Термостабильность перестраиваемых светофильтров на основе резонатора Фабри перо Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 53.096

Д.М.Никулин

СГГ А, Новосибирск

ТЕРМОСТАБИЛЬНОСТЬ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ СВЕТОФИЛЬТРОВ НА ОСНОВЕ РЕЗОНАТОРА ФАБРИ - ПЕРО

В работе рассматривается возможность температурной стабилизации мультиплекс-светофильтра, представляющего собой комбинацию двух светофильтров - с низкой и высокой интерференционными порядками.

D.M. Nikulin SSGA, Novosibirsk

THERMAL STABILITY TUNABLE COLOUR FILTERS ON THE BASIS OF THE FABRY-PEROT RESONATOR

The present paper deals parameters thermal stability of tunable multiplex-optical filters which use the combination of two interference optical filters - with one of high and with the first interference orders.

multiplex-optical filter, an interference, thermal stability, fabry-perot resonator

Разрабатываемый перестраиваемый интерферометр Фабри-Перо (ИФП) [1,2] предназначен для электронного сканирования спектров излучений в видимом диапазоне.

Схема перестраиваемого ИФП представлена на рис. 1.

*т--------

Рис. 1. Схема перестраиваемого ИФП

При подаче управляющего электрического напряжения между обкладками пьезокерамической шайбы 3 её толщина изменяется, что приводит к изменению расстояния между зеркалами 1 и 2 резонатора Фабри-Перо и перестройке резонатора. Особенностью нашего устройства является использование резонатора с зазором между зеркалами порядка 0,2 -ь0,4 нм. Зазор выполняется эквидистантным.

Нерешённой проблемой в таком устройстве является влияние на расстояние между зеркалами теплового расширения пьезокерамической шайбы 3 и тубуса фланца 4, показанных на рис. 1.

Изменение величины зазора А1з между зеркалами при изменении температуры на АТ равно:

Л/з = Кап^Тп -1фаф^Тф' С1)

где апиаф- коэффициенты линейного теплового расширения пьезокерамики и фланца; /„ и /ф - толщина пьезокерамической шайбы и длина

тубуса фланца.

1) Если 1„к1ф= I, АТп = АТш = АТ, получим из (1):

Д 13=1АТ ап-аф . (2)

При ап-аф= 0 =^> А1з = 0.

2) Если 1п «1ф = I, ап = аф = а, получим из (1):

А1з=а1(АТп-АТф). (3)

При АТп = АТф ^ А13 = 0.

3) Если АТп = АТф = АТ, ап = аф = а, получим ИЗ (1):

Ыз=аАТ(1п-1ф). (4)

При 1п=1ф^А13=0.

Отсюда следует, что для обеспечения высокой термостабильности светофильтра (А 13 =>0), пьезокерамическая шайба 3 и фланец 4 должны иметь равные коэффициенты линейного теплового расширения, равную температуру и одинаковые размеры.

Если будет иметь место неравномерное нагревание деталей резонатора, то между зеркалами 1 и 2 образуется клин, ухудшающий разрешающую способность резонатора. Неравномерность зазора не должна превышать величины, при котором разрешающая способность резонатора ухудшится. Проведённые расчёты [3] показывают, что при определённых условиях разрешающая способность резонатора может быть дл = 0,02 мкм, чему соответствует допустимая неравномерность величины зазора А/ = 0,01 мкм. Учитывая (4), получим:

А1 = аАТ(1п-1ф). (5)

Принимая 1п =5-10_3м, 1ф =4,99-1(Г3м, ап = аф = 5-10 бК \ находим ЛГ<200 К.

Очевидно, что для обеспечения требуемой однородности распределения температуры специальные меры не требуются.

Рассмотрим влияние теплового расширения пьезокерамической шайбы и фланца на параметры мультиплекс-светофильтра [3] (рис. 2). Его отличием от резонатора Фабри-Перо, представленного на рис. 1, является наличие светофильтра высокого порядка, образованного зеркалами 5, 6 и прозрачной пластиной 7 между ними.

Рис. 2. Схема перестраиваемого мультиплекс-светофильтра

Прозрачная пластина 7 изготовлена из кварцевого стекла или ситалла, имеющих малые значения коэффициента теплового расширения в широком интервале температур.

На рис. 3 представлены графики зависимости коэффициентов пропускания светофильтров - низкого и высокого порядков от величины зазоров между зеркалами 1 и 2, 5 и 6. Толщина зазора тонкого светофильтра 0,3 мкм, оптическая толщина толстого светофильтра 5,8 мкм, энергетические прозрачность и коэффициент отражения каждого зеркала, соответственно, равны Т = 0,03 и Я = 0,95.

а) б)

Рис. 3. График зависимости коэффициентов пропускания светофильтров: а) низкого порядка и б) высокого порядка

За счет использования в мультиплекс-светофильтре двух светофильтров -низкого и высокого порядков - можно выделять из спектра источника излучение более монохроматическое при сохранении величины перестраиваемого диапазона [3].

На рис. 4 представлены графики зависимости коэффициента пропускания мультиплекс-светофильтра в видимом диапазоне спектра на краях диапазона перестройки Я= 0,4 мкм и 0,774 мкм. Разрешающая способность такого мультиплекс-светофильтра 8Х ~ 7,5 -13 А [3].

На рис. 4а видно, что по сторонам основного пика имеются дополнительные пики, вносящие особенности в аппаратную функцию мультиплекс-светофильтра.

а) б)

Рис.4. Графики зависимости коэффициента пропускания мультиплекс-

светофильтра для:

а) А =0,4 мкм, б) Я =0,774 мкм

Максимальная прозрачность данного мультиплекс-светофильтра в выделенных полосах пропускания из спектра источника излучения

г^4

определяется выражением [4] Тмакс=------------ и равна 0,13. Уменьшение

‘ (1-Я)

пропускания мультиплекс-светофильтра на основных линиях спектра на 1% и 10% произойдёт при увеличении зазора тонкого светофильтра толщиной 0,2 мкм (соответствующего основной линии пропускания) на 0,005 нм и 0,0185 нм, при /„ = 5 • 10-3 м, /ф = 4,99 • 10 3 м, ап=аф = 5-10 6К 1, что соответствует увеличению

температуры мультиплекс-светофильтра на 0,1 К и 0,37 К. Для получения более высокой термостабильности, необходимо длину тубуса фланца делать равной толщине пьезокерамической шайбы. Современное оборудование в приборостроительной технике может обеспечить точность изготовления до 1-2 мкм. Если при изготовлении гарантируется разность длин этих деталей 1 мкм, то уменьшение пропускания светофильтра на основных линиях спектра на 1% и 10% произойдёт при увеличении температуры на 1 К и 3,7 К.

При соблюдении предложенных мер, разрабатываемый мультиплекс-светофильтр будет обладать хорошей термостабильностью.

1. Заявка на патент: Чесноков В.В., Чесноков Д.В., Никулин Д.М., Чесноков А.Е. Интерференционный светофильтр с перестраиваемой полосой пропускания / Заявка №2008112913, Россия.- Приоритет от 03.04.2008.

2. Заявка на патент: 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.

3. Чесноков, В.В. Интерференционные светофильтры с перестраиваемой полосой пропускания / В.В. Чесноков, Д.В. Чесноков, Д.М. Никулин // Изв. вузов. Приборостроение. - 2009. - Т. 52, № 6. - С.63-68.

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

© Д.М. Никулин, 2010