ОПТИЧЕСКИЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ АТТЕНЮАТОР НА ОСНОВЕ ТОНКОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛЕНКИ

Полезная модель относится к оптике, а именно к оптическим управляющим элементам.
Известен эффект туннельной электромагнитной интерференции в металлических пленках (В.В. Сидоренков, В.В. Толмачев. Эффект электромагнитной интерференции в металлических пластинках. Письма в ЖТФ, 1990, т. 16, вып. 3), в котором, при взаимодействии встречных электромагнитных волн в поглощающей среде имеет место явление туннельной интерференции, обусловливающее резкое возрастание коэффициента прозрачности среды и позволяющее управлять энергетическими параметрами интерференционного поля внутри среды.
С использованием данного эффекта реализован способ нагрева тонких металлических пленок (А.С. Абрамов и др. Способ нагрева тонких металлических пленок. Пат. РФ №2540122 от 10.02 2015). Предлагаемый способ нагрева тонких металлических пленок позволяет решить задачу управления их поглощающей способностью в ИК-диапазоне и повысить КПД их нагрева вплоть до 100%.
Известен многослойный оптический аттенюатор (US patent. Multilayer thin film attenuators. Wang et al. US 2015/0153583), содержащий источник излучения оптического диапазона и наклонно установленную по отношению к падающему излучению тонкопленочную структуру, состоящую из системы чередующихся слоев оксидов металлов. Аттенюатор обеспечивает ослабление проходящего через него линейно-поляризованного излучения за счет изменения угла поворота пленочной структуры по отношению к падающему излучению. Недостатками данного устройства являются:
1. Технологическая сложность изготовления многослойной структуры из 80-130 слоев оксидов металлов с нанометровыми толщинами и заданными характеристиками.
2. Невозможность достижения полного погашения проходящего светового пучка при его наклонном падении на многослойную структуру.
3. Потеря центровки проходящего через структуру светового пучка при изменении угла падения пучка на структуру в результате его смещения при прохождении через многослойную структуру.
Устранить указанные недостатки описанного выше устройства и реализовать управляемое ослабление проходящего сигнала за счет изменения фазы "подсвечивающего" сигнала позволяет предлагаемая полезная модель.
Цель полезной модели: реализовать управляемое устройство с расширенным диапазоном изменения (ослабления сигнала) интенсивности проходящего оптического сигнала через тонкие металлические пленки за счет управления фазой встречного оптического сигнала.
Технический результат: повышение эффективности управления прохождением оптического сигнала через тонкую металлическую пленку за счет управления фазой встречного оптического сигнала.
Технический результат достигается за счет использования оптического аттенюатора содержащего, лазер, интерферометр Маха-Цендера, включающий полупрозрачное зеркало, неподвижное непрозрачное зеркало, первый и второй управляемые поляризаторы, подвижное непрозрачное зеркало, регулирующую тонкую металлическую пленку и фотоприемник. При этом регулирующая тонкая металлическая пленка встроена в схему интерферометра Маха-Цендера, таким образом, что на одну ее сторону приходит падающий р-поляризованный луч лазера первого плеча интерферометра (сигнальный луч), амплитуда которого регулируются посредством первого управляемого поляризатора, а на другую ее сторону приходит встречно направленный подсвечивающий луч второго плеча интерферометра, амплитуда которого регулируются посредством второго управляемого поляризатора, а фаза регулируется посредством подвижного непрозрачного зеркала, размещенного на прецизионном пьезокерамическом актюаторе, соединенных с дополнительно введенным управляющим устройством, которое также соединено с фотоприемником, регистрирующем выходной сигнал. Изменяемые фазовые соотношения между "сигнальной" и "подсвечивающей" волной изменяют амплитуду прошедшего через аттенюатор сигнала, т. е. в зависимости от выбора фазы возможно ослаблять величину прошедшего сигнала в требуемых пределах. Кроме того, в схему аттенюатора дополнительно введено управляющее устройство, которое соединено с поляризаторами, подвижным зеркалом и фотоприемником, регистрирующем выходной сигнал, позволяющее управлять амплитудой падающего луча, а также амплитудой и фазой встречного луча в автоматическом режиме.
Раскрытие модели
Предлагаемая модель оптического управляемого аттенюатора состоит из следующих элементов (фиг. 1):
1 - лазер оптического диапазона,
2 - полупрозрачное зеркало,
3 - неподвижное непрозрачное зеркало,
4, 5 - первый и  второй управляемые поляризаторы,
6 - подвижное непрозрачное зеркало,
7 - прецизионный пьезокерамический актюатор,
8 - регулирующая тонкая металлическая пленка,
9 - фотоприемник, 10 - управляющее устройство.
Регулирующая тонкая металлическая пленка, толщина которой составляет несколько десятков нанометров, встроена в схему интерферометра Маха-Цендера (Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука. 1973) так, что на одну ее сторону приходит падающий р-поляризованный луч лазера первого плеча интерферометра (сигнальный луч), амплитуда которого регулируются посредством первого управляемого поляризатора, а на другую ее сторону приходит встречно направленный подсвечивающий луч второго плеча интерферометра, амплитуда которого регулируются посредством второго управляемого поляризатора, а фаза регулируется посредством подвижного непрозрачного зеркала, размещенного на прецизионном пьезокерамическом актюаторе, соединенных с дополнительно введенным управляющим устройством, которое также соединено с фотоприемником, регистрирующем выходной сигнал. Кроме того, в схему аттенюатора дополнительно введено управляющее устройство, которое соединено с поляризаторами, подвижным зеркалом и фотоприемником, регистрирующим выходной сигнал, позволяющее управлять амплитудой падающего луча, а также амплитудой и фазой встречного луча в автоматическом режиме. В результате этого в зависимости от фазы подсвечивающего луча происходит изменение амплитуды выходного сигнала, попадающего на фотоприемник.
Устройство работает следующим образом. Излучение от источника 1 при попадании на неподвижное полупрозрачное зеркало 2, разделяется на два луча. Первый "сигнальный" луч следует по первому плечу интерферометра, где проходит через управляемый поляризатор 4 и падает слева на поверхность наклонно установленной (по отношению к падающему излучению) управляющей металлической пленки 8, после чего попадает на фотоприемник 9, где происходит его регистрация. Луч подсветки, отразившись от полупрозрачного неподвижного зеркала 2, следует по второму плечу интерферометра, где повторно отражается от непрозрачного неподвижного зеркала 3 и проходит через второй управляемый поляризатор 5. Далее луч "подсветки" попадает на подвижное непрозрачное зеркало 6, расположенное на прецизионном пьезокерамическом актюаторе 7, с помощью которого осуществляется пространственное перемещение подвижного зеркала на расстояния порядка длины волны. На зеркале 6 осуществляется изменение фазы. После отражения от подвижного непрозрачного зеркала 6, луч подсветки падает на правую поверхность металлической пленки 8, где интерферирует с сигнальным лучом. Образованный в результате интерференции лучей сигнал регистрируется фотоприемником 9. Сигнал с фотоприемника 9 поступает на управляющее устройство 10, с помощью которого также происходит управление амплитудами сигналов на управляемых поляризаторах 4 и 5 и фазой сигнала "подсветки" на подвижном непрозрачном зеркале 6, которое может выполняться в автоматическом режиме.
Эффективное управление пропускательной и отражательной способностью тонкой металлической пленки достигается при наклонном падении на пленку двух встречных когерентных волн - «сигнальной» и «подсветки», имеющих заданную линейную поляризацию (например, p-поляризацию). Схема падения указанных встречных волн и результирующих отраженных волн представлена на фиг. 2.
Энергетические потоки волн, падающих на левую и правую поверхности, обозначены  и , где  A и B - амплитуды "сигнальной" волны и волны "подсветки",  - скорость света в вакууме. Наряду с падающими потоками, от каждой из поверхностей уходят потоки  и , величина которых существенно зависит от  фазовых соотношений падающих волн.
Так, для потока  можем записать
.                                        (1)
где   и  - зависящие от толщины пленки коэффициенты прохождения и отражения (в отсутствие волны подсветки), - амплитудное значение интерференционного потока в пленке, зависящее от угла падения и толщины пленки,  - фазовый параметр, включающий разность фаз  двух волн на границах пленки, и набег фаз , приобретаемый волнами при прохождении и отражении. Коэффициенты  и  являются известными энергетическими коэффициентами прохождения и отражения для тонкого слоя (Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: 1973).
В условиях распространения встречных когерентных волн выражение для эффективного коэффициента пропускания  тонкой металлической пленки может быть рассчитано по формуле
.                            (2)
Формируя требуемые амплитуду и фазу волны подсветки, можно управлять величиной интерференционного потока и как следствие, изменять эффективный коэффициент пропусканием металлической пленки в заданных пределах, зависящих от толщины и материальных параметров металла. В случае равных амплитуд встречных волн, т.е. , выражение (2) для эффективного коэффициента пропускания тонкой пленки упрощается:
.                                                 (3)
Для реализации оптического управляемого аттенюатора взята пленка меди с нанометровыми толщинами. Ее показатель преломления в видимом диапазоне частот является комплексным:  (Электротехнические материалы. М.: Энергоатомиздат. 1985. 488 c.).
На фиг. 3 представлены угловые зависимости коэффициента прохождения  для толщин  (кривые 1-4). Эти зависимости соответствуют прохождению волны через пленку без учета волны подсветки (т. е. при закрытом втором канале интерферометра в схеме на фиг.1). Видно, что вблизи угла падения   имеется максимум зависимости . Так, для пленки толщиной нм величина коэффициента прохождения .
Степень ослабления сигнала существенно изменяется при открытом втором канале интерферометра в области углов, соответствующих максимуму прохождения. На фиг. 4 для пленок меди с толщинами  нм (кривые 1-3) и угле падения  представлены фазовые зависимости эффективного коэффициента  пропускания  . Анализ показывает, что в диапазоне толщин пленки нм за счет управления фазовым параметром  удается реализовать изменение пропускания пленки в достаточно широких пределах и ослабление проходящего сигнала вплоть до полного его  погашения. Наиболее широкие пределы изменения величины  наблюдаются для пленки толщиной нм. В этом случае при изменении фазового параметра от   до  интервал изменения эффективного коэффициента пропускания составляет . С дальнейшим увеличением толщины пленки диапазон изменения коэффициента  при фазовом управлении сужается.
Таким образом, при падении на тонкую металлическую пленку встречных волн за счет изменения фазового параметра можно существенно ослаблять сигнал, приходящий к фотоприемнику.
Предлагаемый оптический управляемый аттенюатор позволяет эффективно регулировать амплитуду выходного сигнала на фотоприемнике. Наиболее эффективное ослабление выходного сигнала при заданной толщине пленки реализуется при наклонном падении волны р-поляризации при условии равенства амплитуд «сигнальной» и «подсвечивающей» волн. Установлено, что для тонких пленок меди наиболее эффективное управление величиной ослабления реализуется в области толщин (25…50) нм. Наиболее оптимальной с точки зрения управления является толщина пленки 40 нм, при которой возможно ослабление эффективного коэффициента пропускания сигнала от 0.83 до 0.01, чему отвечает изменение фазового параметра с  до .