高性能薄膜光学滤波器的测量

HELIX 光谱分析系统重新定义了高性能薄膜滤光片的测量能力。 HELIX 由 Alluxa 工程人员开发,旨在解决大多数市售分光光度计的局限性。该系统的能力有四方面:它能够测量 OD7 (-70 dB) 的滤波器边缘,评估 OD9 (-90 dB) 的阻塞,解析半高全宽 (FWHM) 窄至 0.1 nm 的通带,并解析从 90% 传输到 OD7 相对于边缘波长高达 0.4% 的陡峭边缘。

使用 HELIX 系统测量的高腔数超窄带通滤波器的透射光谱并与理论进行比较。 HELIX 系统能够测量高达 OD9 (-90 dB) 的阻塞。

图1。 使用 HELIX 系统测量的高腔数超窄带通滤波器的透射光谱并与理论进行比较。 HELIX 系统能够测量高达 OD9 (-90 dB) 的阻塞。

概述

对边缘转换比边缘波长 0.5% 陡峭的高性能光学滤波器的需求不断增加,从 90% 传输到 OD6 (-60 dB),具有亚纳米带宽的超窄滤波器和超过 OD6 的宽范围阻塞已经推动薄膜设计和涂层技术的最新进展。然而,由于标准分光光度计和其他基于光栅的测量系统的固有局限性,测量这些滤光片的实际光谱性能非常具有挑战性。这些限制导致仪器无法解析超陡峭边缘或非常窄的通带,导致测量的透射光谱显示不准确的带宽和超窄滤波器的圆峰,本底噪声范围介于 OD2 (-20 dB) 和 OD7 之间,以及涂污和圆角边缘。对于需要在系统开发的资格阶段之前显示滤光片真实性能的测量数据的技术人员来说,这可能会令人烦恼。也适用于涂料制造商,他们必须制造满足挑战性要求的过滤器,即使在大多数情况下性能几乎无法衡量。

因此,许多薄膜制造商已开始利用可调谐激光器、定制分光光度计和其他先进技术来实现更准确的测量。不幸的是,许多这些解决方案可能对错位敏感、成本过高或波长范围有限,因此不适合在大批量工厂中使用。幸运的是,Alluxa 已经构建了 HELIX 光谱分析系统,一种定制的解决方案,可以测量阻塞到 OD9(图 1),跟踪到 OD7 的边缘,并准确解析亚纳米通带和边缘转换,从 90% 传输到 OD7 的边缘波长的陡峭度为 0.4%。

传统测量技术和局限性

分光光度计和基于光栅的测量系统

在薄膜行业中,滤光片的光谱测量最常通过使用基于双单色器的分光光度计获得。这些和其他基于光栅的测量系统通过宽带光源与由衍射光栅和一系列反射镜和狭缝组成的单色器一起使用来确定滤光器的透射率。当宽带光照射到第一个衍射光栅时,它被分散成其组成波长,每个波长都以略微不同的角度从光栅反射。通过旋转光栅,单色器能够通过狭缝依次投射每个波长或波长带。然后光束移动到第二个单色器或光栅,以最大程度地减少系统中的杂散光,然后最终通过另一个可进一步缩小光谱带宽 (SBW) 的可调节狭缝射出(图 2)。通过修改狭缝宽度,可以控制光谱分辨率和光强度。

基于双单色器的分光光度计的简化图。

图 2。 基于双单色器的分光光度计的简化图。

在薄膜计量学中,高光谱分辨率至关重要,因为许多滤光片的设计在短波长范围内具有从高透射到深阻挡的陡峭过渡。如果光谱分辨率很粗糙,测量将产生模糊和圆润的边缘,这不能说明滤波器的真实陡度。对于具有超窄带宽的滤光片来说,这种无法解决短波长范围内的跃迁也是如此。对于这些,由于带宽值接近仪器的光谱分辨率,因此边缘拖尾的影响会更加复杂。这会导致无法解析的通带,最终测量结果显示圆形峰值和相对较低的透射率。

分光光度计的光谱分辨率可以通过缩小出口狭缝来提高,从而降低通过的光的 SBW。然而,即使 SBW 减小,由于入射光束相对较大的锥角(小 f 数)和光斑尺寸,仍然会看到一些边缘拖尾。在测量薄膜滤光片时,光斑尺寸是一个重要的考虑因素,因为涂层的空间均匀性梯度会根据入射光束的位置导致滤光片边缘和波段的适度偏移。如果光斑尺寸很大,测量将显示边缘拖尾,这是由于落入光束的所有过滤器位置的平均效应造成的。

同样,入射光束的 f 数是薄膜计量中的一个重要考虑因素,因为滤光片的光谱响应基于角度。随着入射角 (AOI) 的增加,滤光片光谱的波长下移速度由滤光片的有效折射率决定。此外,当 AOI 很大时,偏振分裂会导致光谱形状失真。由于来自非准直入射光束的光以锥体范围内的所有角度撞击滤光器,因此会产生平均效应,导致边缘模糊和通带变圆。

因此,除了缩小出射狭缝外,还可以通过增加小孔径来减少入射光的光束尺寸和锥角,从而减少边缘拖尾。然而,由于减小狭缝宽度和增加孔径都会降低光强度,因此信噪比也会降低,最终导致本底噪声可以提高几个数量级。因此,这些方法有利于将边缘陡峭的滤光片边缘解析到大约 OD2 或 OD3 的水平,但不能用于评估比该水平更深的衰减(图 3a 和 3b)。

相反,加宽狭缝并完全去除任何孔径将提高光强度并降低本底噪声。衰减参考光束,一种称为后光束衰减 (RBA) 的方法,将有助于通过偏置检测器的动态范围进一步降低本底噪声,从而提高信噪比。这些方法有利于评估 OD6 或 OD7 级别的阻塞,这是几个分光光度计的最大本底噪声,因为系统中通常存在散射光。然而,它们也会导致权衡,因为提高光强度是通过增加 SBW 来实现的,这会导致更粗糙的光谱分辨率。即使对于标准性能的光学滤波器,使用这些方法的测量也会显示不准确的带宽和失真的边缘,因为从高透射到深阻塞的边缘过渡与测量的光谱分辨率相媲美(图 3a 和 3b)。

用于测量相同超窄带通滤波器的两种不同技术的比较:(1) 引入小孔径的窄狭缝和 (2) 移除孔径并引入后光束衰减器的宽狭缝。

图 3a。和 3b。 用于测量相同超窄带通滤波器的两种不同技术的比较:(1) 引入小孔径的窄狭缝和 (2) 移除孔径并引入后光束衰减器的宽狭缝。

对于许多标准滤波器,可以通过适度的 SBW 设置和增加相对较宽的孔径来实现具有最小边缘失真和 OD4 或 OD5 本底噪声的测量。然而,所有提到的方法都不足以测量和评估陡峭的边缘、超过 OD6 的阻塞或超窄带通滤波器。

高级和自定义测量选项

许多现成的分光光度计都带有与感兴趣的紫外、可见光和/或红外测量范围相匹配的集成光源和衍射光栅。仪器在合适的时间自动切换光栅和光源,创建无缝数据集。然而,这些组件不能轻易切换到更高功率的光源,这将增加信噪比,或具有更大线密度的衍射光栅,以优化光谱分辨率。因此,需要定制的基于光栅的测量系统来增强测量能力。这可以通过在光学实验室中构建定制分光光度计来实现。此选项允许将许多可定制的单色器合并到系统中,这有可能将双单色器的本底噪声降低到 OD8 (-80 dB),或三重单色器的 OD12 (-120 dB)。然而,这些系统可能容易受到背景光、错位和其他环境条件的影响,除非它们完全包含在定制的外壳中。另一种选择是定制当前可用的现成系统,尽管其中大部分的设计无意修改,以避免与保修和维修有关的问题。

许多高度准确和精确的滤光片测量是通过使用可调谐激光器而不是基于光栅的系统来执行的。由于准直光束、增加的功率输出和明确定义的波长,可调谐激光器能够在其范围内的每个波长上以非常精细的光谱分辨率进行准确的高 OD 测量。然而,由于大多数可调谐激光器的波长范围相对较窄,因此需要使用多个激光器来测量单个滤光片的完整透射和阻挡范围。可调谐激光器的购买和维护成本也很高,因此它们并不适合用于大批量制造场景。

HELIX 光谱分析系统

系统总览

The HELIX 光谱分析系统 是一种定制解决方案,可减少光谱分辨率和光强度之间的权衡,同时获得大 f 数和小光斑尺寸。它是通过将高功率激光源组合成双单色仪系统而构建的。通过这种定制配置的高强度准直光,可以在不提高本底噪声的情况下实现高光谱分辨率。结果是一个波长精度高达 ± 0.05 nm 和光谱分辨率高达 0.01 nm 的系统,能够准确、精确地测量最高性能的滤光片。

从 90% 透射率到 OD4 (-40 dB) 的边缘波长斜率小于 0.1% 的拉曼 LIDAR 滤波器的测量比较。两个相同的滤波器被设计为串联使用,以提供 532 nm 瑞利信号的 OD8 (-80 dB) 阻塞。 HELIX 系统将边缘解析为 OD 7 (-70 dB)。

图 4。 从 90% 透射率到 OD4 (-40 dB) 的边缘波长斜率小于 0.1% 的拉曼 LIDAR 滤波器的测量比较。两个相同的滤波器被设计为串联使用,以提供 532 nm 瑞利信号的 OD8 (-80 dB) 阻塞。 HELIX 系统将边缘解析为 OD 7 (-70 dB)。

解决陡峭的边缘

由于 HELIX 系统能够在不提高本底噪声的情况下获得高光谱分辨率测量值,因此它可以准确地解析陡峭边缘,一直到 OD7,如图 4 所示。这对于评估拉曼激光雷达和激光雷达等应用中使用的滤波器特别有用。拉曼光谱。在这些应用中,光学滤光片可提供 90% 以上的拉曼信号传输,同时将激光线或相关瑞利信号衰减到 OD6 或更高的水平。由于在某些情况下目标信号和激光线之间的间隔可能为 1 nm 或更小 [1],因此许多滤光片设计为比从 90% 透射率到 OD6 的边缘波长的 0.5% 更陡峭。

由于使用典型技术很难测量具有这种边缘陡度水平的滤光片,因此许多薄膜制造商通过使用相应的理论轨迹来推断分光光度计本底噪声之外的边缘位置来评估边缘。然而,该技术仅提供指定波长下阻塞水平的粗略估计,并未考虑可能影响绝对可实现阻塞的影响因素,这些影响因素可能因运行或过滤器而异。对于边缘过渡非常紧密的滤光片,在沿边缘的指定波长处建立精确的衰减水平至关重要,以确保滤光片按预期工作。因此,HELIX 系统有助于确定这些过滤器的真实性能。

测量大范围阻塞

许多应用,例如荧光成像、流式细胞术以及 Mie、Rayleigh 和 Raman LIDAR,都需要具有超过 OD7 水平的宽范围阻塞的滤光片。由于大多数分光光度计的本底噪声不能超过 OD6,因此许多薄膜制造商需要将 OD7 或更高的阻塞级别规定为“设计”。这意味着滤波器设计将超过指定的阻塞级别,但测量可能不会。不幸的是,即使滤光片的阻挡设计远远超过指定水平,涂层过程中的错误、针孔和表面缺陷和/或在滤光片组件中产生光散射的其他缺陷也会降低成品的衰减水平。由于 HELIX 系统能够进行大范围的高 OD 测量,如图 5 所示,因此它能够识别不符合所需衰减水平的滤波器,从而确保理想的系统性能。

设计有陡峭边缘和大于 OD8 (-80 dB) 阻塞的高性能荧光滤光片的测量比较。来自 HELIX 系统的数据显示滤波器边缘解析为 OD7 (-70 dB) 和 OD8 级别的宽范围阻塞。

图 5。 设计有陡峭边缘和大于 OD8 (-80 dB) 阻塞的高性能荧光滤光片的测量比较。来自 HELIX 系统的数据显示滤波器边缘解析为 OD7 (-70 dB) 和 OD8 级别的宽范围阻塞。

测量超窄带通滤波器

如前所述,超窄带通滤光片很难测量,因为亚纳米带宽与大多数分光光度计的光谱分辨率相媲美,这会导致测量结果具有圆形峰值、模糊边缘、低透射率和不准确的带宽。

1083 nm 高腔数超窄带通滤波器的测量比较。 HELIX 系统完全解析了方形通带并将陡峭边缘测量到 OD7 (-70 dB)。

图 6。 1083 nm 高腔数超窄带通滤波器的测量比较。 HELIX 系统完全解析了方形通带并将陡峭边缘测量到 OD7 (-70 dB)。

这种效应可以在标准边缘陡度和带宽在 FWHM 下小于 1 nm 的超窄滤波器中观察到。然而,最严重的失真出现在为太阳成像、激光雷达和激光应用而构建的高性能、超窄滤光片中。这些滤波器的带宽可以设计为 FWHM 时窄至 0.1 nm,其中一些设计具有高腔数,为滤波器提供平坦的顶部、方形的光谱形状和陡峭的边缘 [2]。然而,由于这些滤波器的带宽和边缘陡度都需要比大多数分光光度计更高的光谱分辨率,因此标准测量中很少出现方形(图 6),尤其是当 FWHM 小于 0.5 nm 时.

0.2 nm FWHM 超窄带通滤波器的测量比较。来自 HELIX 系统的数据显示了一个完全解析的通带。

图 7。 0.2 nm FWHM 超窄带通滤波器的测量比较。来自 HELIX 系统的数据显示了一个完全解析的通带。

由于使用标准技术很难测量超窄带通滤波器的峰值传输,因此制造商有必要将许多亚纳米带宽的滤波器的高传输要求指定为“设计”。然而,当使用 HELIX 系统测量高性能、超窄带通滤波器时,即使是最窄和最陡的通带也能被完全解析(图 7),并且边缘一直追踪到 OD7。这允许评估滤波器的真实峰值传输、边缘陡度、光谱形状和 FWHM。

测量陷波滤波器

陷波滤波器对薄膜制造商提出了独特的计量挑战,因为它们旨在衰减相对较小的波长范围,同时传输任一侧的相邻光谱。由于在测量过程中通过过滤器传输了大量光,因此最终到达检测器的杂散光量会增加。发生这种情况时,信噪比会下降,测量的本底噪声会升高。尽管杂散光通常存在于分光光度计中,但对于在检测器工作范围内衰减的滤光片(如带通滤光片)而言,它的问题较少。即使无法消除杂散光, 螺旋系统 仍然能够实现超出 OD7 的窄陷波滤波器(如图 8 所示)和超出 OD8 的更宽陷波(​​如图 9 所示)的测量。

窄陷波滤波器的测量比较。来自 HELIX 系统的数据显示测量到 OD7 (-70 dB) 的阻塞。

图 8。 窄陷波滤波器的测量比较。来自 HELIX 系统的数据显示测量到 OD7 (-70 dB) 的阻塞。

宽陷波滤波器的测量比较。来自 HELIX 系统的数据显示测量到 OD8 (-80 dB) 的阻塞。

图 9。 宽陷波滤波器的测量比较。来自 HELIX 系统的数据显示测量到 OD8 (-80 dB) 的阻塞。

概括

Alluxa 已经创建了一个定制的光谱分析系统,可以准确地测量最高性能的滤光片,同时足够强大,可以在大批量制造环境中使用。 HELIX 系统是评估真实滤光片性能的重要工具,可确保 Alluxa 的滤光片满足并超越最先进系统的苛刻要求。

引用的文献

[1] Alannah Johansen、Amber Czajkowski、Mike Scobey、Peter Egerton 和 Rance Fortenberry 博士(2017 年)。用于 LIDAR 的薄膜干涉滤波器。 Alluxa 白皮书系列。 http://www.alluxa.com/learning-center.

[2] Alluxa engineering staff (2012). Flat Top, Ultra-Narrow Bandpass Optical Filters Using Plasma Deposited Hard Oxide Coatings. Alluxa White Paper Series. http://www.alluxa.com/learning-center.

这些信息来源于 Alluxa 提供的材料,经过审查和改编。

有关此来源的更多信息,请访问 阿卢克萨。

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