Интерференционные металлодиэлектрические светофильтры Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.383.4

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ МЕТАЛЛОДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВЕТОФИЛЬТРЫ

Тан Тай До, Л.А. Губанова

Представлена методика поиска оптимальной конструкции металлодиэлектрического интерференционного светофильтра и факторы, влияющие на спектральные характеристики металлодиэлектрического интерференционного светофильтра.

Ключевые слова: светофильтр, фильтр Фабри-Перо, металлодиэлектрический фильтр.

Введение

Узкополосные металлодиэлектрические светофильтры находят свое применение в различных отраслях науки и техники: в медицинских приборах, принцип действия которых основан на анализе структуры биологического материала на заданной длине волны; в экологических устройствах, оценивающих состав атмосферы по пропусканию одной или нескольких длин волн, в пищевой промышленности, когда анализ качества продукции основывается на анализе спектра отраженного излучения; в точном приборостроении; в фотолитографии; в приборах наблюдения; и т.д.

Основная проблема разработки конструкции и изготовления металлодиэлектрических светофильтров заключается в том, что в литературе:

- практически отсутствует методика выбора конструкций светофильтров, которая позволила бы создавать светофильтры с заданными характеристиками (максимальным коэффициентом пропускания на заданной длине волны, полушириной и контрастностью);

- нет данных о влиянии отклонений в параметрах слоев, формирующих светофильтр, на его эксплуатационные характеристики.

В работе рассмотрена возможность создания программы проектирования структуры металлоди-электрических светофильтров с оптимальной конструкцией, а также анализ влияния конструкции метал-лодиэлектрического фильтра (толщины слоев металла и диэлектрика, показатели преломления и коэффициенты поглощения, формирующих светофильтр) на его выходные характеристики (полуширину, значения максимального пропускания, положения длины волны в максимуме).

Теоретический анализ

Узкополосные металлодиэлектрические светофильтры строятся на основе интерферометра Фабри-Перо, схематически их конструкции можно изобразить в следующем виде (рис. 1): зеркало - разделительный слой - зеркало - подложка (З - Р - З - П). В качестве зеркала чаще всего используются тонкие слои одного из двух металлов - серебра для видимой и инфракрасной области и алюминия для ультрафиолетовой области [1] спектра, разделительный слой формируется из диэлектрического материала, прозрачного в рабочей области спектра. Иногда, для защиты фильтра от воздействия окружающей его среды, он заклеивается между двумя стеклянными пластинами.

Защитное стекло

Подложка

Рис. 1. Схема узкополосного интерференционного фильтра

Длина волны в максимуме, согласно [2], определяется следующим выражением: 2nd■cos6

X.

k Pi +Р2 2я

где к - порядок фильтра; п и ё - показатель преломления и геометрическая толщина разделительного слоя; р1 и р2 - скачки между падающим и отражающим пучками на границах между первым и вторым зеркалами с разделительным слоем; 0 - угол преломления в разделительном слое, если свет падает на фильтр нормально к ее поверхностям, то 0 = 0. Максимальное пропускание равно [2]

Tp ■ T 2

T — Р -'max

(l - Tp ■ R f

где Тр - коэффициент пропускания разделительного слоя Тр ~ 1; Т, R - коэффициенты пропускания и отражения зеркала.

п2

T

Jmax

T

(1 - Rf •

Минимальное пропускание равно [2]:

гр2

т ■ =-

'mm / \2

(1+Rf

Контрастность фильтра равна

/ \ 2 T I 1 + R С = max I 1ТП

Tmin V1 - R

Когда в зеркале присутствуют потери, что вызывается наличием поглощения в металле, T + R Ф 1. Величина, которая определяется выражением A = 1 - (T + R), называется коэффициентом поглощения.

t =f1+A

L max I ^ т

Существенной характеристикой фильтра является полуширина, которая определяется следующим образом [2]:

= ^max -(1 -R)

ОЛ0 5 =-.

' [кж-(р! +Р2] WR

Анализируя последнее выражение, можно сделать вывод, что полуширина фильтра тем уже, чем выше коэффициент отражения зеркал, формирующих фильтр (R), порядок фильтра (к), чем больше скачки фаз между падающим и отражающим пучками при отражении от зеркальных покрытий.

Более подробную информацию о терминологии, используемой в определении узкополосных фильтров можно найти в [1-5]. В настоящей работе для определения толщины металлического слоя зеркала используется «метод подбора». Суть метода состоит в том, что необходимо выбрать такую толщину металлического слоя, формирующего зеркало, при которой коэффициент отражения зеркала стремится к максимальному значению, а коэффициент пропускания зеркала стремится к минимальному значению, но не равен нулю.

Факторы, влияющие на характеристики интерференционных фильтров

В работе представлено несколько разработанных авторами методов поиска оптимальной толщины металлических слоев, формирующих светофильтр, толщины разделительного слоя и его химического состава. Особое внимание при поиске оптимальной конструкции светофильтра отводилось учету влияния скачка фаз на границе металл-диэлектрик. Все поиски осуществлялись при наличии дисперсии пленкообразующих материалов.

Поиск указанных величин базировался на анализе и обобщении данных по использованию различных структур фильтрующих покрытий, характерных для приборостроения, численных методах определения выходных параметров интерференционных металлодиэлектрических светофильтров, методах оптимизации конструктивных параметров металлодиэлектрических светофильтров по структуре и выходным параметрам.

Влияние толщины металлического слоя зеркала на характеристики фильтра. Из рис. 2 видно, что увеличение толщины металлического слоя зеркала приводит к увеличению максимального коэффициента пропускания и к сужению полуширины. Положение длины волны в максимуме почти не изменяется.

Влияние показателя преломления подложки на характеристики фильтра. На рис. 3 представлены спектральные зависимости коэффициента пропускания фильтра одной конструкции при их формировании на подложках с разным показателем преломления. Как видно из рисунка, с увеличением показателя преломления подложки коэффициент максимального пропускания уменьшается, полуширина незначительно сужается, положение длины волны в максимуме не изменяется.

Влияние показателя преломления разделительного слоя на характеристики фильтра. На рис. 4, 5 показано влияние на максимальное пропускание (рис. 4, а), полуширину (рис. 4, б) и положение ^шах (рис. 5) показателя преломления разделительного слоя (пр) фильтра. С увеличением показателя преломления разделительного слоя максимальное пропускание падает, полуширина сужается, положение длины волны в максимуме смещается в длинноволновую область спектра при следующих параметрах

конструкции фильтра: ёА% = 48 нм; показатель преломления подложки п = 1,45; толщина разделительного слоя ёр = 305 нм.

Т 0,6

0,45

0,3

0,15

а

АЕ

ё=305 нм п=1,45

АЕ

Подложка п=1,52

400

450

500

550

600

650

X, нм

Рис. 2. Спектральные характеристики фильтров при различных толщинах металлического слоя, формирующего зеркало: 1- 54 нм; 2 - 48 нм; 3 - 40 нм

Т 0,6

0,45

0,3

0,15

1 Ае ё=48 нм ё=305 нм п=1,45 Ае ё=48 нм

3

\ Подложка

2

1 У

/ \

400

450

500

550

600

650 X, нм

0,55 0,5 0,45

Рис. 3. Спектральные характеристики фильтров, сформированных на подложках с разным показателем преломления: 1 - Пп0дл=1,45; 2 - Пп0дл=1,52; 3 - Пп0дл=1,95

8Х, нм

12

10

0,35

6

1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 п

1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 б

Рис. 4. Зависимости максимального пропускания (а) и полуширины (б) от показателя преломления разделительного слоя

0

0

8

п

а

Xmax, нм 650 600 550 500

450 400

1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 n

Рис. 5. Зависимость Amax от показателя преломления разделительного слоя

Результат исследований

В результате проведенных исследований была выбрана конструкция светофильтра (dAg=48 нм, подложки с n=1,45, толщина разделительного слоя й?р=305 нм, пр=1,45), которая обеспечивает Jmax=58% на Amax=500 нм с полушириной 5Х =10 нм. Спектральная характеристика такого фильтра представлена на рис. 6.

г

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1 0

400 450 500 550 600 650 X, нм Рис. 6. Спектральная характеристика узкополосного фильтра на основе серебра

Заключение

Представленный в работе анализ влияния конструкций металлодиэлектрических светофильтров на его выходные параметры показал, что определяющим параметром является коэффициент отражения зеркал, формирующих светофильтр, т.е. толщина слоя металла и его природа. Структура подложки, состав разделительного слоя менее критичны при формировании металлодиэлектрического узкополосного фильтра. Отклонения толщин слоев, формирующих светофильтр, и их показателей преломления от расчетных в процессе формирования покрытий существенно искажают спектральное распределение коэффициента пропускания получаемого покрытия. Разработка методики корректировки толщины слоев в процессе изготовления светофильтров с целью получения заданных выходных параметров позволит получать светофильтры с заданными характеристиками.

Литература

1. Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. - Л.: Машиностроение, 1973. - 223 с.

2. Королев Ф.А. Теоретическая оптика. - М.: Высшая школа, 1966. - 555 с.

3. Путилин Э.С. Оптические покрытия. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. - 199 с.

4. Фурман Ш.А. Тонкослойные оптические покрытия. - Л.: Машиностроение, 1977. - 263 с.

5. Macleod H.A. Thin Film Optical Filters. - 4th ed. - Tucson: CRC, 2010. - 772 р.

До Тан Тай - Санкт-Петербургский государственный университет информационных

технологий, механики и оптики, студент, [email protected] Губанова Людмила Александровна - Санкт-Петербургский государственный университет информационных

технологий, механики и оптики, доктор технических наук, профессор, [email protected]