Ultra-schmalbandige Optische Filter: High-Resolution Imaging von UV bis LWIR

Abbildung 1. Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS) Explorer-Visualisierung mit windowed SJI-Bildern. (Bild: Alluxa)

Schlüsselkomponente moderner optischer Geräte

Fortschritte in optischen Sensoren und Imaging-Technologien werden immer schneller darin assimiliert, wie Menschen interagieren, sich selbst verstehen und die Welt um sich herum erkunden. Der Untersuchungsbereich für optische Geräte ist breit und sie ermöglichen Technologien innerhalb, wie implantierbare transdermale BioMEMS-Geräte, und jenseits, als Weltraum-Flug-Surveyoren, eingesetzt als Near- und Deep-Space-Instrumente. Zentral für die Funktionalität moderner optischer Geräte ermöglichen ultra-schmalbandige Bandpass-Dünnschicht-Optikfilter (UNBP) die Diskriminierung von Sub-Nanometer-Bändern innerhalb breiter Spektren. Diese Filter, die als NIR-DWDM-Filter für die Telekommunikationsindustrie pioniert wurden, sind jetzt essenziell, um bedeutende Signale aus Imaging- und Sensing-Geräten zu extrahieren, die überall zwischen tiefem Ultraviolett und mittleren Infrarotbändern operieren.

Neuartige Abscheidetechniken wie SIRRUS™, entwickelt bei Alluxa, haben die Fertigung von UNBP-Filtern von einem Low-Throughput, High-Cost-Unternehmen in einen hochdeterministischen Fertigungsprozess transformiert. Kritische Filterattribute wie Formfaktor, räumliche Uniformität und spektrale Auflösung haben die Fähigkeits-/Leistungsschwellen jüngerer Jahre übertroffen. Die folgenden Beispiele zeigen einige der neuesten Anwendungen von UNBPs.

Heliophysik: Sonnenbeobachtung mit UNBP-Filtern

Heliophysik ist als Gegenstand sowohl zu einer gesellschaftlichen Neugier als auch zu einem Studienort für ein breites Spektrum an Sonne-Erde-Wechselwirkungen geworden. Forschung zu Magnetfeld/Plasma-Phänomenen wie Koronalen Massenauswürfen (CMEs) ist von großem Interesse. Untersuchungen der letzten zwei Jahrzehnte reichen von Hochatmosphärenflügen bis hin zu Instrumentierung an zahlreichen Weltraummissionen. Diese Sonnen-Surveyors nutzten Multi-Wellenlängen-UNBP-Filter für hochauflösende räumliche und zeitliche Scans der niedrigen, mittleren und hohen Segmente der Heliosphäre. Da die nächste Generation an Instrumentierung entwickelt wird, haben die Anforderungen an feinere Auflösungsbilder der Plasmaschnelligkeit (d.h. Temperaturprofilierung der Heliosphäre) zugenommen. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, baut Alluxa hochfeine Multi-Cavity-UNBPs im UV-Bereich.

Abbildung 2. UV Ultra-schmaler Solarfilter. (Bild: Alluxa)

Filter mit >500 Schichten wurden für Imaging-Spektrographen und andere Sensing-Anwendungen produziert. Mit einem Array intern entwickelter Instrumentierung zeigen Alluxa-Filter FWHM < 0,5 nm und Spitzen-Transmission von 0,10–0,50 (10–50 %), während sie 200–1200 nm bei OD6–12 blockieren, wie in Abbildung 2 zu sehen. Dieses beeindruckende Spektralprofil wird der Abscheidesystem-Konfiguration und Prozessmethodologien zur Minimierung von Verlusten (Streuung + Absorption) in High-Interface-Count-Filtern zugeschrieben – eine kritische Fähigkeit für hochleistungsfähige UV-Filter.

Atmosphärische Beobachtung: 532 nm & 1064 nm Filter

Abbildung 3. VIS Ultra-schmalbandiger Bandpass-Filter, CWL @ 532 nm. (Bild: Alluxa)

Atmosphärische Beobachtung und Modellierung sind ein Hauptanliegen für alle, die auf dieser Blau-Blase mitfahren. Sie könnte individuelles Leben und geo-ökonomische Konstrukte wie das Treibhausgas-Global-Handelssystem signifikant verändern. Speziell werden Filter bei 532 nm und 1064 nm bedeutsam sein, um unsere Fähigkeit zu verbessern, Rückstreuung und Volumen-Depolarisation für diurne Wolken- und Aerosolprofile in der Troposphäre zu messen. Abbildungen 3 und 4 demonstrieren die Leistung eines 532-0,127 und 1064-0,25 OD6 Ultra-schmalbandigen Bandpass-Filters, jeweils, die eng an der beabsichtigten theoretischen Simulation liegen. Die Filter werden in einer Flugmission für praktischen Einsatz in atmosphärischem Lidar-Fernerkundung implementiert.

Abbildung 4. NIR Ultra-schmalbandiger Bandpass-Filter, CWL @ 1064 nm. (Bild: Alluxa)

Gasüberwachung im LWIR: 10,6 µm Filter

Ein weiterer Experimentier- und Wachstumsbereich ist Gasüberwachung und -analyse, besonders bei Wellenlängen im LWIR. Laseranwendungen in diesem Wellenlängenbereich reichen von experimentellen Tattoo-Entfernungsverfahren bis zur Fertigung medizinischer Geräte. Die Kontrolle der Laserbandbreite und das Abschwächen von Außerhalb-des-Bandes-Licht ist in diesen Anwendungen entscheidend, und folglich werden Ultra-schmalbänder schnell zu einer kritischen Komponente. Abbildung 5 zeigt Alluxas Fähigkeit, einen 10,6-Mikron-Filter mit FWHM < 0,1 Mikron im LWIR-Bereich zuverlässig zu entwerfen und herzustellen.

Abbildung 5. 10,6 Mikron LWIR Ultra-schmalbandiger Bandpass. (Bild: Alluxa)

Die breite Palette sich stetig weiterentwickelnder Anwendungen, die ultra-schmalbandige Bandpass-Filter benötigen, schafft die Nachfrage nach konstanter Innovation und Verbesserung. Von der Minimierung von Verlust oder Streuung im UV, über größere Wiederholbarkeit und Theorie-Übereinstimmung im VIS und NIR, bis hin zu erhöhter In-Band-Transmission in Verbindung mit schmaleren Bandbreiten im LWIR – der Ruf nach Innovation wird weiterhin von Alluxa beantwortet. Die SIRRUS™-Abscheideplattform, zusammen mit Alluxas Design- und Engineering-Expertise, hat innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums grundlegend zur Fähigkeit und Weiterentwicklung beigetragen, wie diese grenzüberschreitenden UNBPs demonstrieren.

Dieser Artikel wurde vom Alluxa (Santa Rosa, CA) Engineering Team verfasst. Weitere Informationen hier.

Referenzen

1. SVS. „NASA Scientific Visualization Studio|a Slice of Light: How IRIS Observes the Sun.“ SVS, 26. Juni 2015.
2. „EUVST – NASA Science.“ NASA, NASA, science.
3. „Cloud-Aerosol Transport System (CATS).“ Cats.
4. „NASA AOS – the ALICAT Lidar for the AOS-Inclined Orbit: Instrument Overview and Projected Performance.“ Aos.gsfc.nasa.gov, aos.gsfc.nasa.gov/meetings-documents-more.htm?id=175.