Разработка светофильтров использующих эффект полного внутреннего отражения Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 535.345.6 А.С. Сырнева СГГ А, Новосибирск

РАЗРАБОТКА СВЕТОФИЛЬТРОВ ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ЭФФЕКТ ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ

В настоящее время широко используются и разрабатываются оптические фильтры для всего оптического спектра от УФ до ИК диапазона. В УФ-диапазоне традиционно используются интерференционные и поглощающие фильтры имеющую частичную прозрачность в полосе пропускания.

Целью настоящего исследования является разработка и исследование светофильтров использующих эффект нарушенного полного отражения пропускание которых может иметь большое значение.

Основным элементом в любой конструкции узкополосного интерференционного светофильтра являются сильно отражающие зеркала, число которых должно быть не меньше двух. В качестве зеркал используются или простые полупрозрачные металлические слои, или диэлектрические многослойные зеркала. Возможно также применение комбинированных металлодиэлектрических просветленных зеркал.

Особым типом узкополосных светофильтров являются светофильтры, в которых используется нарушенное полное отражение. Зеркалами в таких фильтрах служат тонкие диэлектрические слои, в которых выполнено условие полного отражения, т. е. п < п БШфо. Ясно, что, в отличие от светофильтров прочих типов, угол падения должен быть здесь обязательно отличен от нуля. Поэтому ограничивающие среды в таком фильтре оформляются в виде двух стеклянных призм, между которыми находится пленка. В простейшем случае пленка состоит из трех слоев. Крайние из них являются зеркалами, на которых происходит нарушенное полное отражение (рис 1).

А120з

м§б2

Рис. 1. Конструкция светофильтра

Поскольку все слои в светофильтре с нарушенным полным отражением являются диэлектрическими, то, по крайней мере теоретически, коэффициент пропускания фильтра в максимуме должен быть равен единице, тогда:

где индекс 1 относится к одному зеркалу, т. е. в простейшем случае к одному полноотражающему слою, и притом в случае, когда свет падает на него изнутри, т. е. из промежуточного слоя. Очевидно, полоса пропускания будет тем уже, чем больше коэффициент отражения Я1 и чем меньше коэффициент пропускания Э1 = 1 - Я1. Это значит, что чем толще полноотражающие слои, тем уже полоса пропускания.

Отсюда вытекает кажущаяся весьма заманчивой теоретическая возможность получения светофильтра со сколь угодно узкой полосой пропускания при сохранении коэффициента пропускания равным (или, по крайней мере, близким) единице. Практика не оправдала, однако, этих надежд. Оказалось, что коэффициент пропускания получается действительно довольно высоким и близким к единице, но только тогда, если полноотражающие слои не слишком толсты. При дальнейшем увеличении толщины этих слоев ширина полосы пропускания перестает уменьшаться, а коэффициент пропускания резко падает, приближаясь к нулю.

Тем не менее, светофильтры на основе полного отражения имеют немалый практический интерес, так как они могут дать для многих применений достаточно узкие полосы пропускания. Тогда Я + Э = 1, и формулу (1) можно переписать в виде:

(1)

R 4Rl . 2 f \ (r't\

7T = ^Tsm (a-Vl + Vi) (2)

DD

Обозначив амплитудный коэффициент отражения на границе призма/полно-

отражающий слой через еір — сдвиг фазы при полном отражении), будем

иметь амплитудный коэффициент пропускания равным

i (^--) г-e 2 4 у/2 sin g

ishy

а1 =~—, (3)

sin g

Ь = chy + ictgg * shy , (4)

у = kfy-Jn2 sin2 в -n2 (5)

Формулы (3) и (4) можно переписать в виде: al = ^ s м =E (б)

sin g 2

и

b =eivl, (7)

cosv

где

tan Vi = thyctgg, -\Vi . (8)

Теперь из формул (б) и (7) вытекает:

~Y =------sh'2y 2 . (9)

D 4 sin g*cos v

Следовательно, подставляя в (2), имеем:

R sh 22y *cos2(a + v)

D sin2 g * cos2 v

Обозначим коэффициент отражения на границе двух сред через г = e* (11)

где q зависит от поляризации:

g | sh2p

tan — =

2 sin 2^ (12)

tan = thp tan в0

и

chp="°sin в (13)

n

Для изготовления макетного образца фильтра использовалась, главным образом, технология вакуумного напыления (установки ВУ-1А и ВУП4 с интерференционным датчиком контроля толщины). Подготовка образцов производилась по стандартным для технологии интерференционных покрытий методикам. Толщина полученных слоев измерялась с помощью интерференционного микроскопа МИИ-4.

В результате проведенных исследований рассчитаны параметры светофильтра и разработана конструкция макетного образца фильтра.

В нашем случае угол падения на поверхность 0 составляет 450, показатель преломления призмы 1,5. В качестве материала для пленки применялись Л12Оз, Используя выше приведенные формулы в

программе БХБЬ был сделан расчет и построены спектральные кривые для Л12О3 = 0,02 и Л12О3 = 0,04 мкм.

h = 0,02 мкм.

1,2

1

0,8 £ 0,6 0,4 0,2 0

о' о' о' о' о'

<м' <м' <м' <м' <м' <м'

&ЯЕ®88"'&3?:88Я:5.й£5

О' О' О' О' О' -г-' ^-' ^-' ,-' -г-' <4 <Ч ^ <4 <4 <4

Е=0.5

1=0.5

Рис. 2

Из приведенных графиков спектров отражения можно сделать выводы;

1. Один вид поляризации исчезает из-за материала подложки.

2. При определенной полосе пропускания пропускание светофильтра полное.

3. Из рис. 2 видно, что светофильтр может выполнять функцию поляризатора во всем видимом диапазоне и до длины волны 3 мкм.

© А.С. Сырнева, 2006