המסננים האופטיים הולכים ומעמיקים

דור חדש של מסננים אופטיים זוכים ביתרונות מיישומים אופטיים בתחום האולטרה–סגול הבינוני

מאת דר’ טוראן ארדוגאן ודר’ אטול פרדהאן, חברת Semrock

חשיבותם של יישומים אופטיים בתחום הספקטראלי האולטרה–סגול הבינוני,
200–320 ננו–מטר, ממשיכה לגדול עם הופעתם של מקורות אור חדשים בטווח זה, המזוהה גם כתחומי UVC ו–UVB.

בין הדוגמאות למקורות חדשים נכללים לייזרים יעילים יותר לתחום זה, נוריות LED מאלומיניום–גאליום–ניטריד (AlGaN) ומקורות רחבי פס קונבנציונליים משופרים, כדוגמת נורות כספית בלחץ גבוה וקשת קסנון.

המחסום העיקרי שהופך את התחום הזה לאתגר הוא המחסור במסננים אופטיים עמידים. ואולם, למסננים אופטיים העשויים חומרי ציפוי בשכבות דקות (thin film) לאורכי גל קצרים אלו, שיש להם בליעה ופיזור ספקטראלי נמוכים יחסית ואמינות גבוהה, היו יכולים להיות יתרונות משמעותיים יותר לעומת רכיבים כמו סורג שבירה (diffraction grating).

בהשוואה למערכות עם מסננים, מערכות מבוססות סורג אינן ברירות ולא מגיעות לתפוקה דומה. עד לאחרונה, היו המסננים לתחום האולטרה–סגול הבינוני בעלי ביצועים גרועים במונחים של תמסורת, ברירות ספקטראלית ועמידות. חומרי הציפוי וההרכב של המסננים אינם יכולים לעמוד בעוצמת אנרגיה של ההארה באורכי הגל האלה.

מסננים אופטיים עם ביצועים טובים בתחום האולטרה–סגול הבינוני חשובים ביותר לפיתוח של סוגי מכשור חדשים בתחומי הבליעה, הפלואורסצנציה והספקטרוסקופיה הביו–כימיות וכן למימוש מלא של הפוטנציאל התעשייתי בתחומים כמו עיקור באולטרה–סגול, וייצור מוליכים למחצה ומוצרי אלקטרוניקה.

ריבוץ של מסננים באולטרה–סגול

מסנני התאבכות מודרניים בשכבות דקות עם ציפויים דיאלקטריים של תחמוצות מוקשחות וצפופות ועם פסי העברה באורכי גל באור הנראה ובאינפרה–אדום מבוססים היטב כבר בימינו. ריבוץ (deposition) בהתזת קרן יונים נעשה בכיוון של קרן יונים באנרגיה גבוהה אל מטרה ממתכת או מתחמוצת מתכתית. אם אנרגית היונים גבוהה מספיק, אטומים מותזים משטח הפנים של המטרה ועוברים למצע זכוכית סמוך שבו הם מורבצים בתהליך דיפוזיה (איור 1).

בריבוץ של חומרים בשכבות דקות לתחום האולטרה סגול יש קשיים כמו למשל הבליעה הגבוהה של חומרי שבירה באורכי גל אלו והשונות הגבוהה של מקדמי השבירה. תכונות אלו קיימות בכל תחמוצות הציפוי שיכולות לשמש לתחום האולטרה סגול הבינוני כולל Al2O3, HfO2, Ta2O5, Sc2O3 ו–Y2O3.

כדי להשיג את התכונות הרצויות, יכולת העברה (transmission) גבוהה, חסימה גדולה מחוץ לפס ההעברה ושפות חדות משני צדי פס המעבר, יש לבצע ריבוץ של שכבות רבות. מסננים בעלי ביצועים גבוהים בתחום הנראה ובתחום האינפרה–אדום הקרוב עשויים בימינו ממאות שכבות. אפילו רמות זעירות של בליעה ושגיאות קטנות של שונות מקדם השבירה גורמות לפגיעה חמורה ביכולת ההעברה ובפרופיל הספקטרלי הנדרשים.

איור 1. מסננים אופטיים מתקדמים לאורכי גל בתחום האולטרה–סגול הבינוני נוצרים בהתזת יונים (משמאל). אפשר לבצע ריבוץ של ציפויים בשכבות דקות מרובות עם עמידות גבוהה והפסדים נמוכים על מצע זכוכית יחיד וליצור מסננים אופטיים מורכבים.

השליטה במשתנים אלו דורשת חשיבה מעמיקה וניטור מדויק של הסטוכיומטריה של החומרים בריבוץ. הריבוץ לתחום האולטרה–סגול מכביד אף יותר כתוצאה מהעובי הפיסי הדק של השכבות, אשר דורש אפיצויות (טולראנס) הדוקות יותר בתזמוני הריבוץ.

הקרינה האולטרה–סגולה מעמידה במיוחד אתגרים בפני מערכות אופטיות מאחר שיכולת העברה ומקדם השבירה של חומרים רבים נפגעים במהירות כשהם נחשפים לתאורה אולטרה–סגולה כמו בפגיעה מקרינת השמש (“סולריזציה”). מתכנני מערכות אפטיות נאלצים לעתים להשתמש בקרניים אולטרה סגולות בעלות רוחב גדול עם מסננים רחבים כדי להקטין את עוצמת הקרינה ומכאן גם את הפגיעה במסננים. פעולות כאלו מגדילות מאוד את עלויות המערכת. בניגוד לכך, מסננים לאולטרה–סגול בתחמוצת “קשה” העשויים בהתזת יונים לא הראו שינו משמעותי ביכולת ההעברה ובמקדם השבירה גם לאחר אלפי שעות חשיפה לקרינה בתחום האולטרה–סגול הבינוני.

איור 2. ספקטרום אופייני של נורות קשת כספית בלחץ נמוך ובלחץ גבוה באורך גל של 254 ננו–מטר מוצגים על הספקטרום של מסנן קווי כספית.

הארת קווי כספית

למסנני תחמוצת “קשה” לאולטרה–סגול יש יתרונות ליישומים עם נורות קשת כספית. נורות כספית בלחץ נמוך מפיקות קרינה בקווי תהודה בעוצמה גבוהה, למשל בתחום האולטרה–סגול הבינוני ב–254 ננו–מטר. למקורות אור מעשיים בספקטרום קווי כספית של 254 ננו–מטר בעוצמה גבוהה (לחץ גבוה) יש כמות משמעותית של הרחבת קווים כתוצאה מהתנגשויות ומאפקט דופלר וכן בליעה במרכז הקו המובילה להיפוך עצמי. נורות אלו משמשות למגוון יישומים ביניהם חישול וריפוי, ציפוי ללא זרם (electroless) ולתהליכי חמצון אלקטרוכימיים בייצור מעגלים אלקטרוניים ומעגלים מודפסים.

מקור אור כזה רחב פס עם סינון מתאים (איור 2) שימושי ביישומי ליתוגרפיה מחקריים או בכמויות קטנות, במיוחד ביישומים עם מערכות קטדיופטריות או עם החזרות רבות. מערכות אלו יזכו ביתרונות מהשיפור ברזולוציה תלוי אורך הגל למרות שבקו 254 ננו–מטר יש פחות עוצמה באופן משמעותי מקו 365 ננו–מטר של כספית שבו מקובל היה להשתמש.

מסננים המעבירים קרינה בפסי הארטלי של אוזון (230 עד 290 ננו–מטר) וחוסמים קרינת שמש “מזהמת” באורכי גל ארוכים יותר חשובים לגילוי קרינה אולטרה–סגולה המכונה “עיוורון שמש”. קרינה בפסי הארטלי נבלעת במידה רבה ביותר וכמעט שלא מגיעה לפני כדור הארץ. לתחום זה שימשו מסנני מתכת–חומר דיאלקטרי, עם יכולת העברה גרועה. יכולת ההעברה הגבוהה של מסנני התחמוצת הקשה מהסוג החדש, יכולה לשמש ביישומי “עיוורון שמש”, כולל פריקה חשמלית, תקשורת סיב–אופטית, ניטור חומרים פחמימניים ארומטיים מרובי טבעות בתעשייה הפטרו–כימית וניתוח כימי של להבה ושריפה.

איור 3. מסנן חדש, חד, מעביר אורך גל ארוך ועם יכולת העברה גבוהה, חוסם את קו 266 ננו–מטר של לייזר Nd:YAG עם צפיפות אופטית גדולה מ–6, תוך שידור אותות רמאן מאורכי גל קצרים ב–268 ננו–מטר עד בערך 30 ננו–מטר.

איור 4. הספקטרום של שתי מולקולות בעלות שיאי בליעה בתחום האולטרה–סגול הבינוני עם הספקטרום של נורית LED ב–280 ננו–מטר ועם הספקטרום של מסנן אופטי בעל ביצועים גבוהים.

סקטרוסקופיית רמאן באולטרה–סגול

יישומים חשובים ומאתגרים עם מסננים באולטרה–סגול בינוני הם גילוי וסיווג מרחוק של קרינת רמאן ושל נגיהה עצמית (fluorescence) מעקבות של חומרים כימיים מסוכנים. כאשר אורכי גל העירור קרובים ל–250 ננו–מטר או פחות, פסי קרינת רמאן ונגיהה עצמית מופיעים באזורים ספקטרליים שונים עבור כל החומרים כמעט ומאפשרים לחיישנים לגלות חומרים בלתי ידועים על ידי הפרדה בין שני סוגי הקרינה. הגילוי בתחום האולטרה–סגול הבינוני מנצל את התעצמות האותות בתהודה הקיימת במגוון רחב של חומרים אורגניים, אשר למעשה מבטלת את קרינת הרקע מחומרים בסביבה ומאפשרת גילוי מרחוק בתחום “עיוורון השמש” בתנאים של אור שמש מלא.

ההצלחה להשיג את המטרות האלה תלויה במידה רבה ביכולת של מסננים אופטיים לחסום פיזור באורך הגל של עירור הלייזר (צפיפות אופטית גדולה מ–6), לעבור בחדות מאורך הגל החסום של הלייזר ליכולת העברה גבוהה של פסי רמאן, לחסום ביעילות אור בלתי רצוי מעל לפסי רמאן והנגיהה, ולא לפלוט קרינה עצמית בחשיפה לקרינת לייזר באולטרה–סגול בינוני.

עבור מסנני שפה באולטרה–סגול בינוני, המעבר מחסימה גבוהה להעברה גבוהה חייב להיות בתחום של פחות מ–3 עד 4 ננו–מטר כדי להשיג גילוי של פיזור רמאן של פחות מ–500 ס”מ1- בערך. זליגה קטנה של אורך גל בלתי רצוי במסנן עלולה לפגוע בצורה חמורה בביצועי החיישן במיוחד עבור פיזור רמאן ספונטני. איור 3 מציג דוגמה של ספקטרום ההעברה הנמדד של מסנן עם שפות חדות שנוצר בשיטת ריבוץ מודרנית בהתזת קרן יונים ועם ציפוי בתחמוצת קשה, על ספקטרום מייצג של קו לייזר ב–266 ננו–מטר, כמה קווי רמאן, ונגיהה עצמית באור הנראה ובאולטרה–סגול הקרוב.

מספר גדל והולך של לייזרים קומפקטיים וזולים באולטרה–סגול בינוני הפך לאחרונה להיות זמין בשוק באופן נרחב, כמו למשל לייזרים Nd:YAG שאובי דיודה ב–266 ננו–מטר ולייזרים שפולטים 248ץ6 ננו–מטר ו–224ץ3 ננו–מטר. ללייזרים אלו יש רוחב קרן פחות מ–4 פיקו–מטר, הם מפיקים במוצא הספק גדול מ–500 מילי–וואט, משקלם פחות מחצי קילו והם צורכים הספק כולל של פחות מ–5 וואט. בשילוב עם מסנני השכבות הדקות בהתזת קרן יונים, כולל סוגי המסננים למעבר אורך גל ארוך RazorEdge ולקו הלייזר MaxLine של חברת Semrock, ספקטרוסקופיית רמאן ברגישות–על בתחום האולטרה–סגול הבינוני הופכת להיות טכניקה נגישה הרבה יותר.

ספקטרוסקופיית נגיהה

הבסיס התיאורטי של יישומי ספקטרוסקופיה רבים מבחינת המסננים האופטיים באולטרה–סגול נעוץ בעובדה שמערך האלקטרונים של מולקולות מסוימות מאפשר בליעה באולטרה–סגול בינוני אשר נובעת ממעברים מקרינים בין מסלולים. לדוגמה, לנוקלאוטיד יש בליעה בערך ב–260 ננו–מטר ולחומצות אמיניות שיש להן נגיהה, כגון טריפטופאן, יש בליעה ב–280 ננו–מטר.

פרוטאינים הם אבני בנין בסיסיות של אורגניזמים ביולוגיים והם קשורים בתהליכים ביוכימיים רבים. הם מכילים את כל שלוש השאריות של חומצות אמיניות בעלות נגיהה (טריפטופאן, טירוצין ופנילאלנין) והם לכן בעלי נגיהה עצמית. מכאן, אפשר למדוד אותם או לעשות להם הדמיה עם סגוליות גבוהה באמצעות טכניקות הדמיה סטנדרטיות בנגיהה וללא צורך בתהליכי תיוג נגיהה ישיר. איור 4 מציג את הבליעה של החומצה האמינית טריפטופאן עם בליעה של דוגמה אחרת של מולקולה חשובה המכילה טבעות ארומטיות (נפתלין), את הפרופיל הספקטרלי של נורית LED מסוג אלומיניום–גאליום–ניטריד, שלה יש שיא באורך גל של 280 ננו–מטר בערך, ואת המסנן החדש מעביר תחום בעל יכולת העברה גבוהה. סוג זה של מסנני שכבות דקות מגיע ליכולת העברה של 70 אחוזים עם שפות חדות ביותר וחסימה גבוהה מחוץ לפס. ורק לצורך השוואה, למסנני מתכת–חומר דיאלקטרי יש בדרך כלל רק 10 עד 15 אחוזים של יכולת העברה בתחום האולטרה–סגול הבינוני, יכולת חסימה נמוכה יותר ושפות שנדרש להן עשרות ננו–מטרים כדי לעבור בין אזור ההעברה הגבוהה לאזור החסימה.