העמדת מקורות אור מתכווננים במבחן

המטרות הנפוצות של יישומי ספקטרוסקופיה, כגון חקר התכונות הכימיות או הביולוגיות של חומר, מכתיבות בדרך כלל את הדרישות של נורת מערכת המדידה, ספק הכוח והמונוכרומטור.

נורות קסנון וקסנון כספית – שתי דוגמאות לנורות קשת לזרם ישר

מדידות ספקטרוסקופיות נפוצות רבות דורשות פעולה מתואמת של גלאי ומקור אור, כמו גם איסוף מידע ועיבודו. שילוב של רכיבים בודדים יחד יכול להיות מאתגר וליישומים שונים עשויות להיות דרישות שונות. מקורות אור מתכווננים קונבנציונליים מבוססי נורה הם הבחירה הנפוצה עבור יישומים הדורשים מערכת מדידה עם רמת יכולת כזו.
קיימים סוגים רבים של מקורות אור מתכווננים, עם הבדלים בביצועי כל אחד מהרכיבים המתורגמים לביצועים של המערכת בכללותה. מקורות אור מתכווננים נמצאים כמערכת אידיאלית במיוחד עבור יישום אחד בפרט: אפיון יעילות קוונטית ותגובתיות ספקטרלית של חיישנים פוטוניים, כגון תאים סולריים.  הרבגוניות של מקור האור המתכוונן (TLS), הן כמקור אור בפס רחב והן כמקור אור מונוכרומטי ברזולוציה גבוהה, הופכת את היחידה למתאימה למגוון יישומים, כגון חקר של כימיקל תלוי אורך גל או תכונות ביולוגיות או שינויים פיזיים המושרים על ידי אורך גל של חומרים. מקורות אור אלה יכולים לשמש גם בניתוח צבעים ובמדידות ההחזרה של חומרים למטרות איכות.  בין התכונות הייחודיות שלו, ה-TLS יכול לייצר אור מונוכרומטי החל מאולטרה-סגול ועד לאינפרה-אדום קרוב (NIR). מקורות TLS מבוססי נורה כוללים שני מרכיבים עיקריים: מקור אור ומונוכרומטור. נורות נפוצות המשמשות במקורות TLS הינן נורת קשת לזרם ישר ונורת קוורץ הלוגן טונגסטן (QTH). בעוד ששתי נורות אלה הן בעלות ספקטרום פליטה רחב, נורות קשת ונורות QTH נבדלות זו מזו בפליטת אורכי הגל האופייניים או בצורה החלקה יחסית של עקומות התפוקה הספקטרלית שלהן, בהתאמה. ספק כוח יציב עבור הנורה הוא רכיב חיוני מאחר שמרבית היישומים דורשים יציבות גבוהה של הספק תפוקת האור.

איור 2. הספקטרום של נורת קסנון 3000 W ונורת QTH 250 W המשמשות במקורות אור מתכווננים של Oriel. התמונה באדיבות Newport Corp

תפוקה ספקטרלית חלקה לעומת תפוקת המונוכרומטור  נורות קשת לזרם ישר הן מקורות מצוינים של אור גל רציף בפס רחב. הן מורכבות משתי אלקטרודות (אנודה וקתודה) המופרדות על ידי גז כגון ניאון, ארגון, כספית או קסנון. האור מופק על ידי יינון הגז בין האלקטרודות. פליטת הפס הרחב הבהירה מקשת קצרה זו שבין האנודה לקתודה הופכת נורות אלה למקורות נקודתיים בעלי עוצמה גבוהה, המסוגלים להיות מקבילים עם בחירת העדשה הנכונה.  נורות קשת לזרם ישר גם מציעות את היתרונות של משך חיים ארוך, תפוקת מונוכרומטור מעולה (במיוחד בתחום האולטרה-סגול) וזווית התבדרות קטנה. הן מתאימות במיוחד עבור יישומי צימוד סיבים (ראה איור 1). נורות קשת קסנון (Xe), במיוחד, הן בעלות עקומת פליטה חלקה יחסית בספקטרום שבין אולטרה-סגול לאור נראה, באורכי גל אופייניים נפלטים בין 380 ל-750 ננומטר. עם זאת, השיאים החזקים של קסנון הם בין 750 ל-1000 ננומטר.  ספקטרום הפליטה מדמה השמש שלהם וטמפרטורת הצבע של כ 5800 K הופכים אותם לבחירה הנפוצה עבור יישומי הדמיית אור שמש (ראה איור 2).
נורות קשת יכולות להיות בעלות מאפיינים מיוחדים כדלקמן:
• ללא אוזון: פליטת אורכי גל מתחת לכ-260 ננומטר יוצרת אוזון רעיל. באופן אידאלי, נורת קשת מופעלת בחוץ או בחדר עם אוורור מספיק כדי להגן על המשתמש מפני האוזון שנוצר.

איור 1. נורת קשת קסנון בתוך בית מנורה מסדרת Research של Newport – Oriel. התמונה באדיבות Newport Corp

• אולטרה-סגול משופר: עבור יישומים הדורשים עוצמת אור אולטרה-סגול נוספת, יש להשתמש בנורות אולטרה-סגול משופר. נורות אלה מספקות את אותם ביצועי אור נראה עד אינפרה אדום קרוב של נורת קשת, תוך מתן תפוקת אולטרה-סגול בעוצמה גבוהה, עקב שינויים בחומר ממנו עשויה מעטפת הזכוכית של הנורה.
• יציבות גבוהה: נורות קשת ביציבות גבוהה עשויות קתודה באיכות גבוהה מזו המשמשת בדרך כלל לבניית נורת קשת. כתוצאה מכך, לא מתרחשת תזוזת קשת דבר המאפשר לנורה לשמור על עוצמת תפוקה אחידה לאורך כל משך החיים שלה.
נורות QTH מפיקות אור על ידי חימום חוט להט באמצעות זרם חשמלי. חוט הלהט החם מוקף בוואקום או בגז אציל כדי למנוע התחמצנות. נורות QTH אינן מאוד יעילות בהמרת חשמל לאור, אך הן מציעות שעתוק צבעים מדויק מאוד בשל ספקטרום הגוף השחור הרציף שלהן. נורות אלה הן חלופה נפוצה לנורות קשת בשל יציבות עוצמת התפוקה הגבוהה יותר שלהן והיעדר פליטת אור אולטרה-סגול עז, קווי פליטה ספקטרליים בעקומת התפוקה וייצור אוזון רעיל. יתרונות אלה על פני נורות קשת מסורתיות לזרם ישר הופכות את נורות ה-QTH לעדיפות עבור יישומים רדיומטריים ופוטומטריים וכן עבור מקורות של אור נראה עד אינפרה אדום קרוב. נורות QTH הן גם קלות יותר לטיפול ולהתקנה, ומפיקות ספקטרום תפוקה חלק. בחירת סוג הנורה המתאים ביותר היא עניין של החלטה אילו שיקולי ביצועים הם החשובים ביותר.

זרם קבוע לעומת הספק קבוע
ספק הכוח הוא רכיב חיוני להפעלת נורת קשת לזרם ישר או נורת QTH עם אדוות אור מזערית. הנורות מופעלות במצב זרם קבוע או הספק קבוע ומשמשות ביישומים כגון מדידות רדיומטריות, בהן נדרשת תפוקת אור יציבה למדידה מדויקת. הספק חשמלי יציב לנורה הוא חשוב מאחר שהתנודות באורך הגל ובעוצמת התפוקה של מקור האור משפיעות על דיוק המדידה.
אין כמעט הבדל ביציבות התפוקה בטווח הקצר בעת הפעלת נורת קשת או נורת QTH במצב זרם קבוע או הספק קבוע. עם זאת, ההבדלים מופיעים כאשר הנורה מתיישנת. עבור נורות קשת, אפילו עם ספק כוח יציב, ככל שהאלקטרודות מתפרקות נראים משקעים על החלק הפנימי של מעטפת הנורה, הגורמים למנח קשת בלתי יציב המשנה את המאפיינים החשמליים של

איור 3. ספקי הכוח מסדרת OPS של Oriel מציעים את האפשרות להפעלת נורה במצבי פעולה בהספק קבוע, זרם קבוע או עוצמה.
התמונה באדיבות Newport Corp

נורת הקשת. המרחק בין הקתודה לבין האנודה של נורת הקשת עולה, תוך העלאת מתח ההפעלה של הנורה. עבור נורות QTH, ככל שחוט הלהט מתפרק נראים משקעים על החלק הפנימי של מעטפת הנורה – ואלה משנים את המאפיינים החשמליים והספקטרליים של הנורה.
במצב הספק, הנורה מופעלת במסגרת הספק קבוע. משום שלא ניתן לשנות את המתח, הזרם עולה או יורד כדי לשמור על ההספק באותה הרמה. כאשר הנורה מתיישנת, תפוקת הקרינה קטנה. עם זאת, משך חיי הנורה מתארך.  במצב זרם, הנורה מופעלת בסביבת זרם קבוע. כיוון שלא ניתן לשנות את המתח, ההספק עולה או יורד כדי לשמור על הזרם באותה הרמה. כאשר הנורה מתיישנת, הספק הכניסה הדרוש להפעלה גדל. הדבר מוביל להספק תפוקה גדול יותר, אשר עשוי לסייע במידה מסוימת כדי לפצות על מעטפת הנורה המתכהה. עם זאת, משך חיי הנורה יופחתו באופן משמעותי עקב עליית ההספק.  אף כי ספקי הכוח מיוצבים מאוד, ישנם גורמים שאינם בשליטת ספק הכוח שעשויים להשפיע על תפוקת האור. חלק מגורמים אלה כוללים את התיישנות הנורה, תנודות טמפרטורת הסביבה ושחיקת חוט הלהט. עבור יישומים בהם עוצמת תפוקת אור ביציבות גבוהה היא קריטית במיוחד, מוצעת בקרת משוב אופטית של ספק הכוח כדי לפצות על גורמים כאלה (ראה איור 3).

סריגי העקיפה מצמצמים את פס אורכי הגל

איור 4. חריץ בעל רוחב קבוע מותקן לתוך מונוכרומטור Cornerstone 130 של Oriel. התמונה באדיבות Newport Corp

מונוכרומטורים משתמשים בסריגי עקיפה כדי לבחור פס צר של אורכי גל ממקור אור הפולט אורך גל בעל פס רחב יותר. אלה הם פריטי ציוד יקרי ערך, כי הם יכולים לשמש ליצירת אור מונוכרומטי וגם למדידות ספקטרליות בדיוק גבוה. מנוע סטפר בדיוק גבוה משמש בדרך כלל כדי לבחור את אורך הגל הרצוי ולעבור בין סריגי העקיפה במהירות, מבלי להתפשר על ביצועי המכשירים.  הקביעה באיזה רוחב חריץ יש להשתמש מבוססת על האיזון בין תפוקת האור לבין הרזולוציה הנדרשת למדידה. רוחב חריץ גדול יותר מאפשר תפוקת אור גדולה יותר. עם זאת, תפוקת אור גדולה יותר מביאה לרזולוציה נמוכה יותר. בעת בחירת רוחב החריץ שבו יש להפעיל את המונוכרומטור, הן היציאה והן הכניסה חייבות להיות מוגדרות לאותו רוחב חריץ (ראה איור 4). אור ממוקד נכנס למונוכרומטור דרך חריץ הכניסה, ומנותב על ידי קולימטור לעבר הסריג. הסריג מפנה את האור לעבר מראת המיקוד, אשר מפנה בתורה את אורך הגל שנבחר לכיוון חריץ היציאה. בחריצי היציאה נפלט אור מעין מונוכרומטי.

מדידת יעילות קוונטית
מדידת יעילות קוונטית (QE) על פני טווח של אורכי גל שונים של מכשיר בכל רמת אנרגיית פוטונים היא משימה אידיאלית עבור מקור אור מתכוונן. היעילות הקוונטית של חומר פוטואלקטרי עבור פוטונים עם אנרגיה מתחת לפס האסור היא אפס. ערך היעילות הקוונטית של מכשיר חישת אור כגון תא סולרי מציין את כמות הזרם שהתא מפיק כאשר הוא מוקרן על ידי פוטונים באורך גל מסוים. עיקרון מדידת היעילות הקוונטית הוא ספירת היחס של נושאי המטען המופקים מפס הערכיות של החומר למספר הפוטונים הפוגעים במשטח. לשם כך, יש צורך להאיר את התא באור מכויל ומתכוונן, תוך מדידת זרם המוצא במקביל. המפתח למדידה מדויקת של היעילות הקוונטית או היעילות הפנימית של פוטונים לזרם הוא לדעת במדויק כמה אור סורק פוגע בהתקן הנבדק וכמה זרם נוצר. לפיכך, מדידת תפוקת האור עם גלאי מכויל הניתן למעקב של NIST (המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה) הינה הכרחית לפני הבדיקה מאחר שנדרשת תאורה של הספק אופטי מוחלט.
יעילות קוונטית חיצונית (EQE) היא היחס בין מספר הפוטונים הפוגע בתא סולרי למספר נושאי המטען שנוצרו. יעילות קוונטית פנימית (IQE) גם מביאה בחשבון את היעילות הפנימית – כלומר, ההפסדים הקשורים לפוטונים הנבלעים על ידי השכבות הלא פעילות של התא. לשם השוואה, ה-EQE היא הרבה יותר פשוטה למדידה, ונותנת פרמטר ישיר של כמה זרם יציאה ייתרם למעגל היציאה לכל פוטון פוגע באורך גל נתון. IQE הוא פרמטר מעמיק יותר, המביא בחשבון את היעילות הפוטואלקטרית של כל השכבות המורכבות של החומר. במדידת IQE, נמדדים הפסדים אלה מהשכבות הלא פעילות של החומר כדי לחשב את היעילות הקוונטית נטו – מדידת יעילות נכונה הרבה יותר.

איור 5. מערכת מדידת יעילות קוונטית לדוגמה באמצעות רכיבים של מקור אור מתכוונן. התמונה באדיבות Newport Corp

הבנת יעילות ההמרה כפונקציה של אורך הגל של האור הפוגע בתא הופכת את מדידת היעילות הקוונטית לחיונית עבור חקר חומרים ותכנון תאים סולריים. עם נתונים אלה, ניתן לשנות את ההרכב והטופוגרפיה של התא הסולרי כדי לייעל את ההמרה על פני תחום רחב ככל האפשר של אורכי גל.
IQE ניתנת על ידי הנוסחה כאשר R הוא ההחזרה, הישירה והמפוזרת, של התא הסולרי. ה-IQE מציינת את היכולת של השכבות הפעילות של התא הסולרי לעשות שימוש טוב בפוטונים הנבלעים. היא תמיד גבוהה יותר מאשר EQE, אך לעולם לא תעלה על 100 אחוז, להוציא יצירת אקסיטונים מרובים. איור 5 מדגים כיצד מקור האור המתכוונן משמש כדי להאיר את התא הסולרי כדי לבצע מדידת IQE. התוכנה שולטת בכל המרכיבים של מערכת המדידה, לרבות המונוכרומטור והרכשת הנתונים.
כדי למדוד יעילות קוונטית במדרגות של אורכי גל של 10 ננומטר, גודל החריץ של המונוכרומטור הוא ברוחב מאות מיקרונים. רוחב החריץ מצטמצם לכמחצית אם רצויים מרווחי אורכי גל של 5 ננומטר. עם זאת, הספק היציאה של המונוכרומטור מופחת ביותר מ-50 אחוז אם רוחב החריץ יורד למחצית. הורדת ההספק האופטי משפיעה על מדידת היעילות הקוונטית מאחר שתא סולרי מגיב להספק אופטי מופחת זה בזרם תפוקה נמוך. הדבר עלול לגרום לייחס אות לרעש ירוד, הגורם לסיכוי גבוה יותר לטעות במדידת היעילות הקוונטית. גילוי של זרם נמוך דורש ציוד רגיש מאוד בעל יכולת למדוד זרם עד לרמת פיקו-אמפרים. כדי להביא למדידת אות קלה יותר, ההספק האופטי בדרך כלל גדל. מקור קשת לזרם ישר הוא הבחירה הטובה יותר עבור מדידות יעילות קוונטית הנעשות במרווחים של 5 ננומטר או פחות בשל גודל הקשת של הנורה המובילה לתפוקת מונוכרומטור טובה יותר. עם זאת, נורת QTH היא בחירה טובה יותר אם נדרשת יציבות אור של יותר מ-0.1 אחוז, עם פשרה לגבי חוסר היכולת למדוד במרווחי אורכי גל מדויקים כאילו נעשה שימוש בנורת קשת.
האיזון בין ההספק האופטי לרזולוציה הוא שיקול חשוב שכן הוא משפיע על איכות המדידה של היעילות הקוונטית. בחירת סוג הנורה ומפרט המונוכרומטור הן שיקולים חשובים לתכנון מקור האור המתכוונן. כדי שמקור האור המתכוונן ייחשב לרכיב מתאים עבור מרבית היישומים הספקטרוסקופיים, נדרשים עבורו הספק ויציבות גבוהים ביציאה, משך חיים ארוך של הנורה, ופליטה ספקטרלית בפס רחב עם יכולת רזולוציה גבוהה.

פגוש את המחברים
ג’ון פארק, מנהל פיתוח מוצרים חדשים ב-.Newport Corp, תכנן ופיתח מכשירי ספקטרוסקופיה רבים עבור תעשיית הפוטוניקה במשך למעלה מ-10 שנים. בעל שני פטנטים שאושרו והוא בוגר אוניברסיטת קליפורניה באירווין, בעל תואר דוקטור בהנדסת חשמל; ג’ף יאנג הוא מומחה למוצרי הספקטרוסקופיה של Oriel במסגרת .Newport Corp. ניסיון עבודתו כולל תמיכה ביישומים, מכירות לעסקים ופעילות שיווקית של מקורות וגלאי אור פוטוניים. הוא בוגר אוניברסיטת רוטגרס;

הכתבה נמסרה באדיבות
חברת ניו-טכנולוג’י