Superkontinuierliche Laser erzeugen weißes Licht mit einer Spektralbreite, die der klassischer Lampen ähnelt, jedoch mit den Eigenschaften eines Laserstrahls. Dank dieser Kombination („breit wie eine Lampe und strahlend wie ein Laser“) sind sie eine begehrte Alternative zu klassischen Breitband-Lichtquellen wie Xenon- und Deuterium-Entladungslampen sowie Halogenlampen. Das bedeutet jedoch nicht, dass klassische Lampen bereits ausgedient hätten. Während Superkontinuallaser bei einigen Anwendungen erhebliche Vorteile bieten können, gibt es nach wie vor viele Anwendungen, für die klassische Lichtquellen unersetzbar sind.
Der Auswahl der optimalen Lichtquelle für eine bestimmte Anwendung gehen in der Regel einige Fragen voraus.
1. Welche Wellenlängen sind für uns wichtig?
Die Lichtquelle wird in der Regel so ausgewählt, dass sie bei den benötigten Wellenlängen eine möglichst hohe Leistung und bei Wellenlängen, die Probleme verursachen können (Störsignale, unerwünschte Erwärmung der Probe), eine geringe Leistung aufweist.
2. Welche Strahlung der Lichtquelle benötigen wir?
Die radiometrische Größe der Strahlungsintensität (Radiance) besagt: Wenn eine Leistung P in einen bestimmten Raumwinkel einstrahlt, erscheint die Lichtquelle umso intensiver, je kleiner die effektive Fläche der Quelle ist.
Wenn wir optische Strahlung durch bestimmte optische Komponenten leiten wollen, spielt die Strahlungsintensität der Lichtquelle eine sehr wichtige Rolle. Lichtquellen mit kleinerer Strahlungsfläche lassen sich leichter kollimieren und daher auch besser fokussieren. So ist beispielsweise das Strahlungsfeld einer 75-W-Xe-Entladungslampe in der Regel mehr als doppelt so groß wie das einer 150-W-Xe-Entladungslampe (eine Lampe mit geringerer Leistung hat einen kleineren Lichtbogen).
3. Wie groß ist die Fläche, die wir bestrahlen möchten?
Wenn wir optische Strahlung auf eine relativ große Fläche einfallen lassen müssen, ist für uns die Gesamtleistung wichtiger als die Lichtstärke der verwendeten Lichtquelle. So kann beispielsweise die Lichtstärke einer 75-W-Xe-Entladungslampe mit der einer 1000-W-Xe-Entladungslampe vergleichbar sein. Bei Einfall auf eine Fläche von einigencm² kann eine 1000-W-Entladungslampe jedoch eine etwa 30-mal höhere Bestrahlungsstärke liefern. Die radiometrische Größe der Bestrahlungsstärke (Irradiance) drückt die auf die Fläche A einfallende Leistung P aus.
4. Ist die Stabilität der Lichtquelle für uns wichtig?
Für bestimmte Experimente kann die Stabilität der verwendeten Lichtquelle entscheidend sein. Laserquellen und Halogenlampen sind in der Regel stabiler als Xenon- und Deuterium-Entladungslampen.
5. In welchem Modus soll die Lichtquelle arbeiten?
Der bevorzugte Betriebsmodus hängt von der vorgesehenen Anwendung ab. Für zeitlich aufgelöste Messungen (Untersuchung der Fluoreszenz- und Phosphoreszenzlebensdauer, transiente Absorption) benötigen wir eine gepulste Lichtquelle. Bei relativen Messungen (Transmission von Proben, Absorption) bevorzugen wir hingegen den kontinuierlichen Modus. Kontinuierliche und gepulste Xenon- und Deuterium-Entladungslampen sind heute bereits Standard. Breitbandige superkontinuierliche Laser arbeiten primär im gepulsten Modus. Bei hohen Wiederholungsfrequenzen (im zweistelligen MHz-Bereich) liefern sie jedoch eine nahezu kontinuierliche Leistung (quasi-kontinuierlicher Modus).
6. Muss der Ausgangsstrahl in eine optische Faser eingekoppelt werden?
Vergleich der einzelnen Lichtquellen
| Halogenlampe | Xenon-Entladungslampe | Deuterium-Entladungslampe | SuperK COMPACT | SuperK EVO HP | |
|---|---|---|---|---|---|
| Spektraler Ausgang | ~250 (300) bis 2700 nm | ~200 (230) bis 2500 nm | ~160 (200) bis 400 nm | 450 bis 2400 nm | 410 bis 2400 nm |
| Betriebsmodus | kontinuierlich | kontinuierlich, gepulst | kontinuierlich, gepulst | gepulst (kHz) | quasi-kontinuierlich (MHz) |
| Quellentyp | thermisch | Lichtbogen | Lichtbogen | Laser | Laser |
| Kohärente Leistung | nein | nein | nein | ja | naja |
| Erreichbare Strahlungsintensität [mW/cm²/sr] | geringer | hoch | niedriger | sehr hoch | sehr hoch |
| Typische spektrale Leistungsdichte [mW/nm] | >1,5 mW/nm bei 500–700 nm (150 W Halogen)* >3 mW/nm bei 500–700 nm (600 W Halogen)* | >1 mW/nm bei 400–600 nm (150-W-Xe)* >5 mW/nm bei 400–600 nm (450-W-Xe)* | >20 µW/nm bei 200–300 nm (30 WD2) | >50 µW/nm bei 600–900 nm | >1 mW/nm bei 600–900 nm |
*typische Werte mit F/1,3-Kondensor und Rückreflektor
Die wichtigsten Vorteile der einzelnen Lichtquellen
Halogenlampen
- Hervorragende Stabilität
- Kontinuierliches und gleichmäßiges Spektrum
- Ideal für radiometrische und photometrische Kalibrierungen
Xenon-Entladungslampen
- Eigenschaften ähnlich einer Punktlichtquelle (kleiner, konzentrierter Lichtbogen)
- Nahezu gleichmäßiges Spektralprofil im UV- und VIS-Bereich
- Möglichkeit zur Simulation des Sonnenspektrums
Deuterium-Entladungslampen
- Kontinuierliches Spektrum im UV-Bereich
- Vernachlässigbare Leistung im VIS- und IR-Bereich
- Verfügbarkeit einer radiometrisch kalibrierten Version
SuperK COMPACT
- Sehr stabile, kohärente Breitband-Lichtquelle
- Preis vergleichbar mit klassischen breitbandigen Lichtquellen
- Effiziente Faserausgabe
SuperK EVO HP
- Sehr stabile, kohärente Breitband-Lichtquelle
- Relativ hohe Leistung
- Effiziente Faserauskoppelung
