等离子体基于热力学平衡状态可分为高温等离子体和低温等离子体。两者的区别为,低温等离子体处于非平衡状态,电子温度极高(1万-10万K),足以高效驱动化学反应,而离子与中性气体的温度却可接近室温;高温等离子体处于热力学平衡,粒子温度趋同,极其炽热,如恒星内部。

低温等离子体这种独特的“冷热共存”特性,使其成为一个能精准调控的“化学实验室”,可在不损坏被处理材料(如芯片、塑料、人体组织)的前提下,完成刻蚀、沉积、灭菌、表面活化等复杂任务,应用遍及半导体、材料、生物医学及环保能源等诸多行业。
要精准驾驭低温等离子体这一“化学实验室”,就必须有一双能实时“看清”其内部复杂反应的“眼睛”。光谱诊断正是这双眼睛,它通过分析等离子体发射或吸收的光谱来反推其温度、密度、成分、电场分布等关键参数,具有不可替代的实时监测能力(毫秒至纳秒级)、能同时获取多参数,并对工艺优化与基础研究至关重要。

然而,正是这项极具价值的技术,在走向更精准、更普及的应用过程中,却面临着三大核心挑战,限制了其巨大潜力的充分发挥。
首先是高精度设备的工业集成难题。许多高精度光谱诊断设备复杂、笨重、操作专业,难以集成到紧凑、需连续运行的工业产线中。其次是动态范围不足,难以兼得强弱信号。无法在一次测量中同时清晰捕获高强度和低强度的光谱信息,常导致信息不完整,形成测量盲区。最后是测量的准确性。许多关键参数的信息淹没在噪声里面,信噪比不足导致无法测准,微弱信号难以提取。
以上行业痛点的解决,在滨松的新生力军——高动态范围光谱仪OPAL身上看到了希望的曙光。它正是针对上述挑战应运而生的解决方案。
OPAL-Luxe 是一款紧凑型多通道光谱仪,具有前所未有的超高动态范围。它能够在具有极高动态范围的宽波长范围内同时进行多波长光谱测量,当同时存在强弱信号时尤其有效。新设计和开发的光谱光学元件为具有高灵敏度、高波长分辨率的顶级模型,可以充分利用其高动态范围,同时最大限度地减少杂散光。

一、OPAL光谱仪的优势
1,紧凑设计,赋能灵活工业集成
OPAL光谱仪体积小巧,通过光纤收集信号,更容易适应不同的测量场景和复杂的工业环境。


2,2500000:1超高动态范围,实现强弱信号兼得
最重要的一点是,OPAL的动态范围高达2500000:1! 这使得同时获取高强度和低强度的光谱信息成为可能。
3,超低噪声,确保弱信号精准测量
OPAL的噪声极低,在需要测量低光谱强度的信号时,也能得到信噪比非常好的结果。
4,捕捉弱光
放大后,He-Ne激光器其他波长处强度低于1000counts的杂散峰,依然清晰可见。

CF4+He+Ar+筛板的条件下测量得到的F离子的数据 数据来源:北京印刷学院刘忠伟老师
5,直面强光
直接测量He-Ne激光器,632.8 nm处强度接近3000000counts,也毫不饱和。
二、OPAL光谱仪的原理
传统光纤光谱仪动态范围与探测器的满阱电荷以及读出噪声密切相关。市面上以制冷型背照式CCD为探测核心的光谱仪,动态范围优秀者接近125000:1,但面对极端应用仍力不从心。通过传统路径提升满阱电荷或降低读出噪声来实现质的提升,已异常困难。
1,双路放大探测器
滨松为OPAL光谱仪研发了一款定制化探测器。该探测器有两个放大电路,可以分别将探测器上下两个部分的信号通过两路放大电路读出。可将一路电路理解为高强度信号通道(低增益),用于承接强光,防止饱和。可将一路电路理解为高强度信号通道(低增益),用于承接强光,防止饱和。

OPAL实现超高动态范围的核心——双路放大探测器。高/低增益双通道独立处理强弱光信号,结合长短曝光策略,确保从等离子体微弱谱线到强连续背景的完整捕获。
2,双路积分时间控制法
通过改变两路放大电路的积分时间,OPAL达到了同时测量低强度信号以及高强度信号的目的,从而实现了2500000:1的超高动态范围,对比以往的光谱仪,这一参数有了质的飞跃!

通过独立调节上、下两路传感器(短/长曝光)的积分时间与放大器电路,实现对强弱信号的同步精确测量,动态范围高达 2500000:1
此外,OPAL的暗电流仅1.5e-/pixel/s,远低于市面上常见光谱仪(约低一个数量级),这为弱信号测量提供了又一重优势。
在半导体芯片制造、医疗器械灭菌、高端材料表面处理等尖端领域,低温等离子体已成为不可或缺的核心技术。它与自然界中炽热的闪电、太阳等高温等离子体不同,是一种能在接近室温条件下产生并精准调控的物质第四态,完美适配对温度敏感的精密制造场景。因此,OPAL光谱仪的应用场景是非常巨大的。
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