Многослойная структура с просветленными пленками фазоизменяемых материалов

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности к устройствам, позволяющим производить высокоскоростную перестраиваемую модуляцию электромагнитного излучения среднего инфракрасного диапазона длин волн, и может быть использована во всех областях промышленности, науки, техники, где используются методы управления интенсивностью света с помощью поглощения.
Известны способы спектральной фильтрации оптического излучения, основанные на явлении интерференции при взаимодействии светового потока с многослойными структурами с периодически меняющимся значением коэффициента преломления от слоя к слою. При этом показатели преломления слоев постоянные, поэтому оптическая характеристика пропускания покрытия меняется только при изменении угла падения на такие фильтры путем смещения спектра, за счет чего и создаются большинство устройств фильтрации, которые используют в своей конструкции различные электромеханические преобразователи. Подобные устройства реализованы в составных интерференционных фильтрах с изменяемым пропусканием RU2512089C2 [1]. Недостатком такой конструкции является прямая зависимость скорости изменения величины и полосы пропускания от параметров электромеханических устройств, осуществляющих изменение угла.
Данный недостаток возможно устранить, используя фазоизменяемые материалы, которые меняют свои электрические и оптические свойства при обратимых фазовых переходах из аморфного в кристаллическое состояние за счет нагрева. При этом нагрев может осуществляться контактно за счет электродов или термических нагревателей, как это описано в патенте WO2017134506A1 [2], так и бесконтактно за счет лазерного импульсного индуцирования. Недостатком контактного термического воздействия на тонкие пленки является необходимость использования дополнительных пленок электроизоляционных и теплорассеивающих материалов между фазоизменяемой пленкой и нагревательным элементом, свойства которых также влияют на оптические характеристики устройства.
При разработке таких устройств необходимо учитывать оптические свойства тонких (порядка длины волны) пленок, а именно показатель преломления п и коэффициент экстинкции А: и их влияние на изменение коэффициентов отражения R, пропускания Т и поглощения А всей многослойной структуры. Для аморфной и кристаллической фазы показатель преломления большинства фазоизменяемых материалов в два-три раза больше относительно подложек, на которые они наносятся, поэтому на границах тонких пленок с подложками или воздухом может отражаться до половины светового потока из-за разницы показателей преломления и интерференции на тонкой пленке. Именно на изменении показателя преломления и как следствие отражения часто реализуются оптические модуляторы подобно патенту US9952096B2 [3], но создание оптических устройств, которые изменяют интенсивность проходящего света, позволит масштабировать оптические элементы в различных схемах модуляции электромагнитного излучения за счет изменения поглощения.
Переключаемые поглощающие фильтры возможно реализовать за счет термотропных поляризаторов, описанных в патенте US7755829B2 [4] и используемых в жидкокристаллических дисплеях. Недостатком устройства является необходимость постоянного воздействия электрического или магнитного поля на жидкие кристаллы для сохранения заданного уровня пропускной способности в отличие от фазоизменяемых материалов, основным свойством которого является энергонезависимость.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является изобретение US9543510B2 [5]. Многослойный материал с фазовым переходом, содержащий: многослойную пленочную структуру, указанная многослойная пленочная структура, состоящая из множества периодических элементов, при этом указанные периодические элементы содержат первый однослойный пленочный материал с фазовым переходом и второй однослойный пленочный материал с фазовым переходом, при этом: указанный первый однослойный пленочный материал с фазовым переходом и указанный второй однослойный пленочный материал с фазовым переходом поочередно уложены друг на друга и находятся в контакте друг с другом; каждый из указанных первый однослойный пленочный материал с фазовым переходом и указанный второй однослойный пленочный материал с фазовым переходом могут переходить из аморфного состояния в кристаллическое состояние посредством первого электрического импульса и могут переходить из кристаллического состояния в аморфное состояние посредством второго электрического импульса; указанный первый однослойный пленочный материал с фазовым переходом состоит из первого множества химических компонентов; упомянутый второй однослойный пленочный материал с фазовым переходом состоит из второго множества химических компонентов; указанное первое множество химических компонентов такое же, как указанное второе множество химических компонентов, процентного соотношения химического состава указанного первого множества отличается от процентного соотношения химического состава упомянутого второго множества химических компонентов; кристаллическая структура упомянутого первого однослойный пленочного материала с фазовым переходом и кристаллическая структура указанного второго однослойного пленочного материала с фазовым переходом принадлежит к одной и той же решетчатой системе; а также рассогласование решетки между упомянутым первым однослойным пленочным материалом с фазовым переходом и упомянутым вторым однослойным пленочным материалом с фазовым переходом составляет менее 10%.
Общими признаками прототипа и полезной модели является использование в составе многослойной структуры комбинации пленок фазоизменяемых материалов различного химического состава. Отличительным признаком предлагаемой полезной модели является использование в многослойной структуре основы в виде теплопроводящей пластины, на одной стороне или на обеих сторонах которой расположены основные пленки из фазоизменяемого материала и дополнительные пленки из диэлектрического материала, при этом оптическая толщина дополнительных пленок составляет одну или больше четвертей длины волны электромагнитного излучения, чем обеспечивается эффективное просветление многослойной структуры в аморфном и кристаллическом фазовых состояниях основной пленки, а изменение коэффициента пропускания многослойной структуры происходит за счет поглощения электромагнитного излучения основной пленкой в кристаллическом состоянии. Оптическая толщина - это произведение геометрической толщины пленки на ее показатель преломления.
Технической задачей полезной модели является создание многослойной структуры с просветленными пленками фазоизменяемых материалов, обеспечивающей снижение потерь проходящего электромагнитного излучения.
Предлагаемая конструкция позволяет изменять пропускание основного излучения в режиме высокого быстродействия со скоростью, которая зависит только от параметров длительности воздействующего лазерного импульса и поглощающих свойств используемого фазоизменяемого материала. Для минимизации нежелательного отражения на границах используют просветляющие пленки материалов с промежуточным коэффициентом преломления подобно патенту WO1998033077A2 [6]. Такой подход позволяет повысить уровень пропускания и осуществлять контролируемую модуляцию электромагнитного излучения.
Техническим результатом является улучшение конструкции, поскольку многослойная структура с просветленными пленками фазоизменяемых материалов снижает потери проходящего электромагнитного излучения за счет минимизации отражения и снижает пропускание только за счет поглощения при фазовом переходе основного слоя в кристаллическое состояние.
Указанный технический результат достигается в результате того, что в многослойной структуре с просветленными пленками фазоизменяемых материалов, содержащей, по крайней мере, одну основную и дополнительные пленки, дополнительно введена теплопроводящая пластина, каждая из основных пленок размещена между дополнительными пленками, к одной или обеим сторонам пластины прилегает одна из сторон дополнительной пленки, одна из сторон каждой из дополнительных пленок, не прилегающих к пластине, находится в контакте с воздухом.
Основные пленки выполнены из фазоизменяемого материала с изменяемыми показателем преломления в диапазоне от 4 до 8 и коэффициентом экстинкции в диапазоне от 0 до 5, а дополнительные пленки выполнены из диэлектрического материала с постоянным показателем преломления в диапазоне от 2 до 4 и нулевым коэффициентом экстинкции, при этом оптическая толщина дополнительных пленок составляет одну или больше четвертей длины волны электромагнитного излучения, изменение коэффициента пропускания многослойной структуры происходит в результате поглощения электромагнитного излучения основной пленкой в кристаллическом состоянии.
В качестве материала основной пленки используют либо селениды, либо сульфиды, либо теллуриды, либо антимониды, либо оксиды переходных металлов, либо халькогениды переходных металлов. В качестве материала пластины и дополнительных пленок используют либо кремний, либо нитрид кремния, либо селенид цинка, либо сульфид цинка, либо фторид магния, либо оксиды переходных металлов.
На второй стороне пластины может быть нанесена, по крайней мере, одна дополнительная пленка для эффективного просветления на границе пластина-воздух. Кроме того, на второй стороне пластины возможно нанесение, по крайней мере, одной основной и двух дополнительных пленок. Основные признаки и преимущества полезной модели следуют из приведенного ниже описания исполнения, основанного на прилагаемых фигурах.
Полезная модель поясняется схематическими рисунками, представленными на фигурах.
Фиг. 1 - схематическое изображение многослойной структуры, включающая на одной стороне пластины основную и дополнительные пленки;
фиг. 2 - схематическое изображение многослойной структуры, включающая на второй стороне пластины дополнительные пленки;
фиг. 3 - схематическое изображение многослойной структуры, включающая на двух сторонах пластины основные и дополнительные пленки.
Структура содержит основную пленку 1, дополнительные пленки 2, пластину 3, при этом основная пленка из фазоизменяемого материала с изменяемым показателем преломления в диапазоне от 4 до 8 и коэффициентом экстинкции в диапазоне от 0 до 5 всегда находится в контакте с пластиной и воздухом через дополнительные пленки из материала с постоянным показателем преломления в диапазоне от 2 до 4, при этом материалы и толщины основных и дополнительных пленок выбраны так, что изменение показателя преломления и поглощения основных пленок приводит к изменению пропускания всей многослойной структуры с минимизацией отражения (фиг. 1).
Многослойная структура, включающая на одной стороне пластины 3 основную пленку 1 и дополнительные пленки 2, со второй стороны пластины просветляется, по крайней мере, одной дополнительной пленкой (фиг. 2).
Также многослойная структура может включать на двух сторонах пластины 3 основные пленки 1 и дополнительные пленки 2, при этом основная пленка всегда находится в контакте с пластиной и воздухом через дополнительные пленки (фиг. 3).
Заявленное техническое решение обеспечивает быстрое изменение пропускания многослойной структуры за счет использования просветленных пленок фазоизменяемых материалов с изменяемым показателем преломления. Заявляемая полезная модель является промышленно применимой, так как при ее реализации используют известные и апробированные компоненты, такие как оптические покрытия и фазоизменяемые материалы.
В качестве фазоизменяемых материалов могут использоваться селениды, сульфиды, теллуриды, антимониды, а также оксиды и халькогениды переходных металлов. В качестве материалов пластины и дополнительных пленок могут использоваться фторид магния, нитрид кремния, селенид цинка, сульфид цинка или оксиды переходных металлов.
Геометрические толщины всех пленок рассчитываются программными средствами для оптимизации пропускной способности в заданном диапазоне оптического излучения. В различных вариантах толщина основных слоев выбирается исходя из поглощения в кристаллическом состоянии, а оптическая толщина дополнительных пленок может составлять одну или больше четвертей длины волны электромагнитного излучения.
Пленки по настоящему техническому решению можно сформировать с помощью любого приемлемого способа, известного в данной области, например, с помощью способов химического или физического осаждения из паровой фазы, таких как вакуумное термическое испарение, напыление электронно-лучевыми или ионно-плазменными источниками.
2
2
Например, для фазоизменяемого материала теллурида германия (GeTe) на длине волны 1550 нм показатель преломления пленки увеличивается с 4 до 6,5, поэтому отражение на границах с пластиной из диоксида кремния (SiO) с показателем преломления, равным 1,5 из-за разницы в показателях преломления может достигать 50%. При переходе в кристаллическую фазу коэффициент экстинкции пленки GeTe увеличивается с 0,05 до 0,45, вследствие этого поглощение в двух состояниях различаются значительно и зависят, в том числе, от толщины пленки. Материалом для эффективного просветления может быть сульфид цинка (ZnS) с показателем преломления, равным примерно 2,28, и высокой прозрачностью. Для такой многослойной структуры толщины пленок ZnS составляют 170 нм, толщины пленок GeTe 100 и 200 нм. Первая структура с аморфной пленкой GeTe толщиной 100 нм, просветленной с двух сторон пленками ZnS, на пластине из SiO обеспечивает поглощение 4%, отражение 1% и пропускание 95%. При переходе в кристаллическое состояние поглощение увеличивается до 30%, отражение до 5%, а пропускание снижается до 65%. Вторая структура с аморфной пленкой GeTe толщиной 200 нм обеспечивает поглощение 8%, отражение 3% и пропускание 89%, но при фазовом переходе поглощение увеличивается до 51%, отражение до 6% и пропускание снижается до 43%.
Хотя данное техническое решение описано конкретным примером его реализации, это описание не является ограничивающим, но приведено лишь для иллюстрации и лучшего понимания существа технического решения, объем которого определяется прилагаемой формулой.
Источники информации:
1. RU2512089C2, Составной интерференционный фильтр с изменяемым пропусканием, МПК G02B 5/28, 10.04.2014.
2. WO2017134506A1, Optical device with thermally switching phase change material, МПК G02F 1/0147, 04.02.2016.
3. US9952096B2, Ultra-thin optical coatings and devices and methods of using ultra-thin optical coatings, МПК G01J 3/0205, 05.06.2012.
4. US7755829B2, Thermally switched reflective optical shutter, МПК E06B 9/24, 11.07.2007.
5. US9543510B2, Multi-layer phase change material, МПК H01L 45/06, 17.12.2010.
6. WO1998033077A2, Coatings, methods and apparatus for reducing reflection from optical substrates, МПК C03C 17/30, 27.01.1997.