Коэффициент пропускания микромеханического модулятора Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 535.421 В.С.Корнеев СГГ А, Новосибирск

КОЭФФИЦИЕНТ ПРОПУСКАНИЯ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО МОДУЛЯТОРА

Целью данной статьи является рассмотрение оптических характеристик микромеханических устройств с магнитоэлектрическим управлением при использовании последних в качестве модуляторов проходящего светового потока, а также теоретический расчет функций пропускания.

Современная концепция микромеханики состоит в использовании технологии производства кремниевых интегральных микросхем для создания различных типов устройств, имеющих подвижные элементы, микроскопические перемещения которых лежат в основе функционирования целого класса устройств - микроэлектромеханических систем (МЕМБ).

Один из типов МЕМБ устройств(микромеханический модулятор с магнитоэлектрическим управлением) был предложен в работе [1], а в отчете [2] подробно расмотрены основные функциональные характеристики разных типов подобных микромеханических устройств.

Опытные образцы таких устройств изготовлены по стандартной кремниевой технологии и представляют собой одномерную матрицу микрополосок, закрепленных концами на неподвижной раме, и способных поворачиваться вокруг своей продольной оси. Каждая микрополоска с одной стороны зеркальная, а с другой стороны покрыта тонкой ферромагнитной пленкой (ТФП). Управление угловым положением микрополосок осуществляется при помощи взаимодействия внешнего магнитного поля с остаточной намагниченностью ТФП.

В статье [3] найдена теоретическая зависимость углов поворота разных участков поверхности микрополосок от величины индукции внешнего магнитного поля, что позволяет провести расчет режима статического отклонения при использовании данных устройств в качестве модуляторов. Модулируемой величиной в данных устройствах является интенсивность проходящего светового потока, а модулирующим фактором угол наклона микрополосок, от которого зависит видимая ширина щели.

Схема функционирования подобного модулятора в режиме статического отклонения приведена на рис. 1.

а ▼

d

б)

Рис. 1. Схема функционирования микромеханического модулятора: а) при нормальном падении, б) при падении на наклонные микрополоски

Матрица микрополосок представляет собой дифракционную решетку с периодом d = 55 мкм, и переменной шириной щели b. В опытных образцах микромеханических модуляторов видимый размер щели b зависит от угла наклона микрополосок а согласно:

b = b0 + w(1 - cosa), (1)

где: b0 = 5мкм - начальная ширина щели; w = 50мкм - ширина микрополоски; угол а меняется в пределах от 0 до 1 рад.

Дифракционная решетка обеспечивает периодическую пространственную модуляцию падающей световой волны по амплитуде или по фазе. В том случае, если модуляция происходит только по амплитуде, вводят функцию пропускания решетки А = A(m, b):

где: 10 - интенсивность падающей световой волны;

I - интенсивность дифрагировавшего излучения в направлении р; m - порядок дифракционного максимума.

При дифракции лазерного пучка с длиной волны Я на структуре, состоящей из N длинных эквидистантных щелей, распределение интенсивности для дифрагировавшего излучения определяется по формуле

(2)

1^, = H (N,^md/2) U (тгЫ X) I*,

(3)

где: U(лЬ/Я)

г Ь л

sm(л—sinр)

_____Я_______

Ь .

л — Sinр

V Я

- функция пропускания одной щели;

H (N,лmd/Я) =

г d Л

sin(Nлm sinр)

________Я_______

sin(лmdsinр)

- интерференционная функция;

(5)

I* - интенсивность в центре дифракционной картины( р = 0);

* Ь2 I* = —I ° ЯL o ’

(6)

где Ь - расстояние от дифракционной решетки до экрана (Ь = 1 м).

В направлении главных максимумов( sinр = :шЯМ), выражения (4) и (5) можно упростить:

и(лЬ/ Я) =

/smmлb/dл2

шлЬМ

(7)

И (N,лmd/ Я) = К2

(8)

тогда интенсивность излучения в главных максимумах можно определить, подставив в (3) выражения (6), (7), (8):

1т = К2

sin(mлb/ d mлb/d

Л2_Ь1т

у ЯL 0'

(9)

Функция пропускания дифракционной решетки для главных максимумов равна:

А„ = К2

mлb/ d

ЯL

(10)

2

определяется параметрами: количеством щелей решетки N шириной щели Ь; длиной световой волны Я, постоянной решетки ё, порядком максимума т.

Для главного максимума (т = 0, Бтр = 0) и(лЬ/ Л) = 1, функция

(11)

К2

пропускания:

А =

0 ЛЬ

На рис. 2, 3 представлены зависимости функции пропускания Ат от угла наклона микрополосок а , для разных порядков дифракции (т = 0; 1; 2; 3).

угол наклона а рад.

Рис. 2. Зависимость функции пропускания Ат от угла наклона а , для т = 0; 1

Функция пропускания Ат безразмерна и дает распределение плотности мощности излучения в различных максимумах дифракционной картины.

Изменение интенсивности излучения в каждом максимуме 1т (в зависимости от угла а ), пропорционально функции пропускания:

(12)

где: 10,1т имеют размерность [Вт/м2 ].

Большая часть мощности дифрагировавшего излучения (92%) локализована в пределах телесного угла, определяемого соотношением:

р = агоБт

Л

(13)

V и у

Этот угол уменьшается с увеличением видимой ширины щели. При выполнении условия:

т = ё, (14)

Ь V 7

интенсивность излучения в соответствующем максимуме 1т = 0.

0,035

0,030

. 0,025

к

« 0,020 о

^ 0,015

и

«

к

а 0,010

«

к

^ 0,005

0,000

т=2

—I—

0,0

0,2

0,4

—I—

0,6

—I—

0,8

1,0

угол наклона а рад.

Рис. 3. Зависимость функции пропускания Ат от угла наклона а , для т = 2;

3; 4

Угловое расстояние между соседними дифракционными максимумами

определяется отношением — « 0.01рад и не зависит от угла наклона а .

ё

Представленный микромеханический модулятор может найти

применение в оптоэлектронике, как устройство управляющее

интенсивностью светового пучка с малой угловой расходимостью или как управляемый светоклапан.

В настоящее время автором проводятся технологические работы по созданию действующих образцов модуляторов.

1. Чесноков, B.B. Микромеханический модулятор света [Текст] / В.В. Чесноков // Изв. вузов. Сер. Приборостроение. 1990. - № 6. - С. 82.

2. Исследование физических проблем нано-и микроразмерных функциональных механических устройств информационных оптоэлектронных систем [Текст] : отчет о НИР; рук. Чесноков В.В.; исполн.; Чесноков Д.В.; М-во обр. и науки РФ; СГГА, -Новосибирск, 2003. - С. 38 - 48. - № ГР01990010326.

3. Корнеев, В.С. Определение остаточной намагниченности микромагнита микромеханического дефлектора [Текст] / В.С. Корнеев // Сб. науч. тр. аспирантов и молодых ученых СГГА, - Новосибирск, 2005. - № 2. - С. 95 - 99.

4. Борн, М. Основы оптики [Текст] / M. Борн, Э. Вольф, - M., 1973. - Гл. 8. - С. 362 -

372.

© В.С. Корнеев, 2006