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熒光顯微鏡干擾濾光片的結構圖
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時間 : 2021-06-16 19:14 瀏覽量 : 261

    帶通激發塊設計方面的新技術成就已導致薄膜干涉濾光片的結構相對便宜,其特征在于波長選擇和傳輸性能的重大改進。這些濾光片通過高效率地傳輸選定的波長區域而工作,同時通過反射和相消干涉拒絕所有其他波長。通過本交互式程序,探究干涉濾光片是如何工作的,方法是選擇性地透射構造性增強的波長,同時消除不必要的光。此文為您詳解下熒光顯微鏡干擾濾光片的結構圖。

    本程序使用以20度角入射在干涉濾光片表面上的白光(由黃色正弦波模擬)進行初始化。當光通過濾光片時,紅色波長(峰值為713納米的紅色正弦波表示)通過相長干涉得到增強并通過,但其他波長被反射掉(由藍色波長表示)并通過過濾器內部的破壞性干擾。為了操作本程序,請使用入射角滑塊可在0到20度的范圍內改變白光的入射角。當滑塊向左平移時,通過干涉濾光片的峰值波長從713納米(以20度入射角)減小到626納米(垂直于濾光片表面的入射光),反射光的量為也成比例下降。

    現代干涉濾光鏡以Fabry-Perot干涉儀為模型,該干涉儀是由查爾斯·法布里(CharlesFabry)和阿爾弗雷德·佩羅(AlfredPerot)在1800年代后期設計的,并由幾層薄膜構成,并涂覆在光學平坦的透明玻璃表面上。原始的干涉儀由一個設備組成,該設備具有兩個部分透明的反射鏡,這些反射鏡之間被一個很小的氣隙隔開,可以通過平移一個或兩個反射鏡來改變其大小。如今,更先進的干涉儀利用各種機制來測量光束之間的干涉,并經常用于在制造干涉濾光鏡和反射鏡期間監測薄膜厚度。

    可以以陡峭的透射斜率生產干涉濾光片,這會導致陡峭的導通和截止過渡邊界,大大超出了標準吸收濾光片所顯示的邊界。為了生產現代的干涉濾光片,在真空中將厚度范圍在目標波長四分之一到二分之一之間的連續的介電材料層沉積到光學平面的玻璃或聚合物表面上。入射到多層電介質表面上的光要么通過具有結構性增強的濾光器傳輸,要么由于相消干涉而反射并減小幅度(請參見圖1)。激發塊帶通由層狀介電表面的性質決定,確定穿過濾鏡時允許透射和倍增反射的光的波長。未被濾光片增強和通過的受阻波長被反射并從光路中去除。

干涉濾光片的反射和透射

    用于制造干涉濾光片的介電材料通常是具有特定折射率的非導電材料。傳統的帶通干涉濾光片是使用硫化鋅,硒化鋅或氟化鋁鋁(也稱為冰晶石)制造的,但是這些涂層具有吸濕性,必須通過保護性涂層與環境隔離。另外,鋅鹽和冰晶石鹽具有低的過濾器透射特性和溫度不穩定性,即使它們簡單且制造相對便宜,也進一步降低了它們的性能。在沉積薄膜鹽層之后,添加玻璃的最后一層或一氧化硅的耐磨保護涂層。

    引入金屬氧化物的半透明層(稱為硬涂層))薄膜涂覆技術已緩解了與干涉濾光片相關的許多環境問題,并大大提高了它們的溫度穩定性。分別具有獨特折射率的金屬和鹽的薄涂層被施加在具有交替的高和低折射率值的連續層中。該設計的關鍵要素是兩種不同折射率的介電材料之間的界面(一種介電材料比另一種高得多),該介電材料負責使入射光通過濾鏡前后部分反射,并產生導致波長選擇的干涉效應。。增強和透射的波長值由散布的介電層的厚度和折射率確定。

    介電涂層通常捆扎成一個稱為腔的單元,該腔由三到五個交替的鹽和金屬氧化物(有時是純金屬)層構成,并由較寬的氟化鎂層隔開,稱為隔離層(見圖2)。產生具有等于四分之一或一半波長的倍數的厚度的間隔物,以便反射或透射與介電層對準的光。用于構建干涉濾光片的腔數的增加會導致截止波長和截止波長傳輸邊界的斜率成比例增加。具有15個疊置型腔的激發塊總共可以具有75多個單獨的介電層,并且顯示的帶寬只有幾納米大小。

干涉濾光片的解剖圖

    幾乎可以使用薄膜干涉涂層技術設計和構造類型的濾光片,包括帶通,短通,長通,二向色分光鏡,中性密度和各種反射鏡。如上所述,利用層和腔的數量以高的精度控制激發塊的標稱波長,帶寬和阻擋水平。可以使用這種技術來制造具有多個透射帶的濾光片,例如在熒光顯微鏡下流行的復雜的三波段濾光片。

    用薄膜干涉濾光片獲得的高度阻擋僅適用于有限的波長范圍,超過該波長范圍,有效的阻擋會急劇下降。可以通過添加輔助組件來擴展范圍,例如寬帶阻塞器,但通常會降低峰值透射率。另外,用于薄膜生產的涂料的透明度范圍受到限制。一旦超過該范圍,這些涂層將變得具有高吸收性而不是高反射性或透射性,從而降低了濾光片的效率。鍍層的吸收特性也可能與波長有關,因此用于長通濾光片的相同鍍層通常在紫色和紫外線區域的較低波長下無法發揮作用。干涉薄膜涂層對照明的入射角很敏感。隨著該角度的增加,涂層的光譜特性趨向于向較短波長移動(光譜被藍移))。另一個缺點是干涉涂層通常會以高入射角產生偏振光,這種效果并不總是令人滿意的。無論在薄膜涂層中發現什么缺陷,該技術仍然是適合各種應用中的波長選擇的技術之一。


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