DE102017121889B3

DE102017121889B3 - Breitbandige halbleiterbasierte UV-Lichtquelle für eine Spektralanalysevorrichtung

Info

Publication number: DE102017121889B3
Application number: DE102017121889.0A
Authority: DE
Inventors: Christoph Söller; Torsten Jenek
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2018-11-22
Anticipated expiration: 2037-09-22
Also published as: WO2019057426A1; CN111094916A; US20200256730A1; EP3685133A1; AU2018336640A1; JP2020534705A

Abstract

Eine bekannte halbleiterbasierte UV-Lichtquelle für eine Spektralanalysevorrichtung umfasst ein Gehäuse, in dem mindestens ein halbleiterbasierter Emitter zur Abgabe von UV-Licht aufgenommen ist, und in dem ein Strahlengang zwischen dem halbleiterbasierten Emitter und einer Strahlaustrittsstelle für einen Arbeitsstrahl ausgebildet ist. Um hiervon ausgehend eine Lichtquelle mit einem halbleiterbasierten Emitter bereitzustellen, welche in der Lage ist, mit ihrer Emission mindestens einen Großteil des UV-Spektrums von 200 bis 400 nm abzudecken, wird vorgeschlagen, dass der halbleiterbasierte Emitter zur Abgabe von UV-Anregungslicht mit einer mittleren Wellenlänge im Bereich von 150 bis 270 nm ausgelegt ist, dass im Strahlengang ein Leuchtstoff vorhanden ist, der das UV-Anregungslicht teilweise absorbiert und dabei eine Leuchtstoffstrahlung emittiert, derart dass UV-Anregungslicht und Leuchtstoffstrahlung zu einem Arbeitsstrahl überlagert sind, der im Wellenlängenbereich von 200 bis 400 nm eine spektrale Bandbreite von mindestens 50 nm aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine halbleiterbasierte UV-Lichtquelle für eine Spektralanalysevorrichtung, mit einem Gehäuse, in dem mindestens ein halbleiterbasierter Emitter zur Abgabe von UV-Licht aufgenommen ist, und in dem ein Strahlengang zwischen dem halbleiterbasierten Emitter und einer Strahlaustrittsstelle für einen Arbeitsstrahl ausgebildet ist.
Stand der Technik
Seit Jahrzehnten etablierte Lichtquellen für Spektralanalysen im UV-Bereich wie Xenon-Blitz- und Deuteriumlampen emittieren UV-Strahlung im Bereich von etwa 200 nm bis 400 nm. Beide Lampentypen erfordern für Zündung und Betrieb spezielle Vorschaltgeräte, um die nötigen Spannungen von bis zu mehreren hundert Volt zu erzeugen. Insbesondere bei Deuteriumlampen ist aufgrund ihres relativ geringen Wirkungsgrades im Promille-Bereich während des Betriebs nahezu die komplette Eingangsleistung von üblicherweise etwa 30 W in Form von Wärme abzuführen. Die typische Betriebstemperatur von Deuteriumlampen liegt daher im Bereich von 250 bis 300°C. Lampe und Elektronik bedingen folglich eine Gerätegröße und Leistungsaufnahme welche die Einsatzmöglichkeiten und Mobilität einschränken.
Im Gegensatz dazu eröffnen halbleiterbasierte Lichtquellen, zum Beispiel Leuchtdioden (LEDs) und Laserdioden, durch ihre geringe Größe, kompakte Stromversorgung und höhere Effizienz neue, flexiblere Einsatzmöglichkeiten, beispielsweise in tragbaren und somit ortsunabhängigen Analysegeräten. LEDs sind mittlerweile neben dem nahinfraroten (NIR; typischerweise 780 bis 1100 nm) und sichtbaren (VIS; 380 bis 780 nm) Bereich des elektromagnetischen Spektrums auch mit verschiedenen Emissionswellenlängen zwischen etwa 230 bis 400 nm im ultravioletten (UV) Bereich herstellbar und kommerziell erhältlich. Unter anderem eröffnet dies die Möglichkeit, sie als Lichtquellen in UV-sensitiven Analyse- und Kontrollverfahren einzusetzen, beispielsweise in der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC), UV/VIS-Spektroskopie, Umweltanalytik oder auch Molekularspektroskopie.
Aufgrund ihrer begrenzten spektralen Halbwertsbreite um ihre zentrale Emissionswellenlänge von typischerweise zwischen etwa 10 und 30 Nanometern eignen sich einzelne LEDs in Analytik-Anwendungen nur für Nachweise und Untersuchungen innerhalb eines entsprechend eingeschränkten Wellenlängenbereichs. Dies ist gegebenenfalls ausreichend, wenn die Analysenprobe ausschließlich gezielt auf bestimmte, bekannte Verbindungen oder Eigenschaften hin getestet werden soll. Die LED-Wellenlänge kann dann a priori entsprechend dieser bekannten Daten gewählt werden. Bei unbekannten Proben oder komplexen Fragestellungen liefern allerdings oft nur Messungen über einen deutlich breiteren Spektralbereich die nötigen Informationen für eine Probenbewertung.
Zur Erzeugung eines breiteren Spektrums im UV-A, -B und -C-Bereich von 200 bis 400 nm werden bisher LEDs mehrerer Wellenlängen kombiniert. So wird beispielsweise in der US 2011/0132077 A1 zur Erzeugung eines breitbandigen Spektrums für die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie eine derartige Kombination von LEDs unterschiedlicher Wellenlänge beschrieben, wobei die LEDs so angeordnet sind, dass die emittierten Lichtstrahlen in Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge unter einem bestimmten Winkel auf eine Beugungsgitteranordnung treffen und darin zu einem gemeinsamen Ausgangslichtstrahl gebeugt werden. Dadurch kann der Ausgangslichtstrahl mit einer gewünschten spektralen Zusammensetzung oder einem gewünschten spektralen Profil erzeugt oder gestaltet werden.
Eine andere breitbandige UV-LED-Lichtquelle auf Basis von acht LEDs mit mittleren Emissionswellenlängen von 250 bis 355 nm (in Abständen von 15 nm) ist beschrieben im Paper: Kraiczek et al., „ULTRA HIGH FLEXIBLE UV-VIS RADIATION SOURCE AND NOVEL DETECTION SCHEMES FOR SPECTROPHOTOMETRIC HPLC DETECTION“, 17th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (27.- 31. Oktober 2013), Freiburg, Germany.
Technische Aufgabenstellung
Um den Wellenlängenbereich von etwa 250 bis 400 nm kontinuierlich abzudecken, sind jedoch mindestens 10 LEDs notwendig (ausgehend von einer Bandbreite von 15 nm). Dies erhöht nicht nur die Gerätekosten, sondern erfordert außerdem aufeinander abgestimmte Emissionsspektren und eine aufwändige Gerätekonstruktion. Da in Spektralanalysegeräten in der Regel eine Punktlichtquelle erforderlich ist, müssen die Einzelspektren in einem Strahlengang kombiniert werden. Außerdem ist über die Gerätelebensdauer die Stabilität des Emissionsspektrums bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen zu gewährleisten.
Eine weitere bekannte, jedoch ebenfalls aufwändige Technik zur Konvertierung von UV-Licht in höhere Wellenlängenbereiche stellen sogenannte Quantenpunkte (quantum dots) dar.
Wünschenswert wäre eine Lichtquelle mit einem halbleiterbasierten Emitter, beispielsweise einer Leuchtdiode, welche in der Lage ist, mit ihrer Emission mindestens einen Großteil des UV-Spektrums von 200 bis 400 nm abzudecken. Sie würde die Vorteile der LED bezüglich Größe und Betrieb mit dem breitbandigen Spektrum einer klassischen Deuteriumlampe kombinieren.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer halbleiterbasierten UV-Lichtquelle der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der halbleiterbasierte Emitter zur Abgabe von UV-Anregungslicht mit einer mittleren Wellenlänge im Bereich von 150 bis 270 nm ausgelegt ist, dass im Strahlengang ein Leuchtstoff vorhanden ist, der das UV-Anregungslicht teilweise absorbiert und dabei eine Leuchtstoffstrahlung emittiert, derart dass UV-Anregungslicht und Leuchtstoffstrahlung zu einem Arbeitsstrahl überlagert sind, der im Wellenlängenbereich von 200 bis 400 nm eine spektrale Bandbreite von mindestens 50 nm aufweist.
Als spektrale Bandbreite wird hier und im Folgenden die Wellenlängenspanne bezeichnet, über die der Strahlungsfluss mindestens 10% des Maximalwerts der Verteilung beträgt.
Bei der erfindungsgemäßen UV-Lichtquelle ist ein halbleiterbasierter UV-Emitter mit einem Leuchtstoff oder mit mehreren unterschiedlichen Leuchtstoffen kombiniert. Der Leuchtstoff oder die Leuchtstoffe sind beispielsweise in einer Schicht oder in mehreren Schichten enthalten. Anstelle eines UV-Emitters können auch mehrere UV-Emitter vorhanden sein, die als sogenanntes „Array“ ausgeführt sind. Der UV-Emitter ist vorzugsweise eine Leuchtdiode (LED) oder eine Laserdiode.
Der Leuchtstoff ist bei Anregung durch das UV-Anregungslicht des halbleiterbasierten Emitters zur Lumineszenz geeignet, und das UV-Anregungslicht mit einer mittleren Wellenlänge im Bereich von 150 bis 270 nm, besonders bevorzugt mit einer mittleren Wellenlänge im Bereich von 200 bis 270 nm, liegt im Anregungswellenlängenbereich des Leuchtstoffs. Er ist innerhalb des Strahlengangs angeordnet, so dass er von dem UV-Anregungslicht bestrahlt wird. Ein Teil des kurzwelligen UV-Anregungslichts aus dem Wellenlängenbereich von 150 bis 270 nm wird dabei absorbiert und vom Leuchtstoff in längerwelligere Leuchtstoffstrahlung im UV-A, UV-B- und/oder UV-C-FUV Wellenlängenbereich umgesetzt. Als UV-A-Bereich wird üblicherweise der Wellenlängenbereich von 315 bis 400 nm, als UV-B-Bereich der Wellenlängenbereich von 280 bis 315 nm und als UV-C-FUV der Wellenlängenbereich von 200 bis 280 nm definiert.
Menge und Verteilung des Leuchtstoffs im Strahlengang sind so ausgelegt, dass das UV-Anregungslicht nicht vollständig darin absorbiert wird, so dass ein Teil des UV-Anregungslichts unverändert durch den Strahlengang zur Strahlaustrittsstelle gelangt. Durch die Überlagerung dieses UV-Lichtanteils mit der emittierten Leuchtstoffstrahlung wird ein Arbeitsstrahl erhalten, dessen Gesamtspektrum im UV-Wellenlängenbereich von 200 bis 400 nm eine spektrale Bandbreite von mindestens 50 nm, bevorzugt eine spektrale Bandbreite von mindestens 100 nm aufweist und somit einen großen Teil des kombinierten UV-A, -B und C-FUV- Bereichs abdeckt, und das vorzugsweise mindestens den Wellenlängenbereich von 260 bis 310 nm umfasst.
Das UV-Anregungslicht dient zur Generierung von Arbeitsstrahlung mit breitbandigem Wellenlängenspektrum. Der spektrale Beitrag des UV-Anregungslichts an der spektralen Bandbreite der Arbeitsstrahlung ist aber vergleichsweise gering und beträgt vorzugsweise weniger als 50%. Als „spektraler Beitrag“ wird hier das Verhältnis der spektralen Bandbreite des UV-Anregungslichts zur Gesamtbandbreite der Arbeitsstrahlung verstanden. Der Begriff „spektrale Bandbreite“ bezeichnet erneut die Breite des wellenlängenabhängigen Strahlungsflussverlaufs, bei welcher der Strahlungsfluss auf 1/10 des Maximalwerts abgefallen ist.
Um eine möglichst breitbandige Arbeitsstrahlung zu erzeugen, ist eine großanteilige energetische Umsetzung des UV-Anregungslichts in Leuchtstoffstrahlung vorteilhaft. Daher wird eine Ausführungsform der halbleiterbasierten UV-Lichtquelle bevorzugt, bei der Menge und Verteilung von Leuchtstoff im Strahlengang so eingestellt sind, dass der Anteil des UV-Anregungslichts am Gesamtstrahlungsfluss des Arbeitsstrahls weniger als 50% beträgt und vorzugsweise im Bereich von 5 bis 35 % liegt.
Der Anteil des UV-Anregungslichts, das vom Leuchtstoff absorbiert wird, hängt von Art, Menge und Verteilung des Leuchtstoffs im Strahlengang ab. Der Leuchtstoff kann an einer Stelle oder an mehreren Stellen im Strahlengang vorhanden sein. Das kurzwellige UV-Anregungslicht kann auf den Leuchtstoff auftreffen, um ihn zur Lumineszenz zu bringen und wird teilweise vom Leuchtstoff transmittiert.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen halbleiterbasierten UV-Lichtquelle, bei der der Leuchtstoff im Strahlengang in Form einer Leuchtstoff enthaltenden Schicht eingebracht ist, wird das UV-Anregungslicht von der Leuchtstoff enthaltenden Schicht teilweise transmittiert.
Abgesehen von etwaigen Streu- oder Reflexionsanteilen wirkt der Leuchtstoff je nach Schichtdicke nicht vollständig absorbierend oder streuend auf das UV-Anregungslicht, so dass über die Einstellung der zu passierenden Leuchtstoff-Schichtdicke der verbleibende Anteil an nicht absorbiertem UV-Anregungslicht leicht vorgegeben werden kann. Die mittlere Leuchtstoff-Schichtdicke liegt typischerweise im Bereich zwischen 5 bis 100 µm, besonders bevorzugt ist der Dickenbereich zwischen 5 und 30 µm. Geringe Schichtdicken der Leuchtstoff enthaltenden Schicht gewährleisten, dass das UV-Anregungslicht nicht vollständig darin absorbiert wird, sondern dass ein Teil unverändert die Leuchtstoff enthaltende Schicht passieren kann.
Die erfindungsgemäße halbleiterbasierte UV-Lichtquelle ist für den Einsatz in einer Spektralanalysevorrichtung ausgelegt. Dafür wird eine punktgenaue Strahlführung mit möglichst geringer Strahldivergenz und geringem Anteil an gerichteter oder diffuser Streuung angestrebt.
Daher zeichnet sich eine besonders bevorzugte Ausführungsform der UV-Lichtquelle dadurch aus, dass zwischen dem Emitter und der Strahlaustrittsstelle ein oder mehrere Mittel zur Führung des Anregungslichts und/oder des Arbeitsstrahls vorgesehen sind.
Insbesondere UV-LEDs können Abstrahlwinkel (bei 50% des Maximalwerts) von 120° oder mehr aufweisen. Im Hinblick auf eine bereits anfänglich geringe Aufweitung des Strahldurchmessers im Bereich zwischen der UV-Leuchtdiode und dem Leuchtstoff wird eine Ausführungsform der halbleiterbasierten UV-Lichtquelle bevorzugt, bei der zwischen UV-Leuchtdiode und Leuchtstoff ein möglichst geringer Abstand liegt oder bei der im Zwischenraum von UV-Leuchtdiode und Leuchtstoff Mittel zur Strahlführung angeordnet sind.
Bei einer in dieser Hinsicht besonders geeigneten Ausführungsform weist der halbleiterbasierte Emitter eine Austrittsfläche für das UV-Anregungslicht auf, und die Leuchtstoff enthaltende Schicht weist eine Eintrittsfläche für das UV-Anregungslicht auf wobei der kürzeste Abstand zwischen Austrittsfläche und Eintrittsfläche weniger als 5 mm beträgt.
Im einfachsten und günstigsten Fall grenzen die Austrittsfläche für das UV-Anregungslicht und die Eintrittsfläche der Leuchtstoff enthaltenden Schicht unmittelbar aneinander. Dadurch ergibt sich eine geringe bis keine Aufweitung des UV-Anregungslichtstrahls.
Eine vorteilhafte und punktgenaue Strahlführung wird aber auch erreicht, wenn die Austrittsfläche beabstandet von der Eintrittsfläche ist, und der Abstand weniger als 5 mm beträgt.
Infolge von Streuung kann auch der aus der Leuchtstoff enthaltenden Schicht emittierte Arbeitsstrahl eine gewisse Winkelverteilung aufweisen. Im Hinblick darauf hat es sich bewährt, wenn zwischen der Leuchtstoff enthaltenden Schicht und der Strahlaustrittsstelle ein oder mehrere Mittel zur Führung des Arbeitsstrahls vorgesehen sind.
Als Mittel zur Führung des Arbeitsstrahls sind beispielsweise optische Linsen, Reflektoren, Fasern oder Kapillaren geeignet.
Folgende Ausführungsformen der halbleiterbasierten UV-Lichtquelle in Kombination mit einer Leuchtstoff enthaltenden Schicht haben sich als günstig erwiesen:

• Ausführungsformen, bei denen der halbleiterbasierte Emitter ein Emitter-Gehäuse mit einem Austrittsfenster für den UV-Lichtstrahl aufweist, das mit einer Leuchtstoff enthaltenden Schicht belegt ist,
• Ausführungsformen, bei denen der halbleiterbasierte Emitter ein Emitter-Gehäuse aufweist, in das der Leuchtstoff als Pulver oder als Gießmasse eingebracht ist,
• Ausführungsformen, bei denen die Strahlaustrittsstelle als Austrittsöffnung ausgebildet und mit einem Fenster aus einem UV-durchlässigen Material bedeckt ist, das mit einer Leuchtstoff enthaltenden Schicht belegt ist, wobei hier das die Strahlaustrittsstelle verschließende Fenster insbesondere als Kondensorlinse ausgeführt sein kann.
• Ausführungsformen, bei denen der Strahlengang mindestens teilweise von einer Lichtleitfaser gebildet wird, wobei der Leuchtstoff auf mindestens einer der Stirnseiten der Lichtleitfaser aufgebracht ist. Die Lichtleitfaser kann beispielsweise an der Strahlaustrittsstelle beginnen; sie kann dort enden, oder sie kann aus der Strahlaustrittsstelle aus dem Gehäuse herausgeführt sein. Die Lichtleitfaser verfügt über einen Kern und einen den Kern umhüllenden Mantel. Die Lichtführung im Kern beruht bekanntlich auf Totalreflexion am Mantel. Das in den Kern eingekoppelte UV-Anregungslicht und/oder die in den Kern eingekoppelte Arbeitsstrahlung kann infolge der Lichtführung ohne nennenswerte Verluste durch Dämpfung und Streuung punktgenau zur Strahlaustrittsstelle geleitet werden.
• Ausführungsformen, bei denen eine Leuchtstoff enthaltende Schicht auf einem UV-transparenten Träger aufgebracht ist, der zwischen dem halbleiterbasierten Emitter und der Strahlaustrittsstelle angeordnet ist und der für das UV-Anregungslicht und für den Arbeitsstrahl durchlässig ist. Der UVtransparente Träger ist in der Regel plattenförmig ausgeführt, wobei die Leuchtstoff enthaltende Schicht auf der der Leuchtdiode zugewandten Plattenoberfläche und/oder auf der gegenüberliegenden Plattenoberfläche ausgebildet sein. Die materialspezifische Durchlässigkeit des Trägers, beispielsweise eines Glases, für das UV-Anregungslicht und für den Arbeitsstrahl wird dabei als Transmissionsgrad von mindestens 70 %/mm definiert.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen UV-Lichtquelle ist der Leuchtstoff als Leuchtstoff enthaltende Schicht im Strahlengang so angeordnet, dass UV-Anregungsstrahlung reflektiert und/oder gestreut wird.
Die Leuchtstoff enthaltende Schicht absorbiert hierbei einen Teil der UV-Anregungsstrahlung der als längerwellige Strahlung reemittiert wird und sie reflektiert einen Teil der UV-Anregungsstrahlung entweder direkt an ihrer Schichtoberfläche oder an der Oberfläche eines Substrats auf dem die Leuchtstoff enthaltende Schicht aufgebracht ist. Der als längerwellige Strahlung reemittierte Anteil und der reflektierte Anteil der UV-Anregungsstrahlung bilden den Arbeitsstrahl.
Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen halbleiterbasierten UV-Lichtquelle hat es sich beispielsweise als vorteilhaft erwiesen, wenn der Strahlengang mindestens teilweise durch den Hohlraum einer Kapillare oder einer Hohlkernfaser verläuft, wobei der Leuchtstoff im Kapillar- oder Faser-Hohlraum enthalten ist.
Der UV-Anregungsstrahl verläuft hierbei in Richtung der Kapillar- oder Faser-Längsachse, wobei der Leuchtstoff den Kapillar- oder Faser-Hohlraum vollständig oder teilweise auffüllen oder nur an der Hohlraum-Wandung vorhanden sein kann.
Die Hohlraum-Wandung kann hierbei als Substrat für die Leuchtstoff enthaltende Schicht dienen, das die UV-Anregungsstrahlung reflektiert. Die Leuchtstoff enthaltende Schicht bewirkt zwangsläufig eine gewisse Streuung der UV-Anregungsstrahlung und der emittierten längerwelligen Strahlung. Bei dieser Ausführungsform der halbleiterbasierten UV-Lichtquelle wird der gestreute Lichtanteil im Kapillar- oder Faser-Hohlraum zur Lichtaustrittsstelle geführt, so dass wenig an Nutzlicht verloren geht.
Insbesondere für Bräunungslampen sind im UV-A-Bereich und UV-B-Bereich emittierende Leuchtstoffe bekannt, wie beispielsweise durch Blei aktiviertes Bariumdisilicat (BaSi₂O₅:Pb) mit einem Emissionsmaximum bei 351 nm, sowie mit Europium aktiviertes Strontiumborat (SrB₄O₇:Eu) mit einem Emissionsmaximum bei 371 nm, mittels denen in Kombination mit anderen Leuchtstoffen wie CeMgAl₁₁O₁₉, LaPO₄:Ce und (Sr,Ba)MgSi₂O₇:Pb die Spezifikationsparameter der Bräunungslampe so eingestellt werden, dass sich eine Annäherung an ein bestimmtes gewünschtes Emissionsspektrum im ultravioletten Spektralbereich ergibt.
Weitere bekannte derartige Leuchtstoffe sind beispielsweise Ce-aktiviertes Strontium-Magnesium-Aluminat (Sr(Al,Mg)₁₂O₁₉:Ce) mit einem Emissionsmaximum bei 306 nm und Ce-aktiviertes Yttrium-Phosphat (YPO₄:Ce).
Die aufgrund ihres Verwendungszwecks typischerweise großflächige Beschichtung der Strahlerhülle mit einem Leuchtstoff und die entsprechend große Emissionsfläche machen diesen Strahlertyp jedoch ungeeignet für Analysevorrichtungen, in denen in der Regel punktähnliche Lichtquellen von Vorteil sind. Die dabei eingesetzten Leuchtstoffe sind aber grundsätzlich auch für die vorliegende Anwendung geeignet, sofern sie durch UV-Strahlung im Wellenlängenbereich 150 bis 270 nm zur Emission im Wellenlängenbereich von 200 bis 400 nm angeregt werden können.
Bei der erfindungsgemäßen halbleiterbasierten UV-Lichtquelle wird zudem vorzugsweise ein Leuchtstoff eingesetzt, dessen Anregungswellenlänge im Bereich von 200 bis 270 nm liegt und der ein möglichst breites Emissionsspektrum hat. In Hinblick darauf hat sich ein Leuchtstoff bewährt, der ein Ce-dotiertes Mischoxid ist, das vorzugsweise Strontium-Magnesium-Aluminat, Yttrium-Phosphat und/oder Gadolinium-Phosphat enthält.
Figurenliste
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt dabei in schematischer Darstellung im Einzelnen:

1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen halbleiterbasierten UV-Lichtquelle mit einem auf einem LED-Gehäuse aufgebrachten Leuchtstoff,
2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen halbleiterbasierten UV-Lichtquelle mit einem in einem LED-Gehäuse enthaltenen Leuchtstoff,
3 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen halbleiterbasierten UV-Lichtquelle mit einem auf einer Stirnfläche einer optischen Faser aufgebrachten Leuchtstoff,
4 eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen halbleiterbasierten UV-Lichtquelle mit einem an der Innenwandung einer Kapillarbohrung aufgebrachten Leuchtstoff,
5 eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen halbleiterbasierten UV-Lichtquelle mit einem im Strahlengang positionierten Quarzglassubstrat und darauf aufgebrachtem Leuchtstoff,
6 das Emissionsspektrum einer LED mit einem Maximum der Emission bei 256 nm gemäß dem Stand der Technik
7 das Emissionsspektrum einer LED von 6 bei Einsatz in eine halbleiterbasierte UV-Lichtquelle wie in 1 dargestellt und in Kombination mit einem ersten Leuchtstoff, und
8 das Emissionsspektrum einer LED von 6 bei Einsatz in eine halbleiterbasierte UV-Lichtquelle wie in 5 dargestellt und in Kombination mit einem zweiten Leuchtstoff.

Die in 1 in schematischer Darstellung gezeigte Ausführung der erfindungsgemäßen UV-LED-Lichtquelle weist ein aus Aluminium bestehendes Lampengehäuse 1 auf, in das eine auf einer Leiterplatte 2 montierte LED 3 eingesetzt ist. Die LED 3 emittiert UV-Licht mit einer Hauptemissionslinie bei einer Wellenlänge von 256 nm. Sie ist von einer kuppelförmigen Abdeckung 4 aus Quarzglas umgeben, auf deren Außenoberfläche eine Schicht 5 aus Leuchtstoff mit einer mittleren Schichtdicke von 15 µm aufgetragen ist (die Dicke ist aus Darstellungsgründen nicht maßstabsgerecht).
Die von der LED 3 emittierte UV-Strahlung 6 passiert die Leuchtstoff-Schicht 5, wird dabei teilweise absorbiert und in längerwelligere Strahlung umgewandelt und gelangt über einen fokussierenden Reflektor 7 auf ein Strahlaustrittsfenster 8 des Gehäuses 1, das sie als emittierte Arbeitsstrahlung 9 verlässt. Die Arbeitsstrahlung 9 enthält einen ersten Strahlungsanteil aus dem Wellenlängenbereich der von der LED 3 emittierten UV-Anregungsstrahlung 6 und einen zweiten Strahlungsanteil aus dem längerwelligeren Wellenlängenbereich, der vom Leuchtstoff emittiert wird.
Der maximale Abstand „d“ zwischen der Lichtaustrittsfläche der LED 3 und der Leuchtstoff enthaltenden Schicht 5 beträgt 2 mm. Der fokussierende Reflektor 7 dient gleichzeitig als Mittel zur punktgenauen Strahlführung.
Bei einer Abwandlung der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Leuchtstoff-Schicht 5 mit einer Schichtdicke von 15 µm auf der Innenseite des Lichtaustrittsfensters 8 aufgebracht, und zwar zusätzlich oder anstelle der Schicht auf der kuppelförmigen Abdeckung 4.
Die 1 bis 5 zeigen verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen UV-LED-Lichtquelle. Dabei sind jeweils gleiche oder äquivalente Bauteile und Bestandteile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen UV-LED-Lichtquelle ist die auf einer Leiterplatte 2 montierte LED 3 von einer Einhausung 24 umgeben, die mit einer Vergussmasse aus UV-transparentem Silikon und Leuchtstoff gefüllt ist. Die Vergussmasse bildet eine Leuchtstoff-Schicht 25 im Sinne der Erfindung. Die Einhausung 24 hat eine plane Außenseite 22, auf der eine Lichtleitfaser 27 mit einer ihrer Stirnseiten aufgesetzt ist. Die andere Stirnseite der Lichtleitfaser 27 bildet die Strahlaustrittsstelle 28 der UV-LED-Lichtquelle.
Die von der LED 3 emittierte UV-Anregungsstrahlung wird von der Leuchtstoff-Vergussmasse 25 innerhalb der Einhausung 24 teilweise absorbiert, dabei in längerwelligere Strahlung umgewandelt und gelangt über die Lichtleitfaser 27 zur Strahlaustrittsstelle 28. Die dort austretende Arbeitsstrahlung 9 enthält einen ersten Strahlungsanteil aus dem Wellenlängenbereich der von der LED 3 emittierten UV-Anregungsstrahlung und einen zweiten Strahlungsanteil aus dem längerwelligeren Wellenlängenbereich, der vom Leuchtstoff emittiert wird.
Die Lichtaustrittsfläche der LED 3 grenzt hierbei unmittelbar an die Leuchtstoff-Schicht 25 an, so dass die Aufweitung des von der LED 3 emittierten UV-Lichtstrahls bis zum Eintritt in die Leuchtstoff-Schicht 25 minimiert wird. Der aus der Einhausung 24 austretende Arbeitsstrahl wird im Kern der Lichtleitfaser 27 bis zur Lichtaustrittsstelle 28 geführt. Die Lichtleitfaser 27 dient somit als Mittel zur punktgenauen Strahlführung nach Emission durch die Leuchtstoff-Schicht 25.
Auch bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen UV-LED-Lichtquelle gemäß 3 bildet das aus dem Gehäuse 1 herausragende, distale Ende einer Lichtleitfaser 27 die Strahlaustrittsstelle 28 der UV-Lichtquelle. Das proximale, also das beim bestimmungsgemäßen Einsatz der LED 3 zugewandte Ende der Lichtleitfaser 27 ist mit einer Leuchtstoff-Schicht 35 mit einer Dicke von 25 µm belegt. Die LED ist als sogenannte „packaged LED“, das heißt mit Einhausung, ausgeführt und auf einer Leiterplatte 2 montiert. Die emittierte Anregungsstrahlung 36 wird von einer Sammellinse 37 auf die Leuchtstoff-Schicht 35 abgebildet und die Arbeitsstrahlung 9 durch die Lichtleitfaser 27 aus dem Gehäuse 1 heraus geleitet.
Die von der LED 3 emittierte UV-Anregungsstrahlung 36 durchdringt die Leuchtstoff-Schicht 35 teilweise und wird zum anderen Teil in längerwelligere Strahlung umgewandelt. Die Gesamtstrahlung aus einem Anteil unbeeinflusster UV-Anregungsstrahlung 36 und einem Anteil in der Leuchtstoff-Schicht 35 veränderter Strahlung tritt als Arbeitsstrahlung 9 aus der Strahlaustrittsstelle 28 aus.
Die Sammellinse 37 dient als Mittel zur punktgenauen Strahlführung des UV-Anregungsstrahls 36 vor dessen Eintritt in die Leuchtstoff-Schicht 35, und die Lichtleitfaser 27 dient als Mittel zur punktgenauen Strahlführung des Arbeitsstrahls nach Austritt aus der Leuchtstoff-Schicht 35.
Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen UV-LED-Lichtquelle entsprechen Leiterplatte 2 und darauf montierte LED 3 der Ausführungsform von 3. Die UV-Anregungsstrahlung 46 fällt auf das proximale, also das beim bestimmungsgemäßen Einsatz der UV-LED 3 zugewandte Ende 44 einer Kapillare 47. Der Kapillar-Hohlraum ist mit einem Leuchtstoff gefüllt, der eine Leuchtstoff-Schicht 45 im Sinne der Erfindung bildet.
Die von der UV-LED 3 emittierte Anregungsstrahlung 46 gelangt direkt in den Kapillar-Hohlraum, interagiert mit dem in der Leuchtstoff-Schicht 45 fixierten Leuchtstoff und tritt als Arbeitsstrahlung 9 aus der Strahlaustrittsstelle 48, also dem distalen Ende der Kapillare 47 aus dem Gehäuse 1 aus. Die Arbeitsstrahlung 9 setzt sich aus einem Anteil unbeeinflusster UV-Anregungsstrahlung 46 und einem Anteil in der Leuchtstoff-Schicht 45 veränderter Strahlung zusammen.
Der Abstand „d“ zwischen der Lichtaustrittsfläche der LED 3 und dem stirnseitigen Ende 44 einer Kapillare 47 (also der Leuchtstoff-Schicht 45) beträgt 4 mm.
In der Leuchtstoff- Schicht 45 innerhalb der Kapillare 47 erfolgt die spektrale Umwandlung der UV-Anregungsstrahlung 46 in den Arbeitsstrahl 9. Sie dient als Mittel zur punktgenauen Strahlführung sowohl des UV-Anregungsstrahls 46 als auch des Arbeitsstrahls zur Lichtaustrittsstelle 48.
Bei der in 5 schematisch dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen UV-LED-Lichtquelle entsprechen Leiterplatte 2 und darauf montierte LED 3 der Ausführungsform von 3. Das aus dem Gehäuse 1 herausragende, distale Ende einer Lichtleitfaser 27 bildet die Strahlaustrittsstelle 28 der UV-Lichtquelle.
Zwischen dem proximalen Ende und der LED 3 und im Strahlengang der UV-Anregungsstrahlung 56 befindet sich ein Substrat 57 aus Quarzglas mit darauf abgeschiedener Leuchtstoff enthaltender Schicht 55 mit einer Dicke von 20 µm.
Die von der LED 3 emittierte UV-Anregungsstrahlung 56 durchdringt das Substrat 57 und wird in der Leuchtstoff-Schicht 55 teilweise absorbiert und zum anderen Teil in längerwelligere Strahlung umgewandelt. Die Gesamtstrahlung aus einem Anteil unbeeinflusster Arbeitsstrahlung 56 und einem Anteil in der Leuchtstoff-Schicht 55 veränderter Strahlung tritt als Arbeitsstrahlung 9 aus der Strahlaustrittsstelle 28 aus.
Der Abstand „d“ zwischen der Lichtaustrittsfläche der LED 3 und der Leuchtstoff-Schicht 55 beträgt 4 mm.
Der aus der Leuchtstoff-Schicht 55 austretende Arbeitsstrahl wird Im Kern der Lichtleitfaser 27 bis zur Lichtaustrittsstelle 28 geführt. Die Lichtleitfaser 27 dient somit als Mittel zur punktgenauen Strahlführung nach Emission durch die Leuchtstoff-Schicht 25.
In den Emissionsspektren der 6 bis 8 ist der emittierte, auf den Maximalwert normierte Strahlungsfluss P (in relativen Einheiten) gegen die Wellenlänge λ (in nm) aufgetragen.
6 zeigt das Emissionsspektrum der LED 3. Das Emissionsmaximum liegt bei 256 nm und die spektrale Breite - der Wellenlängenbereich bis zu einem Zehntel des Maximalwerts - erstreckt sich von 245 bis 273 nm, also über einen Wellenlängenbereich von 28 nm.
Im Vergleich dazu zeigt 7 die aus dem Austrittsfenster 8 emittierte Arbeitsstrahlung 9 bei Einsatz der LED 3 in Kombination mit einem ersten UV-Leuchtstoff 5, der wie in 1 schematisch gezeigt als Außenbeschichtung 5 der Abdeckung 4 mit einer mittleren Schichtdicke von 15 µm ausgeführt ist. Der Leuchtstoff besteht aus Ce-dotiertem Strontium-Magnesium-Aluminat mit der Summenformel (Sr,Mg)Al₁₂O₁₉.
Zieht man das Unterschreiten von 10% des Maximalwerts als Begrenzung der spektralen Breite heran, so reicht das Gesamtspektrum hier von 245 bis 390 nm, also über einen Wellenlängenbereich von 145 nm. Das entspricht einer Zunahme in der Bandbreite um mehr als dem 5-fachen im Vergleich zum Emissionsspektrum von 6 (28 nm). Der spektrale Beitrag des Anregungslichts an der spektralen Bandbreite der Arbeitsstrahlung 9 beträgt somit etwa 19% und der Anteil des UV-Anregungslichts am Gesamtstrahlungsfluss des Arbeitsstrahls 9 beträgt etwa 32 %.
8 zeigt die emittierte Arbeitsstrahlung 9 bei Einsatz der LED 3 in Kombination mit einer Leuchtstoff-Schicht 55 aus einem anderen UV-Leuchtstoff. Dieser ist wie in 5 schematisch gezeigt mit einer mittleren Schichtdicke von 20 µm als Beschichtung eines UV-transparenten Trägers aus Quarzglas ausgeführt. Der Leuchtstoff besteht aus einer Mischung von Ce-dotiertem Strontium-Magnesium-Aluminat und Barium-Magnesium-Aluminat (BAM) im Verhältnis 9:1.
Mit diesem, über einen breiteren Wellenlängenbereich emittierenden Leuchtstoff kann eine Arbeitsstrahlung 9 mit einem Spektrum von 246 bis 490 nm erreicht werden, also mehr als dem 8-fachen der Bandbreite (28 nm) des ursprünglichen Emissionsspektrums der LED 3, wie es 6 zeigt. Der spektrale Beitrag des Anregungslichts an der spektralen Bandbreite der Arbeitsstrahlung 9 beträgt hier nur noch etwa 10%.
Die erfindungsgemäße halbleiterbasierte UV-Lichtquelle ist daher besonders geeignet für einen Einsatz als Strahlenquelle in einer Spektralanalysevorrichtung, wie etwa in der Flüssigkeitschromatographie (HPLC und UHPLC) in der Kapillarelektrophorese und in der Dünnschichtchromatographie.

Claims

Halbleiterbasierte UV-Lichtquelle für eine Spektralanalysevorrichtung, mit einem Gehäuse (1), in dem mindestens ein halbleiterbasierter Emitter (3) zur Abgabe von UV-Licht aufgenommen ist, und in dem ein Strahlengang zwischen dem Emitter (3) und einer Strahlaustrittsstelle (8; 28; 48) für einen Arbeitsstrahl (9) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (3) zur Abgabe von Anregungslicht (6; 36; 46; 56) mit einer mittleren Wellenlänge im Bereich von 150 bis 270 nm ausgelegt ist, dass im Strahlengang ein Leuchtstoff (5; 25; 35; 45; 55) vorhanden ist, der das Anregungslicht (6; 36; 46; 56) teilweise absorbiert und dabei eine Leuchtstoffstrahlung emittiert, derart dass Anregungslicht (6; 36; 46; 56) und Leuchtstoffstrahlung zu einem Arbeitsstrahl (9) überlagert sind, der im Wellenlängenbereich von 200 bis 400 nm eine spektrale Bandbreite von mindestens 50 nm aufweist.
Halbleiterbasierte UV-Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsstrahl (9) ein Spektrum aufweist, das mindestens den Wellenlängenbereich von 260 bis 310 nm umfasst.
Halbleiterbasierte UV-Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der spektrale Beitrag des Anregungslichts (6; 36; 46; 56) an der spektralen Bandbreite der Arbeitsstrahlung (9) weniger als 50% beträgt.
Halbleiterbasierte UV-Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Menge und Verteilung von Leuchtstoff im Strahlengang so eingestellt sind, dass der Anteil des Anregungslichts (6; 36; 46; 56) am Strahlungsfluss des Arbeitsstrahls (9) weniger als 50% beträgt und vorzugsweise im Bereich von 5 bis 35 % liegt.
Halbleiterbasierte UV-Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Emitter (3) und der Strahlaustrittsstelle (8; 28; 48) ein oder mehrere Mittel (7; 27; 37; 47) zur Führung des Anregungslichts und/oder des Arbeitsstrahls vorgesehen sind.
Halbleiterbasierte UV-Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff im Strahlengang in Form einer Leuchtstoff enthaltenden Schicht (5; 25; 35; 45; 55) eingebracht ist.
Halbleiterbasierte UV-Lichtquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstoff enthaltende Schicht (5; 25; 35; 45; 55) das Anregungslicht (6; 36; 46; 56) teilweise transmittiert.
Halbleiterbasierte UV-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstoff enthaltende Schicht (5; 25; 35; 45; 55) eine Schichtdicke im Bereich von 5 bis 100 µm, vorzugsweise zwischen 5 und 30 µm aufweist.
Halbleiterbasierte UV-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der halbleiterbasierte Emitter eine Austrittsfläche für das Anregungslicht (6; 36; 46; 56) aufweist, und dass die Leuchtstoff enthaltende Schicht (5; 25; 35; 45; 55) eine Eintrittsfläche für das Anregungslicht aufweist, und dass der kürzeste Abstand zwischen Austrittsfläche und Eintrittsfläche weniger als 5 mm beträgt
Halbleiterbasierte UV-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter mit der Leuchtstoff enthaltenden Schicht belegt und/oder teilweise von ihr umschlossen ist.
Halbleiterbasierte UV-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (3) ein Emitter-Gehäuse (4) mit einem Austrittsfenster für das Anregungslicht (6) aufweist, das mit der Leuchtstoff enthaltenden Schicht (5) belegt ist.
Halbleiterbasierte UV-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlaustrittsstelle (8; 28; 48) als Lichtaustrittsöffnung (8) des Gehäuses (1) ausgebildet und mit einem Fenster aus einem UV-durchlässigen Material bedeckt ist, das mit der Leuchtstoff enthaltenden Schicht belegt ist.
Halbleiterbasierte UV-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstoff enthaltende Schicht (55) auf einem Träger (57) aufgebracht ist, der zwischen dem Emitter (3) und der Strahlaustrittsstelle (8; 28; 48) angeordnet ist und der für das Anregungslicht und für den Arbeitsstrahl durchlässig ist, bevorzugt mit einer internen Transmission von mindestens 70% mm^-1.
Halbleiterbasierte UV-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang mindestens teilweise durch eine Lichtleitfaser (27) verläuft, und dass die Leuchtstoff enthaltende Schicht (35) auf mindestens einer der Stirnseiten der Lichtleitfaser (27) aufgebracht ist.
Halbleiterbasierte UV-Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (3) ein Emitter-Gehäuse (24) aufweist, in das der Leuchtstoff eingebracht ist.
Halbleiterbasierte UV-Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang mindestens teilweise durch den Hohlraum einer Kapillare (47) oder einer Hohlkernfaser verläuft, und dass der Leuchtstoff (5; 25; 35; 45; 55) im Hohlraum enthalten ist.
Halbleiterbasierte UV-Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff im Strahlengang so angeordnet ist, dass Anregungsstrahlung daran reflektiert und/oder gestreut wird.
Halbleiterbasierte UV-Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff ein Ce-dotiertes Mischoxid ist, das vorzugsweise Strontium-Magnesium-Aluminat, Yttrium-Phosphat und/oder Gadolinium-Phosphat enthält.
Halbleiterbasierte UV-Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der halbleiterbasierte Emitter (3) eine Leuchtdiode (LED) oder eine Laserdiode ist, und zur Abgabe von Anregungslicht (6; 36; 46; 56) mit einer mittleren Wellenlänge im Bereich von 200 bis 270 nm ausgelegt ist, und dass der Arbeitsstrahl (9) eine spektrale Bandbreite von mindestens 100 nm aufweist.