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

2020-12-12 OFweek維科網

　　窄帶的設計依賴於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於「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。

　　製作一個多腔的單波段濾波器對於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於轉折點的計算機變化控制方法，對於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，並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。這種方法有利於製造顯著地具有可重複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,其可以在可見光範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後，每個單獨的通帶都可以很容易的重定向和獨立分析。

　　圖3.採用多種設計方法製作的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，可以根據需要用於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，包括螢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)中的所有六個激發雷射器的反射光相位。最終的複合圖像在激發光被調整成多個3D-SIM配置之後生成。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。由於設計的膜層往往並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。對於設計工作在非垂直角度入射情況下的濾波器，測量過程和評價並不容易，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，並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，主要是設計用於人類的雷射防護和機器視覺應用。目前其仍然被用於這一目的，而且隨著應用範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，每個光譜用於一隻眼睛。在另一方面，拉曼系統需要超窄的陷波濾波器來阻斷雷射激發源的光，並聚焦於拉曼信號。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雷射的反射，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，因為層數和複雜性會隨著光衰水平大致成線性增加，而與帶寬成反比。類似於窄帶濾波器的結構，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)以減少製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複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，然後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製化的響應曲線。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。在製造過程中，他們經常受困於隨機沉積誤差，其會影響目標透射率的大小和位置。通常情況下，製造的濾波器可以實現理論值±5%誤差範圍內的目標光譜形狀，雖然它依賴於譜線的精確分布和特徵。

　　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，薄膜濾波器製造商將繼續改進創新方式，以更具競爭力的價格來製造這些濾波器。

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