Durchstimmbare Bandpassfilter mit breiter, tiefer Sperrung außerhalb des Bandes

Durchstimmbare Bandpassfilter finden in vielen photonischen Instrumenten Anwendung. Einige gängige Beispiele sind Anregungs- und Emissionsfilter von Spektrofluorometern und durchstimmbaren Lichtquellen. Traditionell werden durchstimmbare Filter auf der Grundlage eines rotierenden Beugungsgitters oder Prismas gebaut, das einen präzisen Winkelmotor zur Abstimmung der gewünschten Wellenlänge und einen variablen Spalt zur Auswahl der Bandbreite verwendet. Solche Systeme reagieren jedoch sehr empfindlich auf Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Vibration sowie auf den Verschleiß der Motorteile. Kürzlich wurde eine neue Art von abstimmbaren Bandpassfiltern eingeführt, die eine Reihe von kontinuierlich variablen Interferenzfiltern (CVFs) – auch bekannt als linear variable Filter – verwenden. Diese Konstruktion ist einfacher und stabiler als die des rotierenden Gitters, da sie nur lineare Verschiebungen entlang einer Achse erfordert. Für viele Anwendungen ist es wünschenswert, den gesamten Wellenlängenbereich der Siliziumdetektoren (350 nm – 1100 nm) abzudecken. Die Konstruktion von CVFs mit hoher Out-of-Band-Blockierung für einen so breiten Wellenlängenbereich ist eine Herausforderung. In dieser technischen Mitteilung wird jedoch beschrieben, wie abstimmbare Bandpassfilter mit breiter und tiefer Sperrung außerhalb des Bandes unter Verwendung von CVFs in Kombination mit homogenen Sperrfiltern realisiert werden können.

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Kontinuierlich variable Filter

Ein kontinuierlich variabler Filter ist ein optisches Bauteil, bei dem die Wellenlänge entlang einer physikalischen Dimension des Filters kontinuierlich variiert, wie in Abbildung 1 für einen kontinuierlich variablen Langpass-Kantenfilter (CVLWP) dargestellt. In Position 1 befindet sich die Filterkante im blauen Wellenlängenbereich, und praktisch das gesamte Spektrum wird durch den Filter übertragen. In Position 2 liegt die Kante im grünen Wellenlängenbereich, so dass nur Wellenlängen, die länger als grün sind, durchgelassen werden. In Position 3 schließlich liegt die Kante im roten Wellenlängenbereich und lässt nur die roten Wellenlängen des Spektrums durch.

Figure 1: Illustration of a Continuously Variable Edge Filter. The filter wavelength edge dependents on the position on the filter.’

Es sei darauf hingewiesen, dass die Funktion des Filters auch von der Größe des Strahlflecks und dem Einfallswinkel auf den Filter abhängt. Dies wird in einem gesonderten technischen Hinweis erläutert.

Durchstimmbare Bandpassfilter mit kontinuierlich variablen Filtersätzen

Durch die Kombination eines CVLWP-Filters (Continuously Variable Long-Wave Pass) mit einem CVSWP-Filter (Continuously Variable Short-Wave Pass) und das Verschieben der beiden kann ein durchstimmbarer Bandpassfilter konstruiert werden. Abbildung 2 zeigt, wie die Bandbreite des Filters durch Verschieben der beiden Filter zueinander eingestellt werden kann.

Figure 2: Tuning bandwidth by sliding CVSWP and CVLWP relative to each other.

Abbildung 3 zeigt, wie die Zentralwellenlänge eines Bandpassfilters bei fester Bandbreite durch paralleles Verschieben der beiden Filter abgestimmt werden kann.

Figure 3: Tuning center wavelength with constant bandwidth by sliding CVSWP and CVLWP parallel to each other.

Breitbandsperrung mit homogenen Sperrfiltern

Wie oben erläutert, ist es möglicherweise weder praktisch noch wirtschaftlich sinnvoll, CVFs mit einem Arbeitsbereich herzustellen, der den gesamten Bereich von 350 nm bis 1100 nm abdeckt, in dem Siliziumdetektoren empfindlich sind. Eine einfache Möglichkeit, den Sperrbereich eines abstimmbaren Bandpassfilters zu erweitern, besteht darin, ein kleines, festes (homogenes) Breitband-Bandpassfilter einzuschieben, wie in Abbildung 6 dargestellt. Der Bandpassfilter (BP) überträgt fast 100 % im Abstimmbereich und blockiert typischerweise OD5-6 außerhalb des Abstimmbereichs.

Figure 6: Extending the blocking range of a tunable bandpass filter with a wide band homogeneous bandpass filter.

Aus Abbildung 5 ist ersichtlich, dass es nicht möglich ist, ein einziges breitbandiges festes Filter zu wählen, das den gesamten Abstimmbereich von 400 – 1000 nm abdeckt. Bei kurzen Zentralwellenlängen, z. B. 400 – 600 nm, benötigen wir natürlich eine Transmission unterhalb von 600 nm und eine Sperre oberhalb von 600 nm. Bei längeren Mittenwellenlängen, z. B. 600 – 1000 nm, benötigen wir jedoch eine Sperrung unterhalb von 600 nm und Transmission oberhalb von 600 nm. Für eine praktische Umsetzung ist es daher vorteilhaft, eine Reihe von Sperrfiltern zu verwenden, die in Abhängigkeit von der zentralen Wellenlänge des abstimmbaren Filters nacheinander eingesetzt werden. Die Übertragungsbereiche der verschiedenen Sperrfilter überschneiden sich, um sowohl schmale als auch breite Bandbreiten zu ermöglichen. Delta Optical Thin Film hat mehrere Filtersätze für die Entwicklung von weit durchstimmbaren Bandpassfiltern mit hoher Sperrwirkung im Außenbereich hergestellt. Abbildung 7 zeigt ein Beispiel für einen Filtersatz für den Bereich 400 nm – 1000 nm mit 4 verschiedenen Sperrfiltern. Mit diesem Filterset kann die Transmission bei der zentralen Wellenlänge über 90 % liegen und die Blockung ist typischerweise besser als OD5 außerhalb der Filterbandbreite.

Figure 7: Example of filter set for building a tunable bandpass filter for the 400 – 1000 nm range.

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In der nachstehenden Tabelle ist ein Beispiel für einen Filtersatz aufgeführt, den Delta Optical Thin Film herstellt. Dieser Filtersatz besteht aus sechs Filtern, einem kontinuierlich variablen Langpassfilter, einem kontinuierlich variablen Kurzpassfilter und vier homogenen Sperrfiltern für verschiedene Wellenlängenbereiche. CVLWP 383-1000 (LF104550) kann mit CVSWP 386-1005 (LF104555) zu einem kontinuierlich variablen Bandpassfilter für den Bereich 385 nm bis 1000 nm mit einer durchstimmbaren Bandbreite zwischen 10 nm und 75 nm kombiniert werden.

Product NumberProduct Type50% Edge Min. (nm)50% Edge Max. (nm)Max size Data sheets
LF104555CVLWP3831000110 mm x 17 mm x 2 mmDownload_15px
LF104550CVSWP3861005110 mm x 17 mm x 2 mmDownload_15px
LF104551Blocking37059080 mm x 55 mm x 1 mmDownload_15px
LF104552Blocking41071080 mm x 55 mm x 1 mmDownload_15px
LF104553Blocking49085080 mm x 55 mm x 1 mmDownload_15px
LF104554Blocking615104080 mm x 55 mm x 1 mmDownload_15px

Weitere Details zu diesem Filterset finden Sie auf unserer Webseite:

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