薄膜技术的发展带来了一类新的多波段镀膜器件(也称之为多波段带通滤光片),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(滤光片)类型和其制造可能性。
多波段滤波器(多波段滤光片)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。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。
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