Messung und Kontrolle von UFP von zunehmender Bedeutung
Die Überwachung von ultrafeinen Partikeln (UFP), wie sie bei der Reinheitskontrolle in Reinräumen üblich ist, ist aus vielen Industrien nicht mehr wegzudenken. Eine typische Messmethode basiert auf der Laserlichtstreuung. Wie in der Abbildung unten dargestellt, werden die zu messenden ultrafeinen Partikel durch einen Gas- oder Flüssigkeitsstrom transportiert, und der Laserstrahl wird quer durch den Strom gestrahlt. Das bei Vorhandensein von Partikeln erzeugte Streulicht wird mit einem Photodetektor gemessen.
Aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung in der Halbleiterindustrie können bereits allerkleinste Verunreinigungen zu Problemen führen, so dass die Überwachung von ultrafeinen Partikeln, die nur einige zehn Nanometer groß sind, notwendig wird. In der pharmazeutischen und der Lebensmittelindustrie werden Partikel gezählt und kontrolliert, um bakterielle und andere mikrobiologische Verunreinigungen zu verhindern, doch angesichts des wachsenden Verbraucherbewusstseins sind noch strengere Kontrollen erforderlich.
Streuung im Bereich der Rayleigh-Streuung und Anforderungen an die Laserstrahlung
Es ist bekannt, dass die Lichtstreuung durch Partikel stark von der Größe der Partikel im Verhältnis zur Wellenlänge abhängt. Dieses Phänomen wird gut durch die Rayleigh-Streuungstheorie beschrieben, wenn die UFP ausreichend kleiner als die Wellenlänge sind; oder durch die Mie-Streuungstheorie, wenn das Teilchen und die Lichtwellenlänge von ähnlicher Größe sind.
Im Bereich der Mie-Streuung ist die Vorwärtsstreuung (Streuung in Richtung des einfallenden Lichts) vorherrschend, allerdings ergibt die Winkelverteilung des gestreuten Lichts ein komplexes Muster, das die Form des Teilchens widerspiegelt, welches die Streuung aufgrund von Interferenzen zwischen gestreutem Licht verursacht. Bei der durch UFP verursachten Rayleigh-Streuung überwiegt dagegen die Vorwärts- und Rückwärtsstreuung, die allerdings von der Polarisation des Laserlichts abhängt, so dass auf die Polarisationsrichtung des Laserlichts geachtet werden muss (siehe unten). Im Allgemeinen ist die kleinste zu messende Partikelgröße viel kleiner als die Wellenlänge des Laserlichts und wird im Bereich der Rayleigh-Streuung gemessen.
Die Intensität der Rayleigh-Streuung (I) wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
I1, I2 sind die Streuintensitäten bei Polarisationen senkrecht und parallel zur Streuebene (die Ebene, die durch die Vektoren des einfallenden und des gestreuten Lichts definiert wird); I1o, I2o sind die einfallenden Lichtintensitäten für die jeweiligen Polarisationen; r, n sind der Teilchenradius und die Brechzahl; λ ist die Wellenlänge des einfallenden Lichts; d ist der Abstand zwischen dem Streupunkt und dem Beobachtungspunkt; θ ist der Streuwinkel (Winkel, der durch die Vektoren des einfallenden und des gestreuten Lichts gebildet wird).
Aus dieser Gleichung geht zunächst hervor, dass die Streuintensität proportional zur 6. Potenz der Korngröße (r)ist, d. h. die Streuintensität nimmt mit abnehmender Korngröße rasch ab (die Streuintensität sinkt auf 1/64, wenn die Korngröße halbiert wird).
Ebenso ist die Streuintensität umgekehrt proportional zur 4. Potenz der Wellenlänge des einfallenden Lichts (λ), was darauf hindeutet, dass eine Verkürzung der Wellenlänge des einfallenden Lichts zu einer Erhöhung der Streuintensität führt. Bei einer Wellenlänge von 850 nm zum Beispiel kann die Streuintensität um den Faktor 2,75 erhöht werden, wenn die Wellenlänge auf 660 nm reduziert wird, und um den Faktor 19,4, wenn die Wellenlänge auf 405 nm reduziert wird. Da die theoretische Grenze für die Größe des Laserbrennflecks proportional zur Wellenlänge ist, ist kurzwelliges Licht auch im Hinblick auf die Erhöhung der Photonenflussdichte von Vorteil, um die schwache Streuung zu kompensieren; bei der Änderung der Wellenlänge müssen jedoch die Eigenschaften des Photodetektors und die Auswirkungen der Fluoreszenzerzeugung berücksichtigt werden.
In Bezug auf die Polarisation hat die Streuintensität bei senkrechter Polarisationsrichtung zur Streuebene (I1) keine Streuwinkelkomponente (θ), d. h. sie streut isotrop, während bei horizontaler Polarisation zur Streuebene (I2) die Streuintensität proportional zu cos2θ ist, so dass z. B. die Seitenstreuungskomponente (θ = 90°) gleich null ist. Befindet sich der Photodetektor in der Position für die Detektion der seitlichen Streuung, wird nur einfallendes Licht mit senkrechter Polarisation zur Messung beitragen. Bei den Laserdioden von Ushio wird die Polarisationsrichtung im zugehörigen Datenblatt als TE-Modus/TM-Modus (Polarisationsrichtung horizontal bzw. senkrecht zur aktiven Schicht der Laserdiode) beschrieben.
Beispiele für Laserprodukte, die sich für die auf Lichtstreuung basierte Partikelüberwachung eignen
Aus der Vielzahl der Laserdioden von Ushio seien hier ein paar Beispiele für Produkte genannt, die für die auf Lichtstreuung basierte Partikelüberwachung geeignet sind. Da die Streuintensität mit abnehmender Partikelgröße rasch abnimmt, ist eine Bestrahlung mit möglichst hoher Photonenflussdichte erforderlich. Hier bietet sich ein leistungsstarker Single-Mode-Laser an.
Das Wellenlängenband von 660 nm wird seit langem für DVDs verwendet, und auch viele Messgeräte und Sensoren wurden mit Optiken in diesem Wellenlängenband entwickelt und finden noch immer breite Anwendung. Die HL65221DG-Serie ist die neueste Laserdiode, die für hohen Wirkungsgrad und hohe Ausgangsleistung im 660-nm-Bereich auch bei hohen Temperaturen entwickelt wurde. Ihre optische Ausgangsleistung beträgt 200 mW im Dauerstrichbetrieb (continuous wave, cw) und 400 mW im Pulsbetrieb. Der Betrieb ist bei Temperaturen bis zu 75 °C möglich.
Die HL63641DG-Serie ist eine Single-Mode-Laserdiode mit einer Wellenlänge von 639 nm und einer hohen Leistung von 200 mW. Das neueste Design bietet eine Verbesserung des Wirkungsgrades von 28 % auf 33 %, was zur Energieeinsparung beiträgt und die thermische Auslegung des Systems vereinfacht. Die HL63653TG, ebenfalls eine Single-Mode-Laserdiode mit einer Wellenlänge von 640 nm, erreicht eine hohe Leistung von 200 mW in einer kompakten Bauform mit einem Durchmesser von 3,8 mm und trägt so zur Verkleinerung und Platzeinsparung von Geräten bei.
Die Laserdioden der Serien HL40071MG und HL40161MG mit einer Wellenlänge von 405 nm bieten mit 300 mW bzw. 175 mW (cw) die höchste optische Ausgangsleistung aller Single-Mode-Laserdioden. Insbesondere die HL40161MG-Serie kann bei Temperaturen von bis zu 85 °C betrieben werden. Diese Dioden eignen sich für die Überwachung ultrafeiner Partikel, die Messung mit kurzwelligem Licht und die Fluoreszenzanregung im biomedizinischen Bereich. Neben den hier vorgestellten Produkten bietet Ushio eine breite Auswahl weiterer Laserdioden für die unterschiedlichsten Anforderungen. Für weitere Informationen besuchen Sie bitte die Ushio Laserdioden-Webseite.
