Durchstimmbare Filter

Spektrale Anpassung ohne Strahlversatz mittels Filter

Mithilfe neuartiger durchstimmbarer Filter ist es möglich, deren Spektrum über einen deutlich größeren spektralen Bereich kontinuierlich und mit nahezu gleichbleibender Transmission und Blockung zu variieren. Durch eine neu entwickelte Optik lässt sich die Transmission und neuerdings auch Reflexion über einen großen Spektralbereich ohne signifikanten Strahlversatz nutzen.

Spektren der verschiebbaren Bandpassfilter im sichtbaren Bereich (Bild: Semrock, Inc)

Mit dem Aufkommen dielektrischer Filter und Spiegel wurden die auf Fluoreszenz basierenden bildgebenden Verfahren entscheidend verbessert. Durch die Erhöhung der Transmission des Fluoreszenzlichtes und der stärkeren Unterdrückung des Anregungslichtes konnte das Signal-Rausch-Verhältnis erhöht werden. Ein weiterer Schritt war die Entwicklung hartbeschichteter Filter, die nahezu unempfindlich sind gegenüber Umwelteinflüssen und zum Teil eine lebenslange Garantie haben. Auch sind die Beschichtungsmethoden soweit verbessert, dass immer steilere Flanken möglich sind und dadurch Fluoreszenzlicht effizienter gesammelt werden kann. Es ist mittlerweile sogar möglich Raman-Anwendungen mit Filtern durchzuführen. Das Funktionsprinzip basiert bei den Filtern auf Interferenz. Durch die Beschichtung des Trägermaterials, z.B. Quarzglas, mit Materialien unterschiedlicher Brechungsindizes kommt es bei geeigneter Schichtdicke zu destruktiver und konstruktiver Interferenz (Bild 2). Der Effekt ist der gleiche wie bei einem Tropfen Öl auf Wasser, der zu Regenbogenfarben in der Reflexion führt. Durch die Verwendung vieler Schichten kann diese Interferenz zur Reflexion von nahezu 100 Prozent des Lichtes mit der geeigneten Wellenlänge führen, d.h. dass dielektrische Interferenzfilter im Gegensatz zu Farbgläsern das Licht nicht absorbieren, sondern reflektieren. Ein Nachteil der Filter war bisher allerdings die Inflexibilität bezüglich des spektralen Bereiches. Für jeden Farbstoff mit anderem Anregungs- und Emissionsspektrum musste ein neues Filterset verwendet werden. Dies ist teuer und anfällig für Fehler sowie zeitintensiv. Durch die Variation des Einfallswinkels können aber die Kanten eines Filters spektral ins Kurzwellige (bei Strahlenteilern auch ins Längerwellige) verschoben werden, da sich die Schichtdicken in Relation zum Auftreffwinkel des Strahles verändern. Das kann bei jedem dielektrischen Filter beobachtet werden. Jedoch wird die Kante zwischen Transmission und Reflektion immer breiter und die allgemeine Transmission und Blockung nimmt ab. Die Versachrome-Filter von Semrock haben die Besonderheit, dass diese mit bis zu 60° verkippt werden können, ohne dass dabei die spektrale Qualität (Transmission und Blockung) sich signifikant verringert. Dabei verschiebt sich das Spektrum um etwa 12 Prozent gegenüber der Zentralwellenlänge bei 0° ins Kurzwellige. Mit einem Satz von fünf Filtern kann der sichtbare Bereich des Spektrums abgedeckt werden (Bild 1).

Filter als flexibler Strahlenteiler

Diese Filter werden verwendet, um beide Strahlenteile (Transmission und Reflexion) mithilfe des ‚Tunecubes‘ nutzen zu können. In einem patentierten Verfahren wird der reflektierte Strahl abhängig von der Winkelstellung des Filters so kompensiert, dass er immer 90° zum transmittierten Strahl steht. Durch diese Kompensationsoptik kann der Filter wie ein Strahlenteiler verwendet werden, der zusätzlich in seinem spektralen Bereich an die Anwendung anpassbar ist und die hohen Blockungseigenschaften (OD6) eines Filters aufweist. Da die Filter eine hohe Planarität (/4 P-V) besitzen, kann der Versachrome auch zur Reflexion (etwa 99,999 Prozent) von Lasern und grundsätzlich auch Bildern verwendet werden. Derzeit arbeitet man auch an den Möglichkeiten der Bildgebung mithilfe des Gerätes. Damit ergeben sich neue Möglichkeiten für bildgebende Verfahren, um verschiedene Farbkanäle besser voneinander trennen zu können. Als zusätzliches Feature ist die Kopplung mit Fasern vorgesehen, sodass der ‚Tunecube‘ unabhängig von dem Rest des optischen Aufbaus aufgestellt werden kann. Eine Software erlaubt das Einstellen der Zentralwellenlänge, sowie die Programmierung einer Sequenz. Das Gerät kann auch extern über USB angesteuert und über TTL-Signale getriggert werden.

Funktionsprinzip von Interferenzfiltern (Bild: AHF Analysentechnik AG)

Fazit

Dielektrische Filter haben die fluoreszierende Bildgebung stark verbessert. Mit neuen Beschichtungen können Filter hergestellt werden, die unabhängig vom Auftreffwinkel stabil in ihrer Leistung bezüglich Unterdrückung und Transmission sind, aber gleichzeitig ihr spektrales Verhalten ändern. Der ‚Tunecube‘ kompensiert den sich verändernden Reflektionswinkel des dielektrischen Spiegels, sodass der reflektierte Strahl immer 90° zum transmittierten Strahl steht.