薄膜滤光片
薄膜滤光片走向成熟
多层膜滤光片在生物医学仪器、分析仪器及先进的激光系统中起着重要的作用。虽然许多应用目前仍依赖于过时的滤光技术,但远程通信的严格要求促进了光学薄膜技术的发展。密集波分复用(DWDM )光通信系统的挑战性要求加速了
薄膜滤光片向具有低损耗、优异的光谱性能和被动式温度补偿能力等方向发展,并使其成为光通信的关键组件,从而提高了光纤系统的性能,降低了成本
。
图1 为生产通信系统用滤光片而研制的离子束溅射镀膜系统。用该系统可制备出生物医学仪器和分析仪器等用的薄
膜滤光片
光学薄膜今天所取得的显著进展是人们在10年前难以想像的。其中的第一个关键性进展
是研制出中心波长接近于1550nm 的极窄带通滤光片。这种滤光片首先在DWDM 系统中得到应用,用于选择单独通道,带宽最初为116nm (200GHz ),后来提高到018nm (100GHz )。美国
Optical Coating Associates 公司最先对外报道了这
种滤光片,紧随其后,美国加州Optical Coating Laboratory 也发布了其研究成果。该研究室研制
的滤光片是基于多重法布里2珀罗谐振腔设计,是由1/4波长厚度的高/低折射率的坚硬氧化物材料多层膜构成的。
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图2 用转向点监测法,该方法主要用于制备窄带通滤光片,即当测得透射系数对时间曲线达到极大值或极小值时,马上停止镀覆高折射率或者低折射率材料。这种方法可镀制出1/4波长厚度的膜层
多通道滤光片
对滤光片技术的研究从来就没有停止过,一些公司先后研制出带宽小至012nm(25GHz),能够传输8个100GHz带宽,并同时反射掉所有直接相邻频道的信号(8频通滤光片)。因为这种滤光片要求的是高度矩形的频谱形状(边的陡度对带宽的比值很小),所以需要多达17个法布里2珀罗腔和共计400多层膜层。
另一个关键性进展是薄膜增益补偿滤光片的研制成功,该滤光片能对光纤放大器的增益光谱进行补偿。设计和制造这种滤光片极具挑战性,因为所要求的膜层厚度为非1/4波长,因此目前世界上只有很少几家公司掌握这种技术。
镀膜技术、滤光片设计和光学监测技术的发展促进了薄膜滤光片技术的发展。采用10年前的镀膜技术现已不能制备出今天这种大容量、多波长光通信系统所需要的光学滤光片。这种高性能滤光片的厚度仅为几十微米,但要求镀上几百层膜。新的沉积方法具有在一个小面积上制备极高均匀性的滤光片的能力,但是稳定的沉积速率还有待于进一步研究。
新开发的一种离子辅助离子束溅射镀膜新技
图3 通过观测窗口拍摄的照片。图中为现代离子束溅射镀膜系统
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术除能提供高精度监控能力外,还能镀制氧化物
的硬质薄膜,这种膜能经受住恶劣环境的长期侵害。当工作在湿热环境时,膜层必须没有漂移,能在很宽的温度和湿度范围条件下工作几十年,且不出现故障。
滤光片设计方面的进展。新型滤光片需设计成多层数,因而促进了商品软件包的开发研究,此外还要求新的算法。设计者必须学会如何去设计波纹很小的极窄的矩形带通滤光片,并使其光谱性能对制造偏差和环境变化不敏感(稳定性)等。
大多数增益平化滤光片是基于非1/4波长厚度膜层,这就对设计提出了更高的要求。科学家们采用了多种算法设计这种对衰减光谱指标曲线具有极小偏差的滤光片。虽然使用非1/4波长厚膜简化了设计,但却使加工复杂化。
镀膜技术的发展得益于先进的光学监测算法和软件。在镀膜过程中,人们要监测光通过镀制膜的透过率,并根据所测信息决定何时停止镀覆哪一种材料以及何时开始镀下一种材料。对于通信系统而言,必须监测产品滤光片本身,而不是监测放置在镀膜室内的“参考样品”。
在制备带通滤光片过程中,工程师们利用转向点光学监测技术,根据所测得的透射率对时间变化曲线在转向点处停止对1/4波长厚膜的镀覆(在转向点处,透射率曲线反转)。采用这种技术没有快速累积厚度误差。相反地,只要在转向处保持停止膜层镀覆的指令,则前面的厚度误差仍能用后镀的膜层来补偿。若不具备这种自校正特性,随机厚度误差必须保持小于原子间隔尺度,显然这是不可能的。
业已证明,要将这种算法用于监测增益平化滤光片是很困难的,因为采用的是1/4波长的厚膜,且不具备利用转向点监测的自校正特性。因此,制备这种膜层的滤光片需要高度复杂的光学监测算法。
新机遇
为光通信系统所研制的滤光片业已成熟,并已广泛用于已建立的和许多新出现的领域。薄膜滤光片技术进展的真正受益者是那些利用这些技术去生产高性能光学滤光片并向市场提供诸如生物光学仪器和分析仪器系统的厂家。
然而,为了能从各种通信薄膜滤光片技术成果中受益,必须克服许多障碍,因为许多应用要求可见光或者近红外波长滤光片。这些滤光片比通信用滤光片的面积要大很多(一般直径为25mm,而通信系统滤光片约为1mm)。波长越短意味着所需的膜层厚度就越薄,每层所需的镀膜时间就越短,这就使精确的光学监测更加困难。
在对可见波段和近红外波段膜厚实施光学监测过程中,由于缺乏高亮度和宽光谱可调谐光源(如一般用于监测～1550nm通信窗口滤光片用的可调谐半导体激光器)而使问题更加严俊。对于给定的镀膜面积,对较大尺寸滤光片的镀膜的效率明显降低,因此在这些方面必须取得突破性进展,以扩大可用面积,并保持精确的膜层厚度。
?荧光技术 大多数荧光仪器均使用薄膜滤光片去隔离并分离激发光和辐射光。这些仪器包括用于成像生物物质的荧光显微镜;用于DNA 排序和分析用的微阵列显示器;广泛用于药物发现的高通过率扫描系统和用于血细胞分类和计数,或者其他生理物质的流动细胞测量系统。荧光性还广泛用于化学过程的监测。
滤光片类型包括带通滤光片、长波通和短波通滤光片以及二向色分束器。高质量的滤光片在通带内具有很高的透过率;陡峭且精确定位的边缘用于把荧光信号从不需要的光中分离出来,并具有完全阻挡所有其他背景光的性能。利用镀100多层非1/4波长膜的几十微米厚的镀膜实现
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图4 以Olympus BX41荧光显微镜为例,这张多色照片是利用最新一代荧光滤光片(特性曲线插图)拍摄的牛肺主动脉血管内壁细胞的照片。注意,荧光辐射滤光片特性曲线显示了具有很高、且平顶和陡边的通带透过率。这个近乎理想的矩形分布是现代高数据率通信系统中使用的最好解2复用滤光片
高性能的滤光片(如陡度好)是完全可能的。
最新的技术进展使滤光片不仅提高了光谱性能,而且使显微镜用的荧光滤光片能给出好的成像质量。由于硬质膜可达到这一精度,因此在单块玻璃片的外表面上镀多层膜即可制作出复杂的荧光滤光片。
目前制备荧光滤光片仍采用传统的具有软质膜的多层基片。为保护软质膜层免受环境的侵害,通常用光学粘合剂把许多基片粘结在一块。这种复杂结构将增加光传输的损耗并使图像畸变。要消除由整个滤光片结构楔角导致的光束偏转特别困难。
在荧光显微镜中,用不同滤光片产生的多个像通常是重迭的,光束的任何偏移均会使图像质量下降。实际上把多层硬质膜镀在单块玻璃片上即可解决这一问题。在这种情况下,透射波前的畸变是由单块玻璃基片造成的,极易获的高允差。
荧光滤光片的高可靠性和耐久性在各种应用中非常重要,尤其是对高通过率诊断仪器或研究室设置。利用硬质膜生产的荧光滤光片的可靠性可与通信系统用滤光片的可靠性相比。硬质氧化物膜像玻璃基片那样坚硬,因而易于处理。最终用户可用标准溶剂清洁滤光片,而不用担心滤光片会有损伤。
此外,因单衬底设计在光路中没有环氧树脂胶,所以人们既不必担心超强光功率所造成的损伤,也不必担心持续长时间高温对其的影响。在通信组件试验环境中,对荧光滤光片的可靠性进行了实验。
?喇曼光谱测量技术 在喇曼光谱测量中,用一激光器激发一个实验样品,对散射光到长波长(斯托克斯)或短波长(反斯托克斯)边的光谱进行
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了分析,获得了有关样品结构的信息。根据谱线图形,可以识别已建立的各种元素和/或分子业已建立的“指纹”来识别。这种光谱分析需要某种色
散仪器,如光栅单色仪,但为了抑制散射的激光和为了避免测量系统过载而使用一种前置滤光片也是必须的
。
图5 现代高性能荧光滤光片(左图)比传统的滤光片(右图)的结构要简单得多,在光路中没有粘合剂。这种结构不仅
能降低光损耗,
而且还提高了可靠性和成像质量
图6 这种新一代喇曼边缘滤光片能阻挡来自倍频Nd ∶
Y A G 激发激光器(波长为532nm )的散射光,而通
过含喇曼信号谱带的信息光。这种滤光片的频率特性是:具有极陡的边缘、高且宽的通带透射率,低通带波纹和通带边缘接近于激光谱线等。计算机设计理论特性曲线和实际测量数据趋于一致
非常接近于激光谱线的喇曼散射频率非常重要。为了获得这个信息,前置滤光片(一种阶梯式滤光片)必须具有高阻挡性能,以挡住激光光谱通过;应用一个陡边以获得尽可能靠近激光谱线的透射频率信号,信号光的透射率足以能识别微弱的信号
。
图7 直径为6in 的荧光用光学薄膜滤光片环绕一个直径
为10mm 的小滤光片
传统上,高性能的仪器使用体全息图阶梯式滤光片获得这些性能。然而遗憾是的,因每次只能制造一片这种滤光片,因而过于昂贵。此外,这种滤光片还会因强散射光的照射而损伤。利用复
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杂的非1/4波长滤光片技术可制造出高透射率和极陡边缘的薄膜喇曼滤光片。这种滤光片达到了技术要求,性能甚至超过全息滤光片。采用全玻璃结构使这些滤光片具有环境稳定性,高损伤阈值和稳定性等,因而适于商品化仪器使用。
?激光器系统 激光反射镜要求镀制具有低散射和高激光损伤阈值等性能的膜层。传统的镀膜技术限制的最多膜层大约为20层,而新的镀膜技术,如离子束溅射,镀膜层数比传统的要多很多。将这种技术和复杂的设计以及镀膜过程的控制等结合起来,则能加工出具有非常宽的谱带和大角度的激光反射镜。
激光反射镜可在350～1100nm的波长范围,任意偏振和0°～50°入射角条件下,提供大于99%的反射率。这种大角度反射镜能取代三个或者更多的用于多谱线激光器系统(如基波为1064nm,二次和三次谐波分别为532nm和355nm的Nd∶YA G系统)和多光子谐振显微镜中的传统的高性能宽波段激光反射镜。
以生物医学分析系统为例,科学家们正利用这种反射镜控制近红外激励光和可见荧光光束或者具有高效的散射高次谐波光。
综上所述,薄膜技术的最新进展已向传统镀膜技术发起挑战。业已证明,采用新技术实现制造大量阵列应用的薄膜滤光片是可能的。未来几年,生物技术和其他领域将继续感受这种突破性的技术进展为其带来的影响。(No.7)
刘萍 编译
《发光学报》(双月刊)
———中文核心期刊(物理学类;无线电电子学、电信技术类)
《发光学报》是中国物理学会发光分科学会与中国科学院长春光学精密机械与物理研究所共同主办的中国物理学会发光分科学会学术会刊。该刊是以发光学、凝聚态物质中的激发过程为专业方向的综合性学术刊物。
《发光学报》于1980年创刊,曾于1992年,1996年和2000年连续三次被《中文核心期刊要目总览》评为“物理学类核心期刊”,并于2000年同时被评为“无线电电子学、电信技术类核心期刊”。2000年获中国科学院优秀期刊二等奖。现已被《中国学术期刊(光盘版)》、《中国期刊网》和“万方数据资源系统”等列为源期刊。英国《科学文摘》(SA)自1999年;美国《化学文摘》(CA)和俄罗斯《文摘杂志》(PЖ)自2000年;美国《剑桥科学文摘》自2002年已定期收录检索该刊论文。2001年在国家科技部组织的“中国期刊方阵”的评定中,《发光学报》被评为“双效期刊”。2002年获中国科学院2001～2002年度科学出版基金“择重”资助。本刊内容丰富、信息量大,主要反映本学科专业领域的科研和技术成就,及时报道国内外的学术动态,开展学术讨论和交流,为提高我国该学科的学术水平服务。
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