寬帶光源&波長選擇

光譜學和顯微學利用光的物體相互作用來得到物理和化學信息。選擇合適的波段輸出是光譜學和顯微成像學中的一個關鍵步驟。隨著不同類型光源的發(fā)展、傳感器靈敏度和探測速度的提升以及光學元件制造技術的發(fā)展，光譜學和顯微學不斷進步。這些系統(tǒng)被廣泛應用于學術科研、醫(yī)療和工業(yè)等領域。

在光譜成像中，可以通過映射測量得到一個樣品不同參數的數值，廣泛地應用于食品加工、氣候監(jiān)測、醫(yī)藥成像技術和機器視覺。所需的光源波長會隨著檢測目的發(fā)生變化，因為激發(fā)波長的多樣性和所得光譜中的信息數量存在著密切的關系。單色性的激光光源是光譜學和顯微學的理想光源，因為其具有非常窄的半峰寬（FWHM）、強大功率和相干特性，但覆蓋全波段的激光光源往往價格昂貴。

在寬帶光源中選擇和使用特定波長范圍的光學元件/設備應際而生。傳統(tǒng)的波長選擇策略，如濾光片、單色儀、聲光可調濾波器等，有優(yōu)勢也有缺點。用戶選擇適合其使用目的、成本、需求和系統(tǒng)適配性的最為合適的產品。

濾光片輪

廣泛用于化學和生物的熒光顯微鏡的內部安裝有大約6個立方體濾光輪，每一個都充當激發(fā)濾光片、二向色分束器和發(fā)射濾光片。在某些情況下，也會在物鏡或相機前安裝濾光片輪來選擇特定的激發(fā)波長和發(fā)射波長。通常，3-12個濾光片會組成一個濾光片輪。例如，如果將6個濾光片裝在雙濾光片輪上，則會產生6*6=36個組合。當使用帶電機的自動光片輪時，其轉換時間在30-100ms，取決于快門速度。

對于廣泛用于細胞成像的生物熒光染料或熒光蛋白質的情況，開發(fā)了用于UV、可見光和紅外的多種濾光片類型因此，濾光片組合越是多樣化，應用范圍會更寬泛。此外，濾光片的孔徑尺寸很大并且造價很低。但使用濾光片的缺點在于差的靈活性：只能使用特定的激發(fā)和發(fā)射范圍。損壞閾值不高，因此如果使用強光，表面涂層可能會被破壞。而且，通常情況下濾光片具有較寬的帶寬，并不適合于需要窄帶光源的光譜成像，也不能實現寬帶波長掃描。

斯托克斯位移是構建濾光片組合的一大限制。根據蔡司提供的熒光染料信息的數據分析，276個染料中，具有20nm或更小斯托克斯位移的染料占26%，具有40nm或更小斯托克斯位移的染料占73%。當使用具有斯托克斯位移的熒光團時，激發(fā)光譜和發(fā)射光譜必然會發(fā)生光譜重疊。為避免該現象的發(fā)生，有必要將光源偏移最大激發(fā)波長，這必然會導致發(fā)射光譜的一定損耗。但是新技術能夠調節(jié)任意激發(fā)/發(fā)射光譜和帶寬范圍。

單色儀

基于棱鏡或光柵的單色儀是另一種廣泛用于光譜學的波長選擇系統(tǒng)。當寬帶光源發(fā)出的光穿過入射狹縫、棱鏡或者光柵時，折射和衍射的角度隨波長發(fā)射變化。通過恰當地旋轉光柵或者棱鏡，只有一部分特定的光波透過狹縫。單色儀通過狹縫的寬度調節(jié)帶寬，在寬波長范圍進行掃描并選擇所需的波長。

單色儀同樣也能夠避免強激發(fā)光的泄漏，而這在使用濾光片時是一個問題。但是為了得到2D圖像，需要進行線掃描或點掃描，這比單純使用濾光片更為昂貴并且設備構造更為復雜。相較于濾光片，單色儀具有較低的吞吐量，同樣也不能用于寬場成像。

聲光調制濾波器

聲光調制濾波器（AOTF）是一種能夠將寬帶光源調節(jié)至不同波長和強度的電光器件。使用雙折射晶體——二氧化碲（TeO2）或石英各向異性晶體——折射率會在與聲波（無線電頻率）反應后產生變化。聲波調節(jié)只允許一部分特定光波透過孔徑，并同時調節(jié)強度。盡管AOTF是一個體積小巧的設備，但它具有很寬的調節(jié)范圍、快速調節(jié)和高光譜分辨率等諸多優(yōu)點。但AOTF同樣具有缺點，如成本高、相較于濾光片更小的孔徑尺寸和較差的帶外激發(fā)。另一個挑戰(zhàn)是AOTF的折射角會隨著輸出波長而變化。

波長選擇器

虹科的合作伙伴Spectrolight開發(fā)出一種結合目前設備優(yōu)點的新型器件。核心技術是Twin Flim專利技術，其包含寬帶角度相關帶通濾光片和一個補償板，如下圖所示。帶通濾光片能獨立旋轉，將準直的寬帶光源轉換為任意中心波長和帶寬的光波組合。補償板用于抵消經過兩個旋轉濾光片后的輕微錯位的光斑。這種技術顯示出和單色儀一樣的抑制帶外激發(fā)（10-6）效果，b并在高達10mm清晰通光孔徑下具有95%均勻性，就像濾光片一樣。傳輸效率超過75%，明顯高于AOTF或光柵，并且補償板的存在也避免了AOTF中的離散現象。Twin Flim專利技術具有非常尖銳的激發(fā)和發(fā)射窗口，帶寬可以從3-15nm范圍內調節(jié)，其調節(jié)范圍覆蓋UV到NIR。這些優(yōu)點使得該技術適用于寬場成像。

Twin Flim技術用于構造Spectrolight的靈活自動波長選擇器產品——FWS。自動波長選擇器具有兩個版本：Poly和Mono。自動版Mono的波長調節(jié)范圍為100nm，而自動版Poly的調節(jié)范圍更寬。FWS通過由2個直流驅動器旋轉兩個帶通濾光片來自動調節(jié)波長和帶寬。在下圖中可以看到，該產品使用方便，配備直觀的軟件控制界面。

虹科FWS波長選擇器通過USB接口與電腦相連。簡潔的軟件能夠獨立、方便地調節(jié)中心波長和FWHM。

虹科FWS-Poly能夠在500nm范圍內實現對波長的控制，輕松實現帶寬在3-15nm范圍內調節(jié)。此外，中心波長具有非常高的分辨率：大約在0.5nm；FWHM的分辨率在1nm。在255到1650nm范圍內，消光系數約為12；在930-1600nm范圍的紅外阻隔可以到6（光密度OD）。

它還可以抵抗強光對涂層的破壞，這也是光學濾光片的缺點之一，這一特點使其能夠安全地和強光源搭配使用，因為損傷閾值高。除此之外，設備尺寸非常緊湊：采用170×129×200mm的規(guī)格，孔徑尺寸最大5mm。工作電壓和電流分別為12V和5A。

虹科FWS波長選擇器配置多種靈活的輸入方式，可以選擇光纖、光導和透鏡組與任何光源連接，與各種光源兼容，如等離子燈、鹵素燈、鎢燈、超連續(xù)譜光源和高能激光驅動光源（LDLS）。輸出方式同樣靈活，滿足不同的測試條件和環(huán)境條件。

審核編輯 黃宇