АХРОМАТИЧЕСКАЯ ФАЗОВАЯ ПЛАСТИНА

Полезная модель относится к оптике, в частности, к оптическим поляризационным устройствам, которые могут быть использованы в области интегральной и градиентной оптики и могут быть положены в основу создания элементов интегрально-оптических схем и приборов.
Оптический элемент, вносящий сдвиг фаз у ортогонально поляризованных компонент излучения, прошедшего через него, называется фазовой пластиной. Совместно с линейными поляризаторами фазовые пластины применяются для получения или анализа линейно, циркулярно и эллиптически поляризованного света. Большинство фазовых пластин хроматические, т.е. сдвиг фаз в них зависит от длины волны света.
Фазовые пластины (ФП) чаще всего изготовляют из кварца и слюды. Кварц оптически активен, но его оптическая активность не проявляется, если свет проходит перпендикулярно к оптической оси. Слюда - двухосный анизотропный материал. Однако две главные оси эллипсоида диэлектрической проницаемости параллельны плоскости пластины, поэтому для перпендикулярно падающего света слюда ведет себя как одноосный кристалл. Наиболее распространены фазовые пластины со сдвигом фаз в 90 и 180°. Их называют четвертьволновыми и полуволновыми, что соответствует оптической разности хода в четверть или половину длины волны. При прохождении света последовательно через несколько одинаково ориентированных фазовых пластин результат их действия равен сумме фазовых сдвигов в каждой пластине.
2
2
Ахроматические фазовые пластины (АФП) изготавливаются из нескольких компонентов: пластина из кристаллического фтористого магния MgF, соединенная с помощью специального клея с пластиной кристаллического кварца SiO [1]. Такие АФП имеют свойства как полуволновой фазовой пластины, так и ахроматической четвертьволновой фазовой пластины. За счет того, что эти одноосные положительные кристаллы имеют различный спектральный ход дисперсии двулучепреломления, можно рассчитать необходимые толщины компонентов сборки, которые при определенной взаимной ориентации кристаллических осей дадут составную фазовую пластину, волновая разность хода обыкновенного и необыкновенного лучей (ВРХ) в которой в определенной спектральной области будет изменяться слабо.
Такие пластины представляют собой ахроматизированные фазовые пластины нулевого порядка с фазовыми задержками для различных типов фазовых пластин на область длин волн 0,4-1,1 мкм. Кроме того, что АФП заменяют целый ряд обычных фазовых пластин, необходимы для ряда устройств, например, узкополосных интерференционно-поляризационных фильтров (ИФП) с регулируемой полосой пропускания, управляемых брюстеровских фильтров Лио и т.д.
Такие ахроматические фазовые пластины сложны в изготовлении, не обеспечивают работоспособность при повышенных температурах окружающей среды.
2
2
Известны АФП, содержащие жидкие кристаллы [2]. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с ахроматическими фазовыми пластинами, изготавливаемыми из пластин кристаллического фтористого магния MgF и кристаллического кварца SiO, в частности, относительной простотой изготовления и более высоким быстродействием. Однако ахроматические пластины с жидкими кристаллами также относительно сложны в изготовлении и весьма чувствительны к повышению температуры окружающей среды.
Известна диэлектрическая подложка из нанопористого оксида алюминия с периодической системой наноотверстий по всей площади поверхности [3], которая может служить в качестве ахроматической пластины, работоспособной при повышенных температурах окружающей среды. Сведения об использовании диэлектрических подложек из анодного оксида алюминия применительно к ахроматическим фазовым пластинам отсутствуют. Такие подложки не обладают всем спектром свойств ахроматических фазовых пластин из кристаллического материала и пластин с жидкими кристаллами, размеры нанопор, расстояния между ними в периодической структуре подложки из оксида алюминия, ее толщина не оптимизированы с точки зрения приемлемых характеристик для ахроматических фазовых пластин, способ их получения не обеспечивает требуемую оптимальность нанопористой структуры оксида алюминия, обеспечивающую реализацию свойств АФП.
Технической задачей полезной модели является создание ахроматических фазовых пластин на основе нанопористых подложек из оксида алюминия с оптимизированными соотношениями диаметров пор и расстояний между их центрами при соответствующей толщине подложки из оксида алюминия, обеспечивающих переменную разность фаз ортогонально поляризованных компонент излучения прошедшего пластину от 0 до 270° в диапазоне длин волн 0,4÷1,5 мкм при повышенных температурах окружающей среды при сохранении относительной простоты изготовления ахроматических фазовых пластин.
Решение технической задачи достигается тем, что ахроматическая фазовая пластина, содержит диэлектрическую подложку с периодической системой параллельных друг другу по всей площади и перпендикулярных обеим поверхностям наноотверстий, диаметр наноотверстий составляет от 60 до 80 нм, расстояние между центрами отверстий составляет 100-120 нм, а диэлектрическая подложка имеет толщину от 10 до 60 мкм.
Совокупность указанных признаков обеспечивает реализацию свойств ахроматической фазовой пластины при повышенных температурах окружающей среды при сохранении относительной простоты изготовления.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение ахроматической фазовой пластины, на котором:
1 - диэлектрическая подложка;
2 - наноотверстие,
d - диаметр наноотверстия,
s - расстояния между центрами наноотверстий,
h - толщина диэлектрической подложки.
2
3
Ахроматическая фазовая пластина состоит из диэлектрической подложки 1 и периодической системы параллельных друг другу по всей площади и перпендикулярных обеим поверхностям наноотверстий 2. Диэлектрическая подложка 1 выполнена из анодного оксида алюминия (AlO) и имеет периодическую систему наноотверстий 2 диаметром d от 60 до 80 нм с расстоянием между центрами наноотверстий s от 100 до 120 нм и толщиной диэлектрической подложки h от 10 до 60 нм.
Экспериментальные данные, подтверждающие реализацию свойств ахроматической фазовой пластины такой диэлектрической подложкой приведены на фиг. 2.
На фиг. 2 представлены зависимости разности фаз ортогонально поляризованных компонент излучения (Δ), вышедшего из нанопористой диэлектрической подложки оксида алюминия толщиной 30 мкм, от угла падения (α) для длин волн: а - 400 нм, b - 633 нм, с - 808 нм, е - 980 нм. Видно, что с увеличением длины волны излучения углы падения на нанопористую диэлектрическую подложку, при которых разность фаз Δ принимает значения равные ±λ/4 или λ/2, смещаются в сторону больших углов падения. При этом, как следует из таблицы, значения коэффициентов пропускания Т растут.
Для нанонопористой диэлектрической подложки оксида алюминия расстояния между порами оказываются значительно меньше длины волны зондирующего излучения. Когда поры в подложки ориентированы перпендикулярно поверхности, то следует ожидать наличие двойного лучепреломления формы. Такая диэлектрическая подложка будет проявлять свойства положительного одноосного кристалла, при этом оптическая ось кристалла направлена по нормали к поверхности.
Тогда разность фаз излучения на выходе из диэлектрической подложки толщиной d равна (случай падения излучения по нормали к поверхности пленки)
e
o
где λ - длина волны зондирующего излучения, n, n - показатели преломления пленки, для излучения, поляризованного вдоль пор либо перпендикулярно им, соответственно.
Для случая падения излучения под углом α к оптической оси кристалла имеем
e
где sinα=n(θ)sinθ. Кроме того, введем величину d*=d/cosθ. Тогда получим
e
o
Методом наименьших квадратов по выборкам значений Δ, найденных экспериментально, были проведены оценки значений n и n диэлектрической подложки оксида алюминия на различных длинах волн падающего излучения. Значения углов падения светового пучка α на входную поверхность оптимизированной по параметрам нанопористой диэлектрической подложки, при которых данная подложка является четвертьволновой (либо полуволновой) фазовой пластинкой, коэффициентов пропускания и показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, вычисленных методом наименьших квадратов представлены в табл. 1.
e
o
Видно, что двулучепреломление Δn=n-n исследованных диэлектрических подложек выше в видимой области спектра. Сравнение экспериментально полученных и теоретически рассчитанных по формуле (2) значений Δ исследованных диэлектрических подложек показывает, что различия между ними не превышают 3°.
Экспериментально подтверждено, что при увеличении температуры окружающей среды до 70°C геометрические параметры нанопористой пластины из анодного оксида алюминия не меняются, что и подтверждается неизменностью приведенных на фиг. 2 характеристик.
Источники информации
1. http://elan-optics.com/rus.
2. BY №8994.
3. BY №10687.