Графеновый плёночный светоделитель
GRAPHENE FILM BEAM SPLITTER

Настоящее техническое решение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для создания оптических интерферометров различных типов, например Тваймана-Грина и Майкельсона. Так, в астрономической оптике, изготовление неравноплечего интерферометра Тваймана-Грина с широким пучком для юстировки и контроля современных светосильных широкоугольных телескопов требует применения особого светоделительного элемента, поскольку широкоупотребляемый светоделительный кубик будет вносить значительную сферическую аберрацию в интерферограмму. В качестве такого элемента прекрасно работает плёночный светоделитель.
Известен плёночный светоделитель и способ его изготовления (патент США US3438694A) [1], представляющий собой рамку с нанесённой на ней тонкой органической плёнкой, покрытой светоотражающим слоем или без него. Изготовление плёночного светоделителя с моно- или мультимолекулярной органической плёночной мембраной возможно по технологии Лэнгмюра-Блоджетт.
По сравнению с другими типами светоделительных устройств, главное достоинство плёночных свеотделителей состоит в том, что за счёт малой толщины плёнки, составляющей порядка длины волны в видимой области спектра, разность хода лучей минимальна и вносимые аберрации, преимущественно хроматическая и сферическая для сфокусированных пучков, также ничтожно малы. При работе плёночного светоделителя полностью отсутствуют переотражения от вспомогательных оптических поверхностей, так называемые "духи". Это даёт возможность качественно улучшить характеристики интерферометрических приборов, построенных на основе плёночного светоделителя.
Структура заявляемого устройства сходна с плёночным светоделителем [2]. На основе этого изобретения многими фирмами серийно выпускаются плёночные светоделители [3, 4], обладающие, однако, невысокой точностью порядка 1/2λ, изготовленные на базе алюминиевого основания и органической нитроцеллюлозной светоделительной плёнки со светоотражающим покрытием или без него. Светоделители без дополнительного отражающего покрытия имеют широкий спектральный диапазон, 300нм…5мкм, и специфичный коэффициент деления, порядка 8:92%. Светоделители с отражающим покрытием имеют более узкую полосу пропускания и коэффициент деления от 33/67%, в идеальном случае составляющий 50/50%. По индивидуальным заказам выпускаются также качественные плёночные светоделители, отличающиеся кольцевым основанием, рабочая плоскость которого выполнена из ситалла или кварца с высокой точностью, полностью определяющей точность рабочего оптического элемента - плёночной мембраны.
Общим недостатком этих конструкций является малая механическая жёсткость органической плёночной мембраны, невысокая атмосферная стойкость и крайне высокая её чувствительность к возмущениям окружающего воздуха, таким как звук и воздушные потоки, вызывающим так называемый "микрофонный эффект", проявляющийся в шумах, дрожании изображения и искажениях волнового фронта. Типичные тонкие плёнки, применяемые для изготовления светоделителей методом переноса с границы раздела жидкость-газ, создаются на основе нитрата целлюлозы и её сополимеров - ацетата целлюлозы, ацетопропионата целлюлозы, ацетобутирата целлюлозы. Эти полимеры имеют весьма малый модуль упругости E=1,4…4 ГПа [5].
Одним из способов подавления этого негативного эффекта может служить улучшение механической жёсткости мембраны плёночного светоделителя. Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в поиске и замене материала мембраны плёночного светоделителя для улучшения его механической жёсткости.
Данный результат достигается за счет замены нежёсткой органической плёнки светоделителя на одно- или многослойный графен, обладающий крайне малой толщиной и высокой механической жёсткостью. Быстрое развитие технологии производства графена создаёт благоприятные предпосылки для реализации заявленного устройства.
Известно, что однослойный графен обладает следующими 3D-параметры упругости [6]:
3D
• модуль Юнга E = 1,0± 0,1 TПa;
3D
• модуль упругости 3-го порядка D= -2± 0,4 TПa;
3D
• прочность на разрыв σ=130 ГПa;
• относительная деформация ε = 0,25;
• эффективная толщина 0,335нм.
6
Для двухлойного графена модуль Юнга также близок к 1 TПа. В работе [7] приводятся обзорные данные, рассчитанные различными методами и полученные экспериментально по модулю Юнга и коэффициенту Пуассона. Согласно этим данным, значение трехмерного модуля Юнга для графена (С) варьируется в пределах от 0,96 до 1,05 ТПа, а значение коэффициента Пуассона - от 0,17 до 0,22. О механических свойствах многослойных графеновых мембран сообщается в работе [8].
Параметры упругости приведены в 3D-приближении для возможности сравнения их свойств со свойствами полимерной плёнки в устройстве-прототипе. Можно видеть, что модуль упругости графена на три порядка выше, чем у полимерных плёнок, применяемых в прототипе. При прочих равных условиях, на эту же величину уменьшатся деформации графеновой светоделительной мембраны при акустическом воздействии, снизится микрофонный эффект, повысится помехозащищённость устройства.
6
Классический графен (С) прозрачен во всем диапазоне длин волн видимого света и ближней части ИК-излучения, имея показатель преломления, изменяющийся в интервале от n=1,6 (при λ = 405 нм) до n=2,5 (при λ = 1060 нм). Высшие графены имеют узкие зоны непрозрачности в оптическом диапазоне [9].
Коэффициент фотопоглощения для одного слоя графена составляет 2,3% а коэффициент отражения составляет всего 0,1% [10]. В многослойном графене эти параметры меняются увеличиваются, кратно числу слоёв [10]. Такие оптические свойства графена делают возможным его применение в заявляемом устройстве.
Интерференционный эффект [3], присущий плёночным светоделителям, и проявляющийся как модуляция интенсивности света, проходящего через тонкую плёнку, в заявляемом графеновом светоделителе будет зависеть от толщины графеновой мембраны и (при его наличии) - от толщины и свойств дополнительного отражающего слоя (слоёв), от угла падения и поляризации падающего пучка, ширины полосы излучения. Ожидается, что в графеновом светоделителе без дополнительных отражающих слоёв интерференционный эффект может быть значительно снижен для видимого и ближнего ИК диапазонов.
Заявляемый графеновый плёночный светоделитель состоит из кольцевого основания круглой или эллиптической формы с полированным базовым торцем и нанесённого на базовый торец плёночного светоделительного элемента в виде мембраны из графена. Основание светоделителя выполнено из материала с низким или околонулевым температурным коэффициентом линейного расширения, например ситалла или карбида кремния. Базовый торец основания отполирован с высокой плоскостностью, среднеквадратическое отклонение от плоскости не менее λ/20 и параметр шероховатости поверхности Ra≈5нм. Плоскостность кольцевого базового основания является определяющим фактором качества светоделительного элемента. На поверхность базового торца нанесён графеновый светоделительный элемент в виде мембраны, полностью перекрывающей окно. Графеновая мембрана может быть одно- или многослойной. Общий коэффициент светоделения можно дискретно варьировать числом слоёв графена, толщиной и свойствами дополнительного отражающего покрытия. Поскольку светоделитель работает в наклонном пучке с углом 45°, характеристики графенового светоделителя с дополнительным отражающим покрытием рассчитываются с учётом Рамановского рассеивания и нелинейных оптических эффектов [11].
Улучшение характеристик графенового плёночного светоделителя по сравнению с известными прототипами на основе органических плёнок достигается значительным уменьшением толщины светоделительной плёночной мембраны, а также уникальными механическими и оптическими свойствами графена, из которого она изготовлена. Применение графеновой мембраны в конструкции плёночного светоделительного элемента позволяет, при необходимости, полностью исключить применение органических материалов в конструкции и даёт возможность применения в вакууме, при криогенных температурах и в особо чистых средах.
Изобретение создано в рамках работ по Соглашению с Минобрнауки России № 075-15-2019-1716 от 20.11.2019, уникальный идентификатор соглашения RFMEFI61319X0093.
Литература
1. US Patent 3438694, L.R. Reid et all, 15.04.1969
2. European Patent Office, patent EP2271959A4, Jong-Souk YeoSagi V MathaiMichael Renne Ty Tan, 2008.
3. https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=898&gclid=EAIaIQobChMI76alkfST7AIVNQCiAx192AsdEAAYASAAEgLrwfD_BwE
4. https://www.edmundoptics.com/f/pellicle-beamsplitters/12443/
5. http://eklip.ru/index.php/atsetattsellyuloznye-plastiki?limitstart=0
6. Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene, C. Lee, X.Wei, J.W. Kysar, J. Hone, SCIENCE 321(18) JULY 2008 p. 385
7. Fthenakis, Z. G. Graphene allotropes under extreme uniaxial strain: an ab initio theoretical study / Z. G. Fthenakis, N. N. Athitakis //Phys. Chem. Chem. Phys. - 2015. - V. 17. - P. 16418-16427.
8. Nanomechanical properties of few-layer graphene membranes. M. Poot, H.S.J. van der Zant - Applied Physics Letters, 2008.
9. Р.А. Браже, А.И. Кочаев, Р.М. Мефтахутдинов. Акустические и оптические свойства графенов. Инжиниринг и технологии. - 2016. - Vol. 1(1)
10. R. R. Nair, P. Blake, A. N. Grigorenko, K. S. Novoselov, T. J. Booth, T. Stauber, N. M. R. Peres, A. K. Geim at all. Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene. Science 06 Jun 2008:Vol. 320, Issue 5881, pp. 1308.
11. С.И. Расмагин, Л.А. Апресян, В.И. Крыштоб. О специфике измерений параметров слаборассеивающих нанообъектов на плоских подложках. Прикладная физика, 2017, № 2