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0431-81702023
光學工程
多波段鍍膜的濾波器重新定義了多種科學應用的性能標準

       薄膜技術的發展帶來了一類新的多波段鍍膜器件,使得制造商們能夠以具有競爭力的價格提供更好的性能,使得重新定義了性能標準并推動多個學科的創新的多波段濾波器成為可能。

  多波段濾波器可以分為多個類型,每一類解決獨特的光學問題。每一種類型都提出了它自己的一套制造上的挑戰,限制了其在實際應用上所能達到的高度,并影響薄膜制造工藝的可靠性。通過了解多波段濾波器的科學和工業應用,可以更好的理解各種各樣的濾波器類型和其制造可能性。

  多波段濾波器的應用

  所有的多波段濾波器的共同點是可以允許多個不同波長區域——典型的波長范圍是從紫外(UV)到中紅外(MWIR),或約280 nm到5μm——的光通過濾波器而阻斷這些通帶之間的光。這些具有梳狀光譜結構的多波段濾波器是硬鍍層介電薄膜光學濾波器的一個子集,它是通過在襯底上交替沉積具有不同折射率的材料層制成。

  多波段光學濾波器在生命科學應用中具有舉足輕重的作用。在熒光顯微分析中,多通帶的激發和發射濾波器和多色分光鏡一起使用使得在單一的樣品中同時檢測多個熒光標記物成為可能。這一領域的不斷進步,如新型可切換單色LED光源和激光光源的出現,增加了對具有非常高的透過率(93–98%),非常深的消光比(光密度測量值>OD5.5,設計值>OD8),以及非常陡的帶間轉換(接近<1%的近乎垂直的斜坡)的高性能多波段濾波器的需求。

  另外在激光熒光和拉曼光譜應用上的進展推動了能夠保持寬帶傳輸同時阻斷多個激光譜線的高性能多陷波濾波器的需求。激發熒光基團進入激發態所需要的激光功率比返回的拉曼信號要高得多,拉曼信號與激發波長的四次方成反比。在某些情況下,這意味著檢測的熒光標記要比激發光強小1012倍。在該系統中,阻止多余的光變得至關重要,從而使其不至于在檢測器上淹沒信號。這是通過在激光波長處的深度衰減(>OD6)來達到的。如果缺口的邊緣不足夠陡的話,那么接近激光波長的信號將會丟失,因為激發模式和發射模式的波長之間太過接近。

  許多其他學科正在受益于這種高性能的多波段薄膜器件的出現,包括遙感,激光攔截,半導體制造,以及工業監控。例如,具有低的通帶紋波和在水的特征波段(2.7μM)上基本零吸收的雙波段紅外濾波器可以監測氣候變化(見圖1)。制備該濾波器需要一個非常穩定的鍍膜工藝,因為大多數傳統的工藝都在沉積過程中包含一些微量的水,或因為它們的多孔性而傾向于在鍍膜之后吸收水分。


圖1.用于監測氣候變化的雙波段紅外濾波器在水帶具有幾乎可以忽略的吸收以及很低的通帶紋波。

  從具有10多個通帶的濾波器,到為了適合特定光譜形狀而設計的精密薄膜鍍層,再到設計用來在多個通帶內控制群延遲色散的濾波器,新的技術正在重新定義“多波段”。

  多波段濾波器的性能繼續在通帶數量,透過率,阻斷水平以及譜邊緣的陡峭程度等方面持續提高。在許多方面,多波段光學濾波器現在已經成為經典的單波段器件的競爭對手,因為其也能提供相同的平頂分布和成系列的深吸光度(OD)阻斷,使設計人員能夠制造更加緊湊和高效的光學系統。

  多波段濾波器的設計制造比單波段情況要復雜的多,需要高度理解建設性/破壞性干涉的原理,以及需要一個復雜的工藝來監測和控制材料的沉積。在Alluxa公司,我們將多波段濾波器分為五大類:1.寬帶;2.窄帶;3.邊緣雙色;4.陷波;5.任意譜形濾波器。通帶數量的增多會增加每一類濾波器的復雜度,需要考慮制造過程中的關鍵因素。

  多寬帶濾波器

  具有多個20~50nm的較寬帶寬的多波段濾波器,在生命科學中普遍應用,其中一個例子是需要多個照明波段來激發與發射的生物成像系統。

  在通帶內的透過率平均可以達到90~95%,而帶間的平均阻斷水平范圍為OD5到OD6。通常,在多波段濾波器中,通帶和阻帶之間的轉換區域為波長的2~3%,雖然更窄的光譜帶間轉換也是可能的。

  激發光(EX)和發射光(EM)通道通過用從干涉原理推導出來的薄膜沉積方法來制造成彼此分開,但被指定在一起工作。多波段激發和發射濾波器需要統籌的布局通帶和阻帶,而且需要在生產中保持——也就是,對于每個波段以及每一個濾波器來說,控制和邊緣位置的準確性至關重要。邊緣位置定義為從高衰減到高透過(上升沿)過渡區域的中點,或相反地,從高透過到高衰減(下降沿)過渡區域的中點,其建立了每個通道的邊界(見圖2)。


圖2.圖中所示是一個完整的多波段熒光濾光片,由高性能的五波段激發帶(EX),發射帶(EM),以及多色濾波器組成。

  激發/發射波段之間的重疊以及帶間的阻斷不充分都會在系統中產生不利的串擾,這需要在設計階段予以考慮和解決,以保證波段之間的整體吸光度水平最好>OD6,雖然>OD5在某些情況下也是可以接受的。

  上升沿和下降沿位置的嚴格控制是通過精確的監測方法來達到的,在介電材料以交替變換的高(H)低(L)折射率層進行沉積的時候,每一層都會實時進行測量和調整。通過采用復雜的監控技術,原位糾正鍍層的誤差是可能的,這也有助于消除常見的制造誤差,例如紋波(Ripple)——一種因為高低折射率材料之間的不匹配造成的不想要的透過率隨波長變化的效應。

  由于具有超多四個波段的硬膜寬帶濾波器沉積在一個單一的玻璃襯底上,隨著波段的增多,精確地控制和穩定的制造工藝變得非常關鍵,以保持邊緣的陡峭和相對于波長位置的良好定位。在一次鍍膜中的速率漂移引起的均勻性問題可能會導致通帶的不利漂移。由此產生的激發光譜通帶與發射光譜通帶之間的重疊會轉換成在最終的熒光圖像上的對比度的減少。

  多窄帶濾波器

  窄帶濾波器透過的波長帶寬小于10nm,而多個窄帶濾波器串聯起來被稱為多窄帶濾波器——與多寬帶濾波器的功能類似,但往往制作起來難度更大。

  窄帶的設計依賴于具有介電材料層發射鏡的Fabry-Perot(F-P)諧振腔的堆疊,該反射鏡由四分之一波長厚度的介電材料層組成 ,中間被厚度為多個半波長的腔隔開。多腔結構被用來使光譜形狀更加趨于“方形”,以得到一個在透射區域平頂的頻譜,而在單腔結構的設計中,則往往要圓頂一些。

  制作一個多腔的單波段濾波器對于大多數薄膜沉積系統來說都是一個挑戰。一個被稱為頻譜監測的對于轉折點的計算機變化控制方法,對于準確地控制每一層的沉積厚度來說非常有效。在鍍膜過程中,濾波器不斷的被測量,并通過考慮與多個層相關的厚度誤差對厚度的變化進行補償。這種方法有利于制造顯著地具有可重復性的與理論結果相符的低紋波窄帶濾波器。

  多窄帶濾波器允許光學設計人員以任意的形式對光譜進行解析,打開了一個與今天的高功率光源結合在一起使用的巨大的潛在應用。例如,Alluxa生產了一個10通道的濾波器,其可以在可見光范圍內產生一個梳狀的平頂光譜,其帶內具有高透過率,而帶間具有達到>OD5的阻斷水平(見圖3)。白光通過該濾波器之后,每個單獨的通帶都可以很容易的重定向和獨立分析。


圖3.采用多種設計方法制作的10波段多窄帶濾波器。

  多邊緣或多色(multichroic)濾波器

  多色濾波器,俗稱分光鏡,在激發/發射光譜系統中與多寬帶濾波器結合在一起使用非常流行。多色濾波器將輸入的光譜分成兩束——一束反射,另一束透射——通常在45°入射角下使用,雖然其他的角度也是可能的。該濾波器是雙向的,可以根據需要用于光譜波段的合束和分束。

  多色濾波器通常是單面濾波器,其第二個表面鍍減反射膜來避鬼影成像。從反射帶到透射帶(反之亦然)之間陡峭的過渡,提高了許多應用中圖像的對比度,包括熒光和多光譜生物成像。當應用在這些系統中時,雙色濾光片必須具備低的角度偏移,低的偏振分光,以及在反射和透射波前上的優秀的平坦性以消除任何對成像質量產生不利影響的明顯的焦點偏移。

  在特定的情況下,這些濾波器需要控制不同通帶的相位或群延遲色散(而不是在傳輸幅度)。一個具體的例子是一個四色分光鏡,它可以控制集成到三維結構照明顯微鏡(3D-SIM)中的所有六個激發激光器的反射光相位。最終的復合圖像在激發光被調整成多個3D-SIM配置之后生成。同時控制振幅和相位需要在設計過程中特別注意,同時也需要與理論非常接近的生產薄膜的鍍膜能力。

  與寬帶濾波器類似,其上升/下降沿50%的位置是至關重要的。由于設計的膜層往往并不是四分之一波長的厚度,所以沉積技術必須最小化層厚的誤差。對于設計工作在非垂直角度入射情況下的濾波器,測量過程和評價并不容易,特別是存在兩個以上串聯在一起的過渡邊緣的時候。襯底厚度和偏振分束會給測量帶來限制,例如光束偏差和譜型邊沿50%位置的平移,都可以影響對濾波器光譜特性的評價。

  多陷波濾波器

  和多波段濾波器的光譜分布相反,多陷波濾波器阻斷或反射(而不是透射)所感興趣的離散的波段。濾波器的形狀和設計結構有所不同,但一般而言,這些濾波器的目的是增加帶內抑制,并最大限度地提高帶外光的透射。

  多陷波濾波器在20多年前出現,主要是設計用于人類的激光防護和機器視覺應用。目前其仍然被用于這一目的,而且隨著應用范圍的豐富其性能也大大增加。例如,3D影院使用簡單的陷波濾波器來將可見光譜分成兩個非重疊和帶偏移的梳狀光譜,每個光譜用于一只眼睛。在另一方面,拉曼系統需要超窄的陷波濾波器來阻斷激光激發源的光,并聚焦于拉曼信號。外科醫生需要窄帶,帶顏色校正的陷波濾波器來阻斷手術過程中工作激光的反射,同時保持通過濾波器的中性色外觀圖像。光譜校正功能通常包括在光譜上的部分或完全缺口形狀,以平衡濾波器透射光的CIE白色點。

  多陷波濾波器的設計在光衰水平增加和帶寬變窄的時候會變得更具挑戰性,因為層數和復雜性會隨著光衰水平大致成線性增加,而與帶寬成反比。類似于窄帶濾波器的結構,多陷波濾波器的設計要求很高的層厚精度和控制來使帶外透射變得平坦和使阻斷帶變得陡峭。

  在可能的情況下,設計人員會嘗試利用諧波(例如,266nm/ 532nm/ 1064nm三個波段)以減少制造過程中的隨機誤差——這些諧波提供了自然阻斷區域。例如,1064nm的陷波經過相當容易的改造就能阻斷532nm波段,具體來講,就是通過簡單的重新配置重復堆疊的薄膜中高折射率和低折射率材料的比例就可以達到這個效果。通過這個方法,一個設計就可以產生兩個波段,而不是通過兩個相互獨立的結構來產生,然后安排在同一設計中來工作。

  任意形狀的多波段濾波器

  任意形狀的多波段濾波器不符合先前描述的濾波器類型的經典形狀或結構。相反,這些濾波器可以使用一個“目標”譜型來將入射光處理成具有自定義透過率變化的多條通帶,從而創造一個非常定制化的響應曲線。例如,一個太陽濾波器可以將一個標準光源的輸出光譜整形為與太陽光譜相一致(見圖4)。


圖4.任意譜形多波段濾波器的一個例子是太陽濾波器,其被設計來將氙弧燈的光譜整形為太陽光譜。

  顯而易見,這些設計在設計階段需要大量的計算能力。在制造過程中,他們經常受困于隨機沉積誤差,其會影響目標透射率的大小和位置。通常情況下,制造的濾波器可以實現理論值±5%誤差范圍內的目標光譜形狀,雖然它依賴于譜線的精確分布和特征。

  具有高端性能的多波段濾波器的發展持續擴大著光學所能做的事情的邊界。隨著需求的不斷增長,薄膜濾波器制造商將繼續改進創新方式,以更具競爭力的價格來制造這些濾波器。


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