CC BY
30
УДК 535.4
Д.М. Никулин, В.В. Чесноков, Д.В. Чесноков СГГА, Новосибирск
ЧЕТЫРЁХЗЕРКАЛЬНЫЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ФАБРИ-ПЕРО
D.M. Nikulin, V.V. Chesnokov, D.V. Chesnokov SSGA, Novosibirsk, [email protected]
4-MIRRORS MICROMECHANICAL TUNABLE FABRY-PEROT INTERFEROMETER
The present paper deals with the design of 4-mirrors micromechanical tunable Fabry-Perot interferometer, method of its control and forthcoming spectral characteristics.
В настоящее время интерференционные светофильтры находят широкое применение в физических исследованиях, измерительной и военной технике, промышленности [1, 2]. Их достоинством является простота и удобство в работе, высокая степень монохроматичности выделяемого светофильтром излучения. Дополнительные преимущества такие приборы могут получить, если будут способны перестраивать выделяемую полосу спектра, что может быть достигнуто при использовании микро- и нанотехнологий [3-5].
В представленных в данном сообщении интерференционных светофильтрах используется электрическое регулирование величины воздушного зазора между зеркалами резонатора Фабри-Перо в диапазоне, соответствующем первому порядку интерференции; в качестве зеркал применяются металлические плёнки на стеклянных подложках. Рассматриваются вопросы разработки и ожидаемые параметры перестраиваемых мультиплекс-светофильтров, в которых используется комбинация двух интерференционных светофильтров - с одним из высоких и с первым порядками интерференции.
В разрабатываемом перестраиваемом мультиплекс-светофильтре регулирование зазора между зеркалами резонатора с первым порядком интерференции обеспечивается за счет использования прямого пьезоэффекта, зазор между зеркалами второго резонатора не изменяется. За счет применения двух последовательных по ходу луча установленных светофильтров - низкого и высокого порядков - можно повысить монохроматичность выделяемого из спектра источника излучения, сохраняя ширину перестраиваемого диапазона [5]. Упрощенная схема такого светофильтра показана на рис. 1. Светофильтр первого порядка образован зеркалами 1 и 2 и воздушным зазором между ними. Светофильтр высокого порядка образован зеркалами 3 и 4 и прозрачной пластиной 5 между ними. К пьезокерамической шайбе 8 прикреплена державка 9, в которой закреплена прозрачная пластина 7 на которой нанесено зеркало 1. Важнейшей конструктивной особенностью устройства является использования между
зеркалами 1 и 2 субмикронного эквидистантного [6] воздушного зазора, регулируемого в пределах 0,2 0,4 мкм и обеспечение светового диаметра 10 мм.
Управление величиной воздушного зазора пьезоэлектрическое: управляющее напряжение подается между обкладками пьезокерамической шайбы 8.
При включении напряжения пьезокерамическая шайба 8 (рисунок 1) изменяет свою толщину, зависящую от величины подаваемого напряжения. Изменение толщины можно определить выражением:
/\ С — (^о! ^ 1 ^ — ^зз ^
где с/-,-, - пьезоэлектрический модуль материала пьезоэлемента, АС -деформация по толщине пьезоэлемента, Е - напряженность электрического поля в пьезоэлементе, ио - напряжение, подаваемое на обкладки пьезокерамической шайбы.
Рис. 1. Упрощенная схема перестраиваемого мультиплекс-светофильтра
Если использовать для пьезоэлемента пьезокерамику ЦТСт БС-1 ¿/33 = 500 -10 12 Кп/Н, то для перестройки мультиплекс-светофильтра по всему видимому диапазону спектра на АС = 0,2 мкм, требуется напряжение до 400 В. При перестройке (путем изменения зазора между зеркалами) светофильтра с первым порядком интерференции его полоса пропускания смещается по спектру, при этом происходит выделение одной полосы дисперсии, затем другой полосы второго светофильтра, то есть, «переключение» пропускаемых светофильтром порядков интерференции. Это видно на рис. 2, где показана расчетная зависимость коэффициента пропускания светофильтра на длинах волн, соответствующих максимуму спектральной зависимости коэффициента пропускания при заданной
величине зазора. У такого светофильтра величина зазора меняется от 0,2 до 0,4 мкм, оптическая толщина между зеркалами высокого порядка составляет 2 мкм, коэффициент отражения зеркал равен 0,85, коэффициент пропускания зеркала 0,14.
Сложность в изготовлении подобных светофильтров заключается в получении субмикронного эквидистантного [6] воздушного зазора. На рисунке 3а) показан график пропускающей способности одного из светофильтров с толщиной воздушного эквидистантного зазора 1 мкм и с коэффициентом пропускания светофильтра 0,01. Для сравнения, на рисунке 3б) показан расчетный график пропускающей способности светофильтра с подобными характеристиками.
Рис. 2. Расчетный график зависимости пропускания светофильтра
б)
400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 105« 1100 Д|[пна волны, им.
350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 Длила волны, им.
Рис. 3. Практическое (а) и теоретическое (б) пропускание светофильтра
Проведены предварительные исследования экспериментальных образцов с субмикронными эквидистантными воздушными зазорами между зеркалами резонатора с первым порядком интерференции. Отклонение от эквидистантности воздушного зазора между зеркалами резонатора с первым порядком интерференции составляло 0,09 мкм (определялось по интерференционным цветам) на световом диаметре 8 мм. При изменении зазора на 0,125 мкм происходила перестройка резонатора с пропускания синего цвета на пропускание красного.
Подобный светофильтр, по нашему мнению, может найти применение в системах экспресс-анализа химических веществ и различных промышленных жидкостей и газов, при исследованиях содержания вредных веществ в окружающей среде. Светофильтр может иметь модификации, работающие в ИК диапазоне спектра.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Скоков, И.В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике / И.В. Скоков. - М.: Машиностроение, 1989. - 256 с.
2. Лебедева, В.В. Экспериментальная оптика. 3-е изд. / В.В. Лебедева. - М.: МГУ, 1994. - 265 с.
3. Исследование физических проблем нано- и микроразмерных функциональных устройств информационных оптоэлектронных систем: отчет о НИР / СГГА; рук. Чесноков В В.; исполн. Чесноков Д.В.- Новосибирск, 2003. - 71 с. - № ГР 0199.0010326. - Инв. № 02200 1.03177 .
4. Чесноков, А.Е. Исследование оптических характеристик многослойных структур управляемого резонатора Фабри-Перо / А.Е. Чесноков // ГЕО-Сибирь 2007. Т. 4. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника. Ч. 1: сб. матер. III Междунар. науч. конгр. «ГЕ0-Сибирь-2007». - Новосибирск: СГГА, 2007. -С.167-170.
5. Чесноков, В.В. Интерференционные светофильтры с перестраиваемой полосой пропускания / В.В. Чесноков, Д.В. Чесноков, Д.М. Никулин // Сб. матер. IV Междунар. науч. конгр. «ГЕ0-Сибирь-2008».- Новосибирск, 2008 - Т.4., ч.1.- С. 11-16.
6. Чесноков В.В., Чесноков Д.В., Никулин Д.М., Чесноков А.Е. Способ изготовления перестраиваемого светофильтра с интерферометром Фабри-Перо / Заявка №2008130196, Россия. - Приоритет от 21.07.2008.
© Д.М. Никулин, В.В. Чесноков, Д.В. Чесноков, 2009
