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

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.

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.