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01/13

2025

微波等离子体辅助溅射:线性渐变滤光片在微型光谱仪中的应用

光谱分析作为一项重要的检测手段,在多个领域中发挥着关键作用。传统的光谱仪通常依赖于衍射光栅来分离光线,但这种设备往往体积庞大、成本高且复杂度较高。为了解决这些问题,科学家们探索出了更为紧凑、坚固且经济的选择——线性可变滤光片(Linear Variable Filters, LVF)。LVFs因其独特的光学特性,成为小型化和便携式光谱仪的理想组件。

LVF是一种特殊的光学滤光器,其透射率随空间位置线性变化。它的工作原理基于多层薄膜结构,这些薄膜按照特定的方式堆叠,从而能够在不同的位置选择性地透过不同波长的光。

刘易斯·弗莱明及其团队提出了一种创新性的高通量制备技术——微波等离子体辅助溅射(Microwave Plasma Assisted Sputtering, MPAS)。这项技术使用了一个水平放置的滚筒,上面安装了线性磁控溅射源,配合静态的空间分级均匀性掩模,以控制LVF的梯度。相比于传统的离子束溅射,MPAS不需要复杂的动态掩模布置,简化了生产流程,提高了效率。此外,通过2.45 GHz的微波功率激活反应气体,实现了沉积层的均匀氧化,确保了高质量的薄膜形成。

研究团队利用MPAS技术分别制备了两种类型的LVF:可见光范围LV:长度40毫米,操作波长从450纳米到900纳米,光谱分辨率Δλ = 8纳米。近红外范围LVF:长度23毫米,操作波长从1500纳米到2500纳米,光谱分辨率Δλ = 35纳米。每个LVF都采用了双面涂层设计,一面是三层腔Fabry-Perot带通滤波器(FPBP),另一面是优化的宽带截止滤波器(WBCO)。

实验结果显示,LVF中心波长与位置之间的关系呈现高度线性(R²值接近1),并且实际测得的线性分散系数与模型预测值非常吻合,证明了该方法的有效性。

为了展示LVFs的实际应用潜力,研究人员将它们集成到了由3D打印技术制作的小型光谱仪中。测试样本包括涂覆在JGS3玻璃上的Nb₂O₅薄膜以及装在石英比色皿中的异丙醇溶液。通过比较自制光谱仪与商用台式光谱仪的数据,证实了前者能够提供同样准确的光谱测量结果,表明LVFs成功应用于低成本、快速原型化的微型光谱仪中。