要的復(fù)雜幾何配置，濾光片顯然具有重要作用。

近紫外濾光器的推出已有一段時(shí)間。然而直到最近，光學(xué)濾光片幾乎都是由軟膜薄膜材料和/或多個(gè)吸收薄膜層和半透明玻璃基底制造而成的。軟膜（通常為金屬介質(zhì)混合膜堆）透過(guò)率低，損傷閾值低，并且環(huán)境穩(wěn)定性差，很容易由于熱、潮濕或經(jīng)常被接觸而損壞。吸收層和半透明玻璃基底通常表現(xiàn)出有害的自發(fā)熒光，在探測(cè)器上產(chǎn)生大量噪聲。

在制備耐用、更加穩(wěn)定的濾光薄膜方面，過(guò)去10年中已經(jīng)取得諸多進(jìn)展，特別是在紫色、藍(lán)色和綠色光譜區(qū)域內(nèi)，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中廣泛用于收集和分離常見(jiàn)的熒光蛋白質(zhì)的激發(fā)和發(fā)射光譜，以及在通信波段的近紅外區(qū)域?qū)�C波段（1530～1570nm）和L波段（1565～1625nm）選取特定波長(zhǎng)。制備這些濾光片的技術(shù)包括離子束濺射技術(shù)和先進(jìn)的等離子反應(yīng)濺射技術(shù)，使用硅、鋁、鈦、鉭、鋯、釔、鉿、鈧和鈮的氧化物在高能量下沉積，產(chǎn)生致密和緊湊的薄膜（見(jiàn)圖3）。

然而，在近紫外波段沉積同樣的材料卻面臨著巨大挑戰(zhàn)。難熔的材料在近紫外區(qū)域往往具有更高的吸收──以至于如硅、鈦、鋯和鈮的氧化物都不再適用。材料的折射率在近紫外區(qū)迅速變化也是問(wèn)題，這使得制備具有高通帶透過(guò)率、深帶外截止以及在通帶和截止帶之間具有尖銳過(guò)渡區(qū)的濾光片更具挑戰(zhàn)性。為了在紫外波段獲得較高的透過(guò)率，要求膜層相對(duì)較薄，這使得問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化。

圖 3：采用先進(jìn)的等離子體反應(yīng)濺射技術(shù)制備的硬膜紫外濾光片。

盡管面臨這些挑戰(zhàn)，廠商還是生產(chǎn)出了更高性能的紫外濾光片。具有通帶透過(guò)率高于80％、通帶外透過(guò)率為10^-6，并且具有尖銳過(guò)渡區(qū)的濾光片，正使得光譜、熒光顯微、凈化、消毒、工業(yè)加工和半導(dǎo)體制造等領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。

照射光源進(jìn)展

如果沒(méi)有近紫外區(qū)域大量光源的進(jìn)展，所有這些都不可能實(shí)現(xiàn)。在此之前，需要紫外照明的應(yīng)用僅有相當(dāng)有限的選擇；用于寬帶輸出的氙燈或氘燈，用于準(zhǔn)單色輸出的汞燈，或者用于真正的單色輸出的多種激光光源（如氯化氙、氟化氙、Nd：YAG激光器的三倍頻和四倍頻、氮?dú)�、氦鎘和氬離子激光器）。不過(guò)，當(dāng)前正在研究制造準(zhǔn)單色和真正單色的半導(dǎo)體光源，創(chuàng)造了更小、更便宜和能源效率更好的紫外照射光源。

此前采用汞弧光燈（峰值為253nm、313nm、334nm、365nm和406 nm）準(zhǔn)單色輸出的應(yīng)用，現(xiàn)在正被氮化鎵（GaN）、氮化鋁鎵（AlGaN）和氮化鋁鎵銦（AlInGaN）發(fā)光二極管（LED）所取代。這些寬帶隙III-V族化合物的商用LED，輸出波長(zhǎng)低至280nm、功率數(shù)十毫瓦，室溫下壽命達(dá)到數(shù)千小時(shí)。短波長(zhǎng)紫外LED的應(yīng)用包括生物傳感器、水凈化和熒光光譜。對(duì)于更成熟的波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紫外LED（約365nm），其應(yīng)用包括偽造檢測(cè)、紫外光固化系統(tǒng)、光刻和DNA測(cè)序與分析等。

近紫外區(qū)域真正的單色半導(dǎo)體光源（激光二極管）仍處于研究階段。輸出功率為數(shù)十毫瓦、工作壽命幾百小時(shí)的375nm激光二極管可以很容易購(gòu)得，但除了這些激光二極管，氮化銦鎵（InGaN）配置的材料限制使實(shí)現(xiàn)受激輻射相當(dāng)困難。

總之，近紫外光譜區(qū)的進(jìn)展正在迅速發(fā)生。從透鏡、反射鏡、偏振片和棱鏡等標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)元件到更為復(fù)雜的物鏡和非球面鏡，都比以往更加容易獲得。尤其是非球面鏡和物鏡，由于可以獲得更小的聚焦點(diǎn)尺寸（使用紫外光的主要優(yōu)點(diǎn)之一），使得利用紫外照射最為有效。通過(guò)致密濺射技術(shù)制備的薄膜，具有更高的透過(guò)率和更好的對(duì)比度，這進(jìn)一步強(qiáng)化了該方面優(yōu)勢(shì)。這也是為什么許多行業(yè)應(yīng)用正在轉(zhuǎn)向采用紫外光來(lái)解決所面臨的挑戰(zhàn)，為人類(lèi)創(chuàng)造一個(gè)更美好、更清潔、更安全和更健康的明天。