Перестраиваемый миниатюрный монохроматор в микромеханическом исполнении для целей экспресс-анализа Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.382.002

Д.В. Чесноков, А.Е. Чесноков

СГГ А, Новосибирск

ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ МИНИАТЮРНЫЙ МОНОХРОМАТОР В МИКРОМЕХАНИЧЕСКОМ ИСПОЛНЕНИИ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА

В настоящее время во многих отраслях используются высокоточные измерительные монохроматоры различных видов.

Три вида монохроматоров [1]: монохроматор с использованием призмы, монохроматор с дифракционной решеткой, монохроматор на базе резонатора Фабри-Перо.

Недостатком всех этих приборов является их габаритные размеры, а также большое энергопотребление.

Целью настоящего исследования является разработка и исследование перестраиваемого оптического интерференционного фильтра (резонатора Фабри-Перо), основанного на принципах микромеханики, для использования в качестве монохроматора. Рассматривается возможность создания устройства, функционирующего в спектральных диапазонах от 0,4 до 0,8 и от 0,8 до 1,6 мкм.

Нами проведен расчет ожидаемых параметров микромеханического монохроматора. Возьмем за основу известную методику расчета резонатора Фабри-Перо, который является интерференционным прибором с многократно разделенными световыми пучками. Резонатор Фабри-Перо состоит из двух оптически прозрачных пластин, закрепленных с малым зазором друг относительно друга. Обращенные к зазору поверхности пластин являются полупрозрачными зеркалами.

Расчет проводится на основе анализа, приведенном в [2].

Интенсивность пропускания такого фильтра I зависит от коэффициента отражения, коэффициента пропускания, разности фаз между соседними пучками, интенсивности падающего пучка света и определяется по формуле

где Я - коэффициент отражения; Т - коэффициент пропускания; ф -разность фаз между соседними пучками падающего света; 10 - интенсивность падающего пучка света.

Разность фаз между соседними пучками зависит от расстояния между отражающими слоями d, показателя преломления среды п между отражающими слоями, угла падения г светового пучка, а также длины волны 1:

При прохождении светового пучка через любой отражающий слой, часть его интенсивности поглощается этим слоем в соответствии с условием

Т2 I

1 о

(1)

(2)

Т + Я + Л = 1,

(3)

где А - коэффициент поглощения.

Расчеты фильтра проведем для типичных для этого класса приборов параметров: /о=1, R=0,05, Т=0,85, А=0,1, n=1, световой пучок падает по нормали к поверхности фильтра (г=0°). Подставим выражение (2) в (1) и произведем преобразования, тогда:

T2 1

I = T____________________х_1________ (4)

(1 - R)2 1 4 R . 22xd ’ ()

v f 1 ч---------------^ sin ----

(1 - R)2 А

0,852 1 0,8

I — /-» х

(1 - 0,05)2 л 4 х 0,05 . 2 2nd . 2 2nd

v ’ ' 1 ч---------- sin --- 1 + 0,22 sin ---

(1 - 0,05)2 А А

(5)

На рис. 1 приведен спектр пропускания интерференционного фильтра, рассчитанный при помощи формулы (5) для указанных выше параметров и различных толщин зазора.

Толщина d зазора определяется выражением (6)

а

d — m —, (6)

2

где m - порядок спектра, — - длина волны.

Особенности полученного спектра:

- Спектральная ширина полосы пропускания на уровне 0,5 равна: для графика I - 18 нм, II - 27 нм, а для графика III - 36 нм.

- Необходимо отметить, что при величинах воздушного зазора более 400 нм появляется второй пик спектральной полосы пропускания, который обусловлен работой фильтра на втором порядке спектра

Из рис. 1 видно, что при зазоре между зеркалами 400 мкм полоса пропускания перестраиваемого фильтра соответствует приблизительно октаве. Схематически конструкция разработанного нами фильтра показана на рис. 2.На внутренние поверхности прозрачных дисков нанесен отражающий слой с коэффициентом пропускания T. Зазор между этими слоями первоначально задается с помощью вспомогательной диэлектрической пленки. После окончательной сборки перенастраиваемого оптического интерференционного фильтра эта пленка удаляется и величину зазора (уже воздушного) можно регулировать путем изменения геометрических размеров внешнего цилиндра. Для этого можно использовать магнитострикционные эффекты.

I

го

о

с

0

с

.0

1 0 с 0 I—

о

0,020 -| 0,018 -0,016 -0,014 -0,012 -0,010 -0,008 -0,006 -0,004 -0,002 -0,000 --0,002

III

400

500

600

700

800

900

X, НМ

II

Рис. 1. Зависимость интенсивности пропускания от длины волны при d=200

нм (I), d=300 нм (II), d=400 нм (III)

Рис. 2. Конструкция перестраиваемого интерференционного фильтра:

1, 2 - стеклянная подложка; 3, 4 - зеркальные слои А1; 5 - воздушный зазор; 6 - прозрачный клей; 7 - внутренний цилиндр; 8 - внешний цилиндр; 9 - витки проволоки

Для обеспечения устойчивой работы монохроматора при изменениях температуры внешней среды в качестве материала цилиндра 7 выбран инвар. Проведем оценочный расчет размеров монохроматора.

Для обеспечения работы монохроматора в диапазоне длин волн от 0,4 до 0,8 мкм, как следует из (6), зазор должен изменяться в пределах от 0 до 0,4 мкм на первом порядке интерференции, т. е. т = 1 в (6).

Для инвара рабочий диапазон напряженности магнитного поля изменятся от 0 до 80*104 А/м; магнитострикция удлинения образца при Я=8*104 А/м составляет А!/! = 10-5 [3].

Учитывая, что в замкнутом магнитопроводе, образованном внешним цилиндром и корпусом, длина силовых линий магнитного поля приблизительно равна 2*!, где ! длина внешнего цилиндра, можно записать:

Н = N х I/21 (7)

Для приведенных выше параметров магнитострикционного преобразователя найдем:

N х I = 6400(А х в) (8)

Одной из основных задач является получение плоскопараллельности отражающих слоев. Это становится возможным путем нанесения жертвенного слоя на слой А1, который в точности повторяет рельеф слоя А1

(рис. 3). Затем наносят второй слой А1, который является вторым зеркалом

резонатора.

л

Получения малого зазора, большой площади ^ = 10мм ), является сложной задачей не только с конструктивной точки зрения, но и с технологической. В качестве материала жертвенного слоя выбран маннит [4].

Нами было опробовано несколько вариантов удаления жертвенного слоя: химическое травление и термическое испарение. Лучшим оказалось термическое испарение.

При изготовлении многослойной структуры получены слой с толщиной А! - 0,15 мкм (удовлетворяющий условию А+Т=0,85). Спектральные кривые, вычисленные по формуле (5), показаны на рис. 1. Анализ показал, что жертвенный слой должен иметь толщину порядка 0,08 мкм, т.к. конструкция рассчитана на увеличение воздушного зазора.

Г абаритные размеры созданного экспериментального образца: диаметр -20, длина 35 мм.

Масса: 100 гр.

Спектральный диапазон: от 0,4 до 0,8 мкм.

3 4

Рис. 3. Схема получения эквидистатного зазора микромеханического резонатора Фабри-Перо перестраиваемого интерференционного фильтра:

1 - стеклянная подложка; 2 - слой А1; 3 - жертвенный слой; 4 - клей.

Последующая работа будет направлена на создание микромеханического монохроматора, управляемого под действием электростатического поля, а так же на уменьшение предельно разрешимого спектрального интервала до 5 - 10 нм.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Рекламная информация http://new.lomo.ru/

2. Скоков И.В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике [Текст] // И.В. Скоков-М.: Машиностроение, 1989.- 238 с.

3. Физический энциклопедический словарь, Том 3, [Текст] // М.: Государственное научное издательство «советская энциклопедия», 1963. - с.108-110

4. Чесноков Д.В., Чесноков А.Е. Исследование оптических характеристик управляемого микромеханического светофильтра // Современные проблемы геодезии и оптики 71 научно-техническая конференция СГГА. - (2004).

© Д.В. Чесноков, А.Е. Чесноков, 2005