硬膜矩形带通滤光片

　　1　引　言

　　在许多荧光检测仪器中,采用强光源加带通干涉滤光片的结构,如荧光显微镜、多波段光谱仪等。滤光片的作用是选择分离激发和荧光发射光谱,比较常用的是带宽系列在30～40nm的滤光片。这类仪器对于滤光片有着特殊的要求:由于很多荧光物质的斯托克斯位移(Stocksshift)只有30nm左右,要求激发和发射滤光片必须具有矩形化的通带波形和深度截止的通带邻域背景。因为使用了强光源,要求干涉滤光片能承受较高的温度并有较长寿命,需要采用硬膜滤光片;另外对滤光片的通带定位精度要求较为严格。图1是常用荧光染料FITC的荧光光谱以及所要求的激发和发射滤光片光谱示意图。

图1　FITC荧光激发和发射光谱以及相应滤光片的光谱特性

　　本文所述滤光片的具体要求是:波长范围400～650nm,波长定位精度±3.5nm;带宽系列30～40nm,带宽精度±3.5nm;通带邻域背景10-5～10-6;平均背景:10-4,截止范围200～750nm。

　　2　膜系设计

　　对于带宽在30～40nm的硬膜矩形化带通膜系有两种设计方法:一是采用长波通和短波通膜系的组合,理论上只要调整长、短通膜系的中心波长以及增加膜系的层数,就能获得连续变化的带宽和要求的背景截止深度。但从生产的角度考虑,这种滤光片的带宽一致性和通带定位精度较难控制;二是采用多半波膜系,多半波滤光片波长定位精度和带宽一致性易于保证,难度在于带宽不呈连续变化以及对制造精度要求较高。

　　我们在设计上主要采用多半波膜系。多半波膜系由多个单半波子膜系串置构成,结构为: 单半波子膜系 耦合层 单半波子膜系 …… 耦合层 单半波子膜系 单半波子膜系的基本结构有两种:

p为高低折射率膜层对数,m为间隔层干涉级次。

　　最常见的多半波膜系采用多个结构相同的单半波子膜系组成:[单半波子膜系]S。S为半波层数目。这种膜系的特点是呈对称结构,可分解成对称周期膜系进行分析设计。然而在实际应用中,由多个结构相同单半波子膜系组成的滤光片有一定的局限:当高低折射率材料和半波数目确定后,膜系只有两个可变参量p和m,因此对通带宽度和通带波纹的调整能力有限,有时不能实现要求的通带宽度;另外五半波数以上的膜系通带波纹往往较大。

　　我们在设计上采用混合型多半波膜系结构,增强通带宽度和通带波纹的可调控性。膜系的结构为:

　　它与上述多半波膜系的区别在于,各子膜系的结构不再相同,亦即各子膜系的间隔层材料(H或L)、干涉级次(m)、膜层数(参数P)可以不同,因此整个膜系的可变参量增多,可望同时满足带宽和波纹的要求。我们编制了混合型多半波膜系的计算机辅助设计软件,可对所有可能的膜系排列进行快速分析,优选出符合要求的设计结果。以波长530nm、带宽40nm的滤光片为例,选择TiO2/SiO2材料,根据前述对滤光片邻域背景指标的要求,须采用七半波膜系。其中4个可选择的膜系如下,