Научная статья на тему 'Интерференционные светофильтры с перестраиваемой полосой пропускания'

Интерференционные светофильтры с перестраиваемой полосой пропускания Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
330
101
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МУЛЬТИПЛЕКС-СВЕТОФИЛЬТР / СУБМИКРОННЫЙ ЭКВИДИСТАНТНЫЙ ВОЗДУШНЫЙ ЗАЗОР / ПЕРЕСТРАИВАЕМАЯ ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ / MULTIPLEX OPTICAL FILTERS / SUBMICRON EQUIDISTANT AIR CLEARANCE / MICROAND NANOTECHNOLOGIES

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Чесноков Владимир Владимирович, Чесноков Дмитрий Владимирович, Никулин Дмитрий Михайлович

Рассчитаны параметры микромеханических мультиплекс-светофильтров, перестраиваемых во всей полосе видимого диапазона спектра управляющим напряжением 3-5 В с расчетной шириной полосы пропускания около 10 А.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Tunable Multiplex Optical Filters

The problem of development of optical filters with a transmission band tunable throughout the entire visible range is considered. Calculations are performed for micromechanically controlled tunable multiplex optical filters with the design bandwidth of 10 Å.

Текст научной работы на тему «Интерференционные светофильтры с перестраиваемой полосой пропускания»

Сергей Викторович Олейник

Татьяна Николаевна Хацевич

Сведения об авторах

аспирант; Сибирская государственная геодезическая академия, кафедра оптических приборов, Новосибирск; E-mail: sol2000@ngs.ru канд. техн. наук, доцент; Сибирская государственная геодезическая академия, кафедра оптических приборов, Новосибирск; E-mail: shafrai@risp.ru

Поступила в редакцию 12.01.09 г.

УДК 535.4

В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, Д. М. Никулин

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ СВЕТОФИЛЬТРЫ С ПЕРЕСТРАИВАЕМОЙ ПОЛОСОЙ ПРОПУСКАНИЯ

Рассчитаны параметры микромеханических мультиплекс-светофильтров, перестраиваемых во всей полосе видимого диапазона спектра управляющим напряжением 3—5 В с расчетной шириной полосы пропускания около 10 А.

Ключевые слова: мультиплекс-светофильтр, субмикронный эквидистантный воздушный зазор, перестраиваемая полоса пропускания.

Интерференционные светофильтры находят широкое применение в физических исследованиях, измерительной технике, промышленности [1, 2]. Их достоинством является простота и удобство в работе, высокая степень монохроматичности выделяемого излучения. Дополнительные преимущества этим элементам принесет выполнение их перестраиваемыми по выделяемой полосе спектра, что может быть достигнуто при использовании микро- и нано-технологий [3, 4]. В перестраиваемых интерференционных светофильтрах [3, 4] изменяется воздушный зазор между зеркалами резонатора Фабри—Перо, соответствующий первому порядку интерференции в видимом диапазоне спектра. Полоса пропускания при перестройке в видимом диапазоне спектра может иметь значение 25Х ~ Х/50 А, если в качестве зеркала применяются металлические пленки на стеклянных подложках.

В статье рассматриваются вопросы разработки перестраиваемых мультиплекс-свето-фильтров, в которых используется комбинация двух интерференционных светофильтров с высоким и первым порядком интерференции.

За счет использования двух светофильтров — низкого и высокого порядка — можно выделять из спектра источника излучение с большей степенью монохроматичности при сохранении перестраиваемого диапазона. 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 10 и прозрачной пластиной 5 между ними. Зеркальное покрытие 1 нанесено на прозрачную пластину 8; корпус 6 фиксирует между зеркалами 1 и 2 воздушный зазор 0,2—0,4 мкм. Пластина 8 имеет форму диска с тремя радиально расположенными держателями 7. Управление воздушным зазором — электростатическое: управляющее напряжение и0 подается между зеркалом 1 и электродом 9. Держатели 7 обеспечивают упругую поддержку подвижного зеркала и регулируют величину зазора.

Определим возможные параметры рассматриваемого микромеханического мультип-лекс-светофильтра. Сила электростатического притяжения зеркал 1 и 2 друг к другу равна

¥ =

80 Ж 80 0

2ё2

(1)

где 80 — диэлектрическая постоянная, £ — площадь зеркала, Е — напряженность электрического поля в воздушном зазоре, и — напряжение на зазоре, ё — величина зазора.

По

/_ 6 V

Рис. 1

Изгиб держателей 7 при возникновении силы ¥ определим по формуле изгиба балки, нагруженной сосредоточенной силой на конце [5]:

I =

Р13

3Ею I

(2)

Здесь I — прогиб конца балки; Р = ¥/3 — сосредоточенная сила, нагружающая конец балки;

з

I — длина балки; ЕЮ — модуль Юнга ее материала; I = ИЬ /12 — момент инерции сечения балки относительно оси симметрии сечения; Ь и И — толщина и ширина балки. Объединив (1) и (2), получим

I = 2

в0 £Е 213 ЕЮ ИЬ3

(3)

Рассмотрим оптические характеристики светофильтра. В мультиплекс-интерферометре при отношении значений оптической толщины интерферометров, кратном целому числу, область дисперсии определяется областью дисперсии тонкого интерферометра, разрешение обусловлено параметрами толстого интерферометра.

Прозрачность Тт мультиплекс-светофильтра аналогично прозрачности четырехзеркаль-ного интерферометра на длине волны максимума пропускания определяется формулой [1]:

8

2

1

7

5

Тт =

Т 4

т

с

(1 - Я)2 + 4Я

(1 - Я)2 + 4Я ми2 —-

(4)

где — = —п Ьх, —2 = — п2¿2 (без учета скачков фаз на отражающих поверхностях), п1, Ь1 и 2 X 2 X

п2, — показатель преломления среды и расстояние между зеркалами тонкого и толстого светофильтра; Т и Я — энергетические прозрачность и коэффициент отражения каждого зеркала. Порядок спектра пропускания толстого светофильтра определяется выражением

* = ^, (5)

где X* — средняя длина волны области дисперсии интерферометра с порядком *.

Область дисперсии мультиплекс-светофильтра АХт примерно равна области дисперсии тонкого светофильтра [2]:

АХт = -, (6)

где *1 — порядок спектра тонкого светофильтра, X = (Хшах + Х^^/2, Хшах и Хтш — максимальная и минимальная длина волны рабочего диапазона мультиплекс-светофильтра.

Разрешение мультиплекс-светофильтра определяется разрешением тонкого светофильтра [2]:

X* 1 - Я

—X т =—Х1 = —г= . (7)

*2 Л>/Я

Аппаратная функция мультиплекс-светофильтра представляет собой произведение аппаратных функций его составных частей, светофильтр пропускает излучение с длинами волн, общими для полос пропускания обоих составляющих его светофильтров.

При перестройке светофильтра (путем изменения зазора между зеркалами) с первым порядком интерференции его полоса пропускания смещается по спектру, происходит выделение одной полосы дисперсии, затем другой полосы второго светофильтра, т.е. „переключение" пропускаемых светофильтром с большим порядком интерференции диапазонов АХ* этого светофильтра. В спектре пропускания мультиплекс-светофильтра не будут наблюдаться одновременно две или более дисперсионные области, если ширина полосы пропускания светофильтра с меньшим зазором на наименьшей длине волны рабочего диапазона мультифлекс-светофильтра 5Х1 меньше полосы дисперсии АХ* второго:

—Х1 < АХ * .

Значение 5Х1 определяется из выражения (7) путем подстановки в него параметров тонкого светофильтра.

Найдем полосу дисперсии второго интерферометра:

X*

АХ* =-*-.

Число „переключаемых" полос дисперсии М равно:

М = *шт - *тах = 212 п2

' 1 1 ^

Vтах ^тт J

Проведем количественную оценку достижимых параметров рассматриваемого устройства, в котором интерферометр с меньшим зазором имеет порядок ч1 = 1, регулируемый диапазон спектра АХ = ДХт = 0,4—0,8 мкм и величину зазора Ь1 в крайних точках диапазона перестройки в соответствии с (5) Ь1 = 0,2—0,4 мкм. Результаты расчетов приведены в табл. 1—3.

Таблица 1

Расчетные геометрические и электрические параметры перестраиваемого мультиплекс-светофильтра (ЕЮ = 0,7-Ш11 Па)

Параметры держателя, м Е, ь2, Е II £

/ = АЬ1 И Ь 1 В/м мкм В м2

0,2-Ю-6 1-10-3 1-10-4 3-10-3 1,7-106 2-10-6 3,4 1-10-4

Таблица 2

Расчетные оптические параметры микромеханического мультиплекс-светофильтра (Я = 0,9, Т = 0,07, п2Ь2 = 5,8 мкм)

¿1, мкм Х, мкм 5ХЬ мкм Дkm, мкм 5Х„Ь мкм Ч ^^ Чшт ^тах Т т

0,2 0,4 0,013 0,013 0,00046 29 14,5 0,24

0,3 0,6 0,02 0,031 0,001 19,3 14,5 0,0009

0,4 0,8 0,027 0,055 0,0019 14,5 14,5 0,0007

Таблица 3

Расчетные оптические параметры микромеханического мультиплекс-светофильтра (Я = 0,85, Т = 0,1, п2Ь2 = 5,8 мкм)

¿1, мкм Х, мкм 5ХЬ мкм АХm, мкм 5Хт, мкм Ч ^^ Чшт ^шах Т т

0,2 0,4 0,02 0,013 0,00071 29 14,5 0,2

0,3 0,6 0,03 0,031 0,0016 19,3 14,5 0,0017

0,4 0,8 0,04 0,055 0,0028 14,5 14,5 0,0013

Результаты расчетов подтверждают, что мультиплекс-светофильтр может перестраиваться в диапазоне длин волн 0,4—0,8 мкм, управляющее напряжение не превышает 3—4 В; расчетное разрешение ЪХ « 7,5—13 А.

Таким образом, показано, что микромеханический мультиплекс-светофильтр может работать, перекрывая весь видимый диапазон спектра с разрешением порядка 10 А. Управляющее электрическое напряжение по своей величине совместимо с рабочими напряжениями полупроводниковых микросхем.

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 различных участках инфракрасного диапазона спектра.

На рис. 2 приведен расчетный график зависимости (по формуле (4)) коэффициента пропускания мультиплекс-светофильтра в видимом диапазоне спектра от величины регулируемого зазора тонкого светофильтра. Толщина зазора толстого светофильтра п2Ь2 = 5,8 мкм, энерге-

Х, мкм

Рис. 2

тические прозрачность и коэффициент отражения каждого зеркала соответственно равны: T = 0,1 и R = 0,85.

Проведены предварительные исследования экспериментальных образцов с субмикронными эквидистантными воздушными зазорами между зеркалами резонатора с первым порядком интерференции. Упрощенная схема такого перестраиваемого мультиплекс-светофильтра представлена на рис. 3.

Светофильтр первого порядка образован зеркалами 1, 2 и воздушным зазором между ними. Светофильтр высокого порядка (в экспериментальном образце отсутствовал) образован зеркалами 3, 4 и прозрачной пластиной 5 между ними. К пьезокерамической шайбе 8 прикреплена державка 9, в которой закреплена прозрачная пластина 7 с зеркалом 1. Важнейшей конструктивной особенностью устройства является использование между зеркалами 1 и 2 субмикронного эквидистантного воздушного зазора [6], регулируемого в пределах 0,2—0,4 мкм на всей площади оптической апертуры диаметром 10 мм.

Управление величиной воздушного зазора осуществляется изменением управляющего напряжения, приложенного между обкладками пьезокерамической шайбы 8.

Исследованные экспериментальные образцы с субмикронными эквидистантными воздушными зазорами между зеркалами резонатора с первым порядком интерференции имели отклонения от эквидистантности порядка 0,09 мкм (определялись по интерференционным цветам) на световом диаметре 8 мм. При изменении зазора на 0,125 мкм происходила перестройка резонатора с пропускания в области синего цвета на пропускание в области красного.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Скоков И. В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. М.: Машиностроение, 1989. 256 с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2. Лебедева В. В. Экспериментальная оптика. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1994. 352 с.

3. Чесноков В. В., Чесноков Д. В. (отв. исполнитель). Исследование физических проблем нано- и микроразмерных функциональных механических устройств информационных оптоэлектронных систем. Отчет о НИР, № Госрегистрации 0199.0010326, инв. № 022001.0314. Новосибирск, 2003.

4. Чесноков А. Е. Исследование оптических характеристик многослойных структур управляемого резонатора Фабри—Перо // Сб. матер. III Междунар. науч. конгресса „ГЕ0-Сибирь-2007". Новосибирск: СГГА, 2007. Т. 4. Ч. 1. С. 167—170.

5. Писаренко Г. С., Яковлев А. П., Матвеев В. В. Справочник по сопротивлению материалов. Киев: Наукова думка, 1988. 736 с.

6. Заявка на патент РФ № 2008130196. Способ изготовления перестраиваемого светофильтра с интерферометром Фабри—Перо / В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, Д. М. Никулин, А. Е. Чесноков. Приоритет от 21.07.2008.

Владимир Владимирович Чесноков Дмитрий Владимирович Чесноков

Дмитрий Михайлович Никулин

Сведения об авторах д-р техн. наук, профессор; Сибирская государственная геодезическая академия, кафедра физики, Новосибирск; E-mail: garlic@ngs.ru канд. техн. наук, доцент; Сибирская государственная геодезическая академия, кафедра физики, Новосибирск; E-mail: garlic@yandex.ru

Сибирская государственная геодезическая академия, кафедра физики, Новосибирск; инженер; E-mail: dimflint@mail.ru

Поступила в редакцию 12.01.09 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.