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0431-81702023
光学工程
多波段镀膜的滤波器重新定义了多种科学应用的性能标准

       薄膜技术的发展带来了一类新的多波段镀膜器件,使得制造商们能够以具有竞争力的价格提供更好的性能,使得重新定义了性能标准并推动多个学科的创新的多波段滤波器成为可能。

  多波段滤波器可以分为多个类型,每一类解决独特的光学问题。每一种类型都提出了它自己的一套制造上的挑战,限制了其在实际应用上所能达到的高度,并影响薄膜制造工艺的可靠性。通过了解多波段滤波器的科学和工业应用,可以更好的理解各种各样的滤波器类型和其制造可能性。

  多波段滤波器的应用

  所有的多波段滤波器的共同点是可以允许多个不同波长区域——典型的波长范围是从紫外(UV)到中红外(MWIR),或约280 nm到5μm——的光通过滤波器而阻断这些通带之间的光。这些具有梳状光谱结构的多波段滤波器是硬镀层介电薄膜光学滤波器的一个子集,它是通过在衬底上交替沉积具有不同折射率的材料层制成。

  多波段光学滤波器在生命科学应用中具有举足轻重的作用。在荧光显微分析中,多通带的激发和发射滤波器和多色分光镜一起使用使得在单一的样品中同时检测多个荧光标记物成为可能。这一领域的不断进步,如新型可切换单色LED光源和激光光源的出现,增加了对具有非常高的透过率(93–98%),非常深的消光比(光密度测量值>OD5.5,设计值>OD8),以及非常陡的带间转换(接近<1%的近乎垂直的斜坡)的高性能多波段滤波器的需求。

  另外在激光荧光和拉曼光谱应用上的进展推动了能够保持宽带传输同时阻断多个激光谱线的高性能多陷波滤波器的需求。激发荧光基团进入激发态所需要的激光功率比返回的拉曼信号要高得多,拉曼信号与激发波长的四次方成反比。在某些情况下,这意味着检测的荧光标记要比激发光强小1012倍。在该系统中,阻止多余的光变得至关重要,从而使其不至于在检测器上淹没信号。这是通过在激光波长处的深度衰减(>OD6)来达到的。如果缺口的边缘不足够陡的话,那么接近激光波长的信号将会丢失,因为激发模式和发射模式的波长之间太过接近。

  许多其他学科正在受益于这种高性能的多波段薄膜器件的出现,包括遥感,激光拦截,半导体制造,以及工业监控。例如,具有低的通带纹波和在水的特征波段(2.7μM)上基本零吸收的双波段红外滤波器可以监测气候变化(见图1)。制备该滤波器需要一个非常稳定的镀膜工艺,因为大多数传统的工艺都在沉积过程中包含一些微量的水,或因为它们的多孔性而倾向于在镀膜之后吸收水分。


图1.用于监测气候变化的双波段红外滤波器在水带具有几乎可以忽略的吸收以及很低的通带纹波。

  从具有10多个通带的滤波器,到为了适合特定光谱形状而设计的精密薄膜镀层,再到设计用来在多个通带内控制群延迟色散的滤波器,新的技术正在重新定义“多波段”。

  多波段滤波器的性能继续在通带数量,透过率,阻断水平以及谱边缘的陡峭程度等方面持续提高。在许多方面,多波段光学滤波器现在已经成为经典的单波段器件的竞争对手,因为其也能提供相同的平顶分布和成系列的深吸光度(OD)阻断,使设计人员能够制造更加紧凑和高效的光学系统。

  多波段滤波器的设计制造比单波段情况要复杂的多,需要高度理解建设性/破坏性干涉的原理,以及需要一个复杂的工艺来监测和控制材料的沉积。在Alluxa公司,我们将多波段滤波器分为五大类:1.宽带;2.窄带;3.边缘双色;4.陷波;5.任意谱形滤波器。通带数量的增多会增加每一类滤波器的复杂度,需要考虑制造过程中的关键因素。

  多宽带滤波器

  具有多个20~50nm的较宽带宽的多波段滤波器,在生命科学中普遍应用,其中一个例子是需要多个照明波段来激发与发射的生物成像系统。

  在通带内的透过率平均可以达到90~95%,而带间的平均阻断水平范围为OD5到OD6。通常,在多波段滤波器中,通带和阻带之间的转换区域为波长的2~3%,虽然更窄的光谱带间转换也是可能的。

  激发光(EX)和发射光(EM)通道通过用从干涉原理推导出来的薄膜沉积方法来制造成彼此分开,但被指定在一起工作。多波段激发和发射滤波器需要统筹的布局通带和阻带,而且需要在生产中保持——也就是,对于每个波段以及每一个滤波器来说,控制和边缘位置的准确性至关重要。边缘位置定义为从高衰减到高透过(上升沿)过渡区域的中点,或相反地,从高透过到高衰减(下降沿)过渡区域的中点,其建立了每个通道的边界(见图2)。


图2.图中所示是一个完整的多波段荧光滤光片,由高性能的五波段激发带(EX),发射带(EM),以及多色滤波器组成。

  激发/发射波段之间的重叠以及带间的阻断不充分都会在系统中产生不利的串扰,这需要在设计阶段予以考虑和解决,以保证波段之间的整体吸光度水平最好>OD6,虽然>OD5在某些情况下也是可以接受的。

  上升沿和下降沿位置的严格控制是通过精确的监测方法来达到的,在介电材料以交替变换的高(H)低(L)折射率层进行沉积的时候,每一层都会实时进行测量和调整。通过采用复杂的监控技术,原位纠正镀层的误差是可能的,这也有助于消除常见的制造误差,例如纹波(Ripple)——一种因为高低折射率材料之间的不匹配造成的不想要的透过率随波长变化的效应。

  由于具有超多四个波段的硬膜宽带滤波器沉积在一个单一的玻璃衬底上,随着波段的增多,精确地控制和稳定的制造工艺变得非常关键,以保持边缘的陡峭和相对于波长位置的良好定位。在一次镀膜中的速率漂移引起的均匀性问题可能会导致通带的不利漂移。由此产生的激发光谱通带与发射光谱通带之间的重叠会转换成在最终的荧光图像上的对比度的减少。

  多窄带滤波器

  窄带滤波器透过的波长带宽小于10nm,而多个窄带滤波器串联起来被称为多窄带滤波器——与多宽带滤波器的功能类似,但往往制作起来难度更大。

  窄带的设计依赖于具有介电材料层发射镜的Fabry-Perot(F-P)谐振腔的堆叠,该反射镜由四分之一波长厚度的介电材料层组成 ,中间被厚度为多个半波长的腔隔开。多腔结构被用来使光谱形状更加趋于“方形”,以得到一个在透射区域平顶的频谱,而在单腔结构的设计中,则往往要圆顶一些。

  制作一个多腔的单波段滤波器对于大多数薄膜沉积系统来说都是一个挑战。一个被称为频谱监测的对于转折点的计算机变化控制方法,对于准确地控制每一层的沉积厚度来说非常有效。在镀膜过程中,滤波器不断的被测量,并通过考虑与多个层相关的厚度误差对厚度的变化进行补偿。这种方法有利于制造显著地具有可重复性的与理论结果相符的低纹波窄带滤波器。

  多窄带滤波器允许光学设计人员以任意的形式对光谱进行解析,打开了一个与今天的高功率光源结合在一起使用的巨大的潜在应用。例如,Alluxa生产了一个10通道的滤波器,其可以在可见光范围内产生一个梳状的平顶光谱,其带内具有高透过率,而带间具有达到>OD5的阻断水平(见图3)。白光通过该滤波器之后,每个单独的通带都可以很容易的重定向和独立分析。


图3.采用多种设计方法制作的10波段多窄带滤波器。

  多边缘或多色(multichroic)滤波器

  多色滤波器,俗称分光镜,在激发/发射光谱系统中与多宽带滤波器结合在一起使用非常流行。多色滤波器将输入的光谱分成两束——一束反射,另一束透射——通常在45°入射角下使用,虽然其他的角度也是可能的。该滤波器是双向的,可以根据需要用于光谱波段的合束和分束。

  多色滤波器通常是单面滤波器,其第二个表面镀减反射膜来避鬼影成像。从反射带到透射带(反之亦然)之间陡峭的过渡,提高了许多应用中图像的对比度,包括荧光和多光谱生物成像。当应用在这些系统中时,双色滤光片必须具备低的角度偏移,低的偏振分光,以及在反射和透射波前上的优秀的平坦性以消除任何对成像质量产生不利影响的明显的焦点偏移。

  在特定的情况下,这些滤波器需要控制不同通带的相位或群延迟色散(而不是在传输幅度)。一个具体的例子是一个四色分光镜,它可以控制集成到三维结构照明显微镜(3D-SIM)中的所有六个激发激光器的反射光相位。最终的复合图像在激发光被调整成多个3D-SIM配置之后生成。同时控制振幅和相位需要在设计过程中特别注意,同时也需要与理论非常接近的生产薄膜的镀膜能力。

  与宽带滤波器类似,其上升/下降沿50%的位置是至关重要的。由于设计的膜层往往并不是四分之一波长的厚度,所以沉积技术必须最小化层厚的误差。对于设计工作在非垂直角度入射情况下的滤波器,测量过程和评价并不容易,特别是存在两个以上串联在一起的过渡边缘的时候。衬底厚度和偏振分束会给测量带来限制,例如光束偏差和谱型边沿50%位置的平移,都可以影响对滤波器光谱特性的评价。

  多陷波滤波器

  和多波段滤波器的光谱分布相反,多陷波滤波器阻断或反射(而不是透射)所感兴趣的离散的波段。滤波器的形状和设计结构有所不同,但一般而言,这些滤波器的目的是增加带内抑制,并最大限度地提高带外光的透射。

  多陷波滤波器在20多年前出现,主要是设计用于人类的激光防护和机器视觉应用。目前其仍然被用于这一目的,而且随着应用范围的丰富其性能也大大增加。例如,3D影院使用简单的陷波滤波器来将可见光谱分成两个非重叠和带偏移的梳状光谱,每个光谱用于一只眼睛。在另一方面,拉曼系统需要超窄的陷波滤波器来阻断激光激发源的光,并聚焦于拉曼信号。外科医生需要窄带,带颜色校正的陷波滤波器来阻断手术过程中工作激光的反射,同时保持通过滤波器的中性色外观图像。光谱校正功能通常包括在光谱上的部分或完全缺口形状,以平衡滤波器透射光的CIE白色点。

  多陷波滤波器的设计在光衰水平增加和带宽变窄的时候会变得更具挑战性,因为层数和复杂性会随着光衰水平大致成线性增加,而与带宽成反比。类似于窄带滤波器的结构,多陷波滤波器的设计要求很高的层厚精度和控制来使带外透射变得平坦和使阻断带变得陡峭。

  在可能的情况下,设计人员会尝试利用谐波(例如,266nm/ 532nm/ 1064nm三个波段)以减少制造过程中的随机误差——这些谐波提供了自然阻断区域。例如,1064nm的陷波经过相当容易的改造就能阻断532nm波段,具体来讲,就是通过简单的重新配置重复堆叠的薄膜中高折射率和低折射率材料的比例就可以达到这个效果。通过这个方法,一个设计就可以产生两个波段,而不是通过两个相互独立的结构来产生,然后安排在同一设计中来工作。

  任意形状的多波段滤波器

  任意形状的多波段滤波器不符合先前描述的滤波器类型的经典形状或结构。相反,这些滤波器可以使用一个“目标”谱型来将入射光处理成具有自定义透过率变化的多条通带,从而创造一个非常定制化的响应曲线。例如,一个太阳滤波器可以将一个标准光源的输出光谱整形为与太阳光谱相一致(见图4)。


图4.任意谱形多波段滤波器的一个例子是太阳滤波器,其被设计来将氙弧灯的光谱整形为太阳光谱。

  显而易见,这些设计在设计阶段需要大量的计算能力。在制造过程中,他们经常受困于随机沉积误差,其会影响目标透射率的大小和位置。通常情况下,制造的滤波器可以实现理论值±5%误差范围内的目标光谱形状,虽然它依赖于谱线的精确分布和特征。

  具有高端性能的多波段滤波器的发展持续扩大着光学所能做的事情的边界。随着需求的不断增长,薄膜滤波器制造商将继续改进创新方式,以更具竞争力的价格来制造这些滤波器。


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