近年まで、分光法に有効な光源は、放電ランプ、色素レーザー、光パラメトリック発振器のみでした。スーパーコンティニュームレーザー、センサー用プラズマ光源、発光ダイオードなどは、現在利用可能な新しい広帯域光源の例です。本稿では、これらの光源が分光法の用途にどのような可能性をもたらすかを検証します。
分光システムは光源に依存しているため、新しい広帯域光源は分光学者に新たな展望をもたらします。前世紀の大半においては、利用可能な広帯域光源は限られていました。
しかし、新世代の堅牢な広帯域光源が、分光学研究者のツールキットを徐々に席巻しつつあります。分光アプリケーションにおいて、スーパーコンティニウムレーザー、レーザー駆動プラズマ光源、その他のレーザー駆動デバイスは、SLED（スーパールミネッセントダイオード）としても知られています。
比較的扱いにくい新しい光源が、分光学者の道具箱に加わりつつあります。分光応用分野には、スーパーコンティニウムレーザー、レーザー駆動プラズマ光源、そして様々な色の高輝度LEDなどが挙げられます。それぞれについて簡単に見ていきましょう。
分光用スーパーコンティニウムレーザー
スーパーコンティニュームは、レーザーパルスの周波数スペクトルが1つ以上の非線形過程によって広がることで生成されます。この現象は、空間過程によって電子ビームの周波数範囲が拡大し、スーパーコンティニュームが形成される場合にも発生します。スーパーコンティニュームの形成メカニズムは複雑であり、その過程が発生する媒体によって異なります。
例えば光ファイバーでは、誘導ラマン散乱とソリトン効果の相互作用により、スペクトル的に広いポンプ光を用いて、ポンプ光の赤色光にスーパーコンティニウム光を生成することができます。これらの非線形プロセスは光スペクトルの広がりに寄与し、分光法におけるより幅広い応用を可能にします。
これらの広帯域光源は、従来のレーザーとは異なるものの、広帯域ランプから作られるレーザーとの類似点を有しています。その機能は、革新的な光コヒーレンス・トモグラフィー、可視光キャビティ増強分光法、中赤外吸収分光法といった高度な分光技術に活用されています。これらの応用は、科学研究におけるスーパーコンティニウムレーザーの汎用性を際立たせています。
スーパーコンティニウム光源の主な特徴は、シングルモードのビーム品質、レーザー並みの照準安定性、そして高輝度です。これらの特性により、スーパーコンティニウム光源は分光分析において非常に価値の高いものとなり、レーザー広帯域光の出力に類似しながらも、はるかに高い精度と制御性を実現します。
分光法用レーザー駆動光源
レーザープラズマは歴史的に分光法の広帯域光源として利用されてきましたが、その不安定性や出力の弱さから、分析分光法には効果的ではないとされることがよくありました。しかし、近年の進歩により性能が向上し、様々な分光アプリケーションへの適用可能性が高まっています。
これらのレーザー駆動型広帯域光源は、近赤外から紫外までの波長域にわたる分光分析能力を向上させます。特に紫外スペクトルにおいて、参考文献で予測されている通り、顕著な改善が報告されています。例えば、紫外顕微鏡の進歩により、生体分子のスペクトルの定量分析が可能になり、紫外波長は細胞内空間分解能を向上させます。これにより、科学者は分子レベルで生物学的構造についてより深い洞察を得ることができます。
Energetic社がこれらの光源を製造するために採用している方法は、キセノンなどの希ガスを充填した電球内に連続波（CW）レーザーを集光させるというものです。この構成は従来のランプとは異なり、従来のランプでは電極がヒートシンクとして機能し、ランプの温度を維持するのに役立ちます。しかし、これらの電極は経年劣化し、電気接点がランプ表面に飛散するため、電球の頻繁な交換が必要になります。この設計改良により、従来のシステムに典型的な制約が緩和されます。
これらの特殊な広帯域光源は、近赤外から紫外域までの分光法にも大きく貢献しています。例えば、散乱型走査近接場光学顕微鏡（s-SNOM）は、化学組成やナノスケールの光子現象の研究によく用いられます。赤外光を用いることで、回折限界を数桁下回る空間分解能を実現します。しかし、Wagnerらが最近の研究で指摘したように、s-SNOMの利用は、手頃な価格の広帯域赤外光源の不足によって制約されてきました。この課題は、レーザー駆動光源によって解決され始めています。
分光用スーパールミネッセントダイオード
スーパールミネッセント発光ダイオード（SLED）は、最新の広帯域光源であり、ごく最近になって幅広いスペクトル範囲で利用可能になりました。SLEDは、特に分光分析の分野で大きな進歩をもたらしましたが、用途によっては特有の課題にも直面しています。例えば、商用LED照明においては、視覚的に魅力的な色の組み合わせを持つ高出力・高効率LEDを実現することが最大の課題となっています。
しかし、分光法では焦点が異なります。見た目に美しい色の組み合わせではなく、高いスペクトル純度、再現性、安定性を備えた調整可能な光源が求められます。分光法におけるLEDの主要な課題の一つは、温度に対する性能安定性です。温度変化下でもスペクトルの安定性と強度を維持することは、精密測定において特に重要です。特にUV光源を用いた場合、環境的に重要なガス分子の電子遷移を測定することは特に困難です。多くのガス分子は紫外線スペクトル内で遷移するため、安定した調整可能なUV光源が不可欠となるからです。
SLEDに加え、従来のプラズマ、グローバー、さらには太陽光といった従来の広帯域光源も分光法に広く利用されてきました。しかし、より新しい高輝度光源の登場により、分光アプリケーションの可能性はますます広がりつつあります。これらのアプリケーションは、顕微鏡検査からガス検知、産業計測から生物学研究まで多岐にわたり、かつてない精度と柔軟性を実現しています。これらの最新の広帯域光源は、より利用しやすくなり、様々な産業におけるイノベーションを推進しています。
Inphenixは米国に拠点を置くレーザーおよび光源メーカーであり、Oバンド光増幅器、分布帰還型レーザー、広帯域光源、VCSEL、スウェプトソースレーザーなど、幅広い製品を製造しています。様々な業界ニーズに応える高品質で革新的な製品について詳しくは、お問い合わせください。
