Составной интерференционный фильтр

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности к устройствам, позволяющим производить высокоскоростную перестраиваемую фильтрацию лазерного излучения среднего и дальнего инфракрасного диапазона длин волн, и может быть использовано во всех областях промышленности, науки, техники, где используются спектральные методы фильтрации.
Широко известны способы спектральной фильтрации оптического излучения, основанные на явлении интерференции при взаимодействии светового потока и многослойных структур с периодически меняющимся значением коэффициента преломления от слоя к слою [1,2]. При этом показатели преломления слоев постоянные, поэтому оптическая характеристика покрытия, а именно зависимости энергетических коэффициентов пропускания и отражения от длины волны меняются только при изменении угла падения на такие фильтры путем смещения спектра, за счет чего и создается большинство устройств фильтрации, которые используют в своей конструкции различные электромеханические преобразователи.
Известны перестраиваемые по длинам волн устройства для фильтрации излучений, представляющие собой интерферометры Фабри-Перо с очень малым промежутком между зеркалами - порядка длины волны фильтруемого излучения [3]. По мере уменьшения промежутка между зеркалами увеличивается постоянная интерферометра. Полосы пропускания интерферометра раздвигаются по спектру и уширяются, при этом контраст, относительная ширина и пропускание в максимумах полос остаются неизменными, поскольку они зависят только от свойств зеркальных покрытий. Покрытия зеркал интерферометров должны иметь высокое отражение и небольшое заданное пропускание в рабочем интервале длин волн, при этом покрытия не должны поглощать падающее излучение. Покрытия могут быть как металлическими, так и многослойными диэлектрическими. Диэлектрические покрытия имеют максимальное отражение в сравнительно узком интервале длин волн и поэтому их нельзя использовать для построения интерферометров с широким по длинам волн диапазоном перестройки. Коэффициенты отражения зеркал с металлическими покрытиями слабо зависят от длины волны.
Недостаток интерферометров с расстояниями между зеркалами порядка длины волны, имеющих зеркала с частично-прозрачными металлическими покрытиями, связан с тем, что эти зеркала имеют заметное поглощение, в результате чего резко уменьшается пропускание интерферометров в максимумах полос и увеличивается ширина полосы пропускания [4].
Еще одним существенным недостатком таких интерферометров является то, что они нуждаются в подавлении коротковолновой и длинноволновой полос. Которое обычно осуществляется специальными абсорбционными фильтрами или поглощением материала подложки. Этот недостаток становится особенно существенным при работе в средней инфракрасной области спектра от 8 до 12 мкм, поскольку в этом случае требуется глубокое охлаждение до 77 К абсорбционных фильтров.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является изобретение [5]. Составной интерференционный фильтр, включающий: первый полосно-пропускающий интерференционный фильтр, содержащий первый диэлектрический слой, расположенный между двумя отражающими слоями, при этом указанный первый полосно-пропускающий интерференционный фильтр имеет полосу пропускания, центрированную на заданной длине волны и при заданном угле, и имеет первое смещение полосы пропускания; второй полосно-пропускающий интерференционный фильтр, содержащий второй диэлектрический слой, расположенный между двумя отражающими слоями, при этом второй полосно-пропускающий интерференционный фильтр имеет полосу пропускания, центрированную на заданной длине волны и при заданном угле, и имеет второе смещение полосы пропускания, отличное от первого смещения полосы пропускания; и разделительную прокладку, расположенную между указанными первым и вторым полосно-пропускающими интерференционными фильтрами, при этом отличие между первым смещением полосы пропускания и вторым смещением полосы пропускания приводит к уменьшению количества видимого света, пропускаемого через указанный составной интерференционный фильтр под углом 45° к указанному заданному углу, по отношению к количеству видимого света, пропускаемого под заданным углом через указанный составной интерференционный фильтр.
Общими признаками прототипа и полезной модели является использование в качестве фильтра комбинации интерференционных покрытий с чередующимися слоями диэлектрических материалов с постоянными показателями преломления. Отличительным признаком предлагаемой полезной модели является использование в фильтре слоев, состоящих из фазоизменяемых материалов с изменяемым показателем преломления за счет воздействия регулирующего лазерного излучения на эти слои, в результате чего производится управление величиной пропускания, в отличие от прототипа, где коэффициент пропускания меняется в зависимости от угла падения излучения на фильтр. Недостатком такого подхода является прямая зависимость скорости изменения величины и полосы пропускания от параметров электромеханических устройств, осуществляющих изменение угла.
Технической задачей полезной модели является создание фильтра, способного регулировать пропускание основного излучения в режиме высокого быстродействия со скоростью, которая зависит только от параметров длительности импульса регулирующего лазерного воздействия и свойств фазоизменяемых материалов.
Техническим результатом является упрощение конструкции, поскольку фильтр в отличие от прототипа не меняет своего физического расположения относительно основного излучения, подвергающегося фильтрации.
Указанная техническая задача и получаемый технический результат достигаются в результате того, что составной интерференционный фильтр, имеющий несколько слоев, содержит чередующиеся основные слои, выполненные из фазоизменяемых материалов с высоким изменяемым показателем преломления в диапазоне от 2 до 6,5 и дополнительные слои, выполненные из материалов с низким постоянным показателем преломления в диапазоне от 1,3 до 2, при этом материалы слоев фильтра выбраны так, что изменение показателя преломления основных слоев под воздействием регулирующего лазерного излучения приводит к изменению интенсивности основного излучения, пропускаемого через фильтр. Основные слои выполнены из одного или нескольких фазоизменяемых материалов с изменяемыми показателями преломления, причем в качестве фазоизменяемого материала используют селениды, теллуриды, антимониды, а также оксиды и халькогениды переходных металлов. В качестве материалов дополнительных слоев используют оксиды кремния, алюминия, магния, гафния или фторид магния.
Основные признаки и преимущества полезной модели следуют из приведенного ниже описания исполнения, основанного на прилагаемых фигурах.
Полезная модель поясняется схематическими рисунками, представленными на фигурах:
на Фиг. 1 - схематическое изображение фильтра при воздействии регулирующего излучения под углом к поверхности активного покрытия;
на Фиг. 2 - схематическое изображение фильтра при воздействии регулирующего излучения со стороны пластины;
на Фиг. 3 - схематическое изображение фильтра при воздействии регулирующего излучения с торца активного покрытия;
на Фиг.4 - схематическое изображение активного покрытия, которое состоит из слоев на основе фазоизменяемых материалов с изменяемыми показателями преломления в комбинации с дополнительными слоями с постоянным показателем преломления;
на Фиг. 5 - схематическое изображение активного покрытия, которое состоит из слоев на основе фазоизменяемых материалов с изменяемыми показателями преломления в комбинации с дополнительными слоями с постоянным показателем преломления, при этом дополнительные слои активного покрытия фильтра могут быть чередующимися с высоким и низким постоянным показателем преломления;
на Фиг. 6. - схематическое изображение фильтра при воздействии регулирующего излучения с торца активного покрытия на слои, состоящие из фазоизменяемых материалов, по отдельности наборным блоком лазерных излучателей.
Устройство содержит активное покрытие 1, пластину 2, регулирующее лазерное излучение 3, при этом основное излучение 4 проходит через активное покрытие 1 и пластину 2, а выходное излучение 5 приобретает необходимую величину пропускания за счет отражения и/или поглощения остального излучения в фильтре. Активное покрытие 1 содержит чередующиеся основные слои, выполненные из фазоизменяемых материалов с высокими заменяемым показателем преломления в диапазоне от 2 до 6,5 и дополнительные слои, выполненные из материалов с низким постоянным показателем преломления в диапазоне от 1,3 до 2, при этом материалы слоев фильтра выбраны так, что изменение показателя преломления основных слоев под воздействием регулирующего лазерного излучения приводит к изменению интенсивности основного излучения, пропускаемого через фильтр.
Основные слои активного покрытия 1 выполнены из одного или нескольких фазоизменяемых материалов с изменяемыми показателями преломления. Конструкция активного покрытия 1 представляет собой чередующиеся N раз пары слоев, в которой первый слой «а» состоит из фазоизменяемого материала с изменяемыми показателями преломления, а второй слой «b» состоит из материала с постоянным показателем преломления (фиг. 4).
Также конструкция активного покрытия 1 может представлять чередующиеся N раз пары слоев, в которой первый слой «а» состоит из фазоизменяемого материала с изменяемыми показателями преломления, а второй слой «b» состоит из материала с постоянным показателем преломления, при этом имеются дополнительные чередующиеся «М» раз пары слоев, в которой первый слой «с» состоит из материала с высоким постоянным показателем преломления, а второй слой «d» состоит из материала с низким постоянным показателем преломления (фиг. 5).
Устройство работает следующим образом. Начальная установка регулирующего лазерного излучения 3 задается параметрами мощности и длительности импульсов для обеспечения фазового перехода и изменения показателя преломления слоев активного покрытия 1, состоящих из фазоизменяемых материалов. Таким образом, на основании программных расчетов зависимостей величины пропускания от длины волны для различных комбинаций слоев интерференционного фильтра возможно фильтровать основное излучение 4 и на выходе из фильтра получать требуемые параметры пропускания выходного излучения 5. При этом скорость изменения величины пропускания зависит только от параметров длительности импульса регулирующего лазерного излучения и длительности фазового перехода используемых материалов, на которые оказывается воздействие. Пластина 2 при этом используется как подложка-основание для многослойного покрытия и как теплоотводящий элемент.
Изменение оптических свойства активного покрытия 1 возможно при воздействии регулирующего лазерного излучения 3 под углом к поверхности активного покрытия (фиг. 1). При этом основное излучение 4 проходит сначала через активное покрытие 1, далее через пластину 2, а выходное излучение 5 приобретает необходимую величину пропускания.
Также возможно изменение оптических свойств активного покрытия 1 при воздействии регулирующего лазерного излучения 3 со стороны пластины 2 (фиг. 2). При этом основное излучение 4 проходит сначала через пластину 2, далее через активное покрытие 1, а выходное излучение 5 приобретает необходимую величину пропускания.
Также возможно изменение оптических свойств активного покрытия 1 при воздействии регулирующего лазерного излучения 3 одним лазерным излучателем с торцов активного покрытия 2 (фиг. 3). При этом основное излучение 4 проходит сначала через активное покрытие 1, далее через пластину 2, а выходное излучение 5 приобретает необходимую величину пропускания.
Возможно изменение оптических свойств активного покрытия 1 при воздействии регулирующего лазерного излучения 3 наборным блоком лазерных излучателей с торцов на отдельные слои, состоящие из фазоизменяемых материалов (фиг. 6). При этом основное излучение 4 проходит сначала через активное покрытие 1, далее через пластину 2, а выходное излучение 5 приобретает необходимую величину пропускания.
Заявленное техническое решение обеспечивает быстрое изменение оптических свойств интерференционного фильтра за счет использования слоев на основе фазоизменяемых материалов с изменяемым показателем преломления. Заявляемая полезная модель является промышленно применимой, так как при его реализации используют известные и апробированные компоненты, такие как источники лазерного излучения, оптические покрытия и фазоизменяемые материалы (PhaseChangeMaterial-РСМ) [6].
В качестве фазоизменяемых материалов могут использоваться селениды, теллуриды, антимониды, а также оксиды и халькогениды переходных металлов. Дополнительные слои с постоянным показателем преломления могут содержать следующие материалы: оксиды кремния, титана, алюминия, тантала, гафния, циркония, ниобия, а также нитрид кремния, селенид цинка и сульфид цинка. Предпочтительными являются пары диэлектриков, показатели преломления которых значительно отличаются друг от друга.
Толщины всех слоев рассчитываются программными средствами для обеспечения требуемого эффекта фильтрации. В различных вариантах осуществления толщина слоев может составлять две или больше четвертей волны. Слои фильтра по настоящее полезной модели могут иметь любую приемлемую комбинацию высоких и низких показателей преломления.
Слои по настоящему изобретению можно сформировать с помощью любого приемлемого способа, известного в данной области, например, с помощью способов химического или физического осаждения из паровой фазы, таких как термовакуумное испарение или напыление. Различные технологии создания слоев описаны в [7].
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. Путилин Э.С. Оптические покрытия // Учебное пособие. Санкт-Петербург.2010.
2. Furman Sh. and Tikhonravov A.V., Basics of optics of multilayer systems, Editions Frontiers, Gif-sur Yvette, 1992.
3. Зайдель A.H., Островская Г.В., Островский Ю.И. // Техника и практика спектроскопии, Из-во «Наука», Москва, 1976. С. 241-243. Н.И. Калитеевский // Волновая оптика. Москва, из-во «Наука», 1971. с. 194-195.
4. Калитеевский Н.И.// Волновая оптика. Москва, из-во «Наука», 1971, С. 194-195.
5. Патент RU 2.512.089, «Составной интерференционный фильтр с изменяемым пропусканием», МПК G02B 5/28, опубл. 10.04.2014 г.
6. Kolobov А.V., Makino К., Kato К., Saito Y., Fons P., Tominaga J., Nakano Т., Nakajima M. Switching of the optical properties of Ge2Sb2Te5 phase change material in the terahertz frequency region //В сборнике: 2019 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 2019.
7. Справочник по процессам и оборудованию для осаждения тонких пленок, под редакцией Клауса К. Шуграфа, издательство Нойес (Handbook of Thin-Film Deposition Processes and Techniques, edited by Klaus K. Schuegraf. NoyesPublications).