ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ФИЛЬТР НА ОСНОВЕ НАНОКОМПОЗИТА

Полезная модель относится к области изготовления оптических просветляющих покрытий и интерференционных фильтров.
В качестве аналога взяты известные устройства типа эталонов Фабри-Перо [Скоков И.В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. - М.: Машиностроение, 1989], содержащие прозрачную плоскую диэлектрическую пластину, на противоположные поверхности которой нанесены полупрозрачные зеркальные покрытия. По принципу действия эталоны являются оптическими резонаторами со стоячей световой волной. При пропускании излучения через эталон между зеркальными покрытиями вследствие многократных отражений возникает многолучевая интерференционная картина, излучение проходит эталон только на тех длинах волн спектра, на которых между пластинами возникает резонанс, то есть, укладывается целое число полуволн. Ширина формируемой эталоном полосы спектра проходящего излучения определяется коэффициентом отражения зеркальных покрытий; при использовании металлических покрытий этот коэффициент порядка 0,9 и меньше. Недостатком данного устройства при его использовании в качестве фильтра является поглощение в металлических слоях и пониженный вследствие этого коэффициент пропускания.
В качестве прототипа взято узкополосное фильтрующее покрытие [патент РФ 2308062 от 12.05.2006] содержащее две системы чередующихся диэлектрических слоев с различающимися диэлектрическими постоянными  и  и одинаковой оптической толщиной и разделяющий их диэлектрический слой с постоянной . Каждая из периодических структур представляет собой высокоотражающий фотонный кристалл (ФК). При этом последовательность слоев в структурах определяется следующими формулами: , , где величина a задает число периодов структуры в ФК-зеркале (см. Фиг. 1).
Принцип действия прототипа состоит в следующем. С точки зрения дефектности подобная структура содержит двойной дефект - инверсию слоев и слой внедрения. Наличие дефектного слоя в периодической структуре приводит к появлению в запрещенной области спектра (фотонной запрещенной зоне) узких полос пропускания в центре фотонных зон - так называемых дефектных мод. В узком диапазоне частот коэффициент пропускания моды, соответствующей дефекту «инверсия плюс внедрение» достигает максимально возможного значения . Отмечаем, что при внедрении дефекта с той же оптической длиной, но без инверсии максимальное значение коэффициента пропускания структуры значительно ниже 1 [Ветров С.Я., Шабанов А.В., ЖЭТФ, 120, c. 1126-1134 (2001)].
Недостатком данного оптического фильтра является отсутствие чувствительности к поляризации светового излучения. Для устранения указанного недостатка предложена данная полезная модель.
Основной целью является разработка поляризационно-чувствительного оптического фильтра.
Технический результат: изменение коэффициентов пропускания структуры для компонент проходящего излучения с различной поляризацией.
Технический результат достигается за счет внедрения в структуру диэлектрического слоя, в котором расположены металлические наночастицы в форме эллипсоидов вращения с одинаковой ориентацией главных осей.
Описание полезной модели.
Рассмотрим периодическую структуру с дефектом, аналогичную прототипу, в которую в качестве дефектного слоя внедрен нанокомпозит, состоящий из диэлектрической матрицы, в объеме которой равномерно распределены металлические наночастицы в форме эллипсоидов вращения. Предполагается, что наночастицы имеют сплюснутую форму, то есть характеризуются аспектным отношением , где a и b - длины полярной и экваториальной полуосей соответственно.  Оси вращения всех эллипсоидных наночастиц направлены вдоль оси X, перпендикулярной направлению периодичности структуры. Способ изготовления такого накомпозита известен [Wang D., Guo S., Yin S. Fabrication of Ag-doped polarizing glass by a sol-gel method // Opt. Engeneering., 42, p. 3585-3588 (2003)].  Используемая технология изготовления образцов нанокомпозита [U.S. Patent No. 4,486,213 (1984)] гарантирует высокую степень ориентационной упорядоченности включений и однородность заполнения ими объема матрицы.
Подобный нанокомпозит обладает свойствами одноосного кристалла и его эффективная диэлектрическая проницаемость в главных осях представляется в виде диагонального тензора с компонентами  и . Магнитные проницаемости всех слоев структуры можно считать равными единице. Частотные зависимости действительной и мнимой частей компонент эффективной диэлектрической проницаемости нанокомпозитной среды имеют резонансный характер. При этом резонансные частоты проницаемостей  и  различаются, что приводит, в конечном счете, к зависимости оптических свойств нанокомпозита от поляризации распространяющейся волны. Схема слоисто-периодической структуры с дефектом из нанокомпозита и рассматриваемые направления осей показаны на Фиг. 2.
Предлагаемая модель представляет собой периодическую структуру, оптические толщины диэлектрических слоев в которой одинаковы, т.е. , а оптическая толщина нанокомпозитного слоя равна . При указанных толщинах слоев спектральная линия дефектной моды располагается в центре запрещенной фотонной зоны бездефектной структуры.
Нанокомпозит представляет собой непоглощающий диэлектрик с диэлектрической проницаемостью , по объему которого равномерно распределены наночастицы серебра. Наночастицы серебра имеют форму сплюснутых эллипсоидов вращения с длинами полуосей нм и  нм (аспектное отношение ). Объемная доля серебряных наночастиц составляет  0.001.
2
2
На Фиг. 3 представлены частотные зависимости коэффициентов пропускания T (сплошная линия) и отражения R (пунктирная линии) дефектной слоисто-периодической структуры  с диэлектрическими проницаемостями слоев  (TiO),  (SiO) при различных значениях эффективной проницаемости дефектного слоя. Фиг (а) соответствует дефектному слою с действительной проницаемостью равной проницаемости матрицы  (нерезонансный случай), (б) отвечает случаю при котором  (резонансное значение проницаемости). Приведенные зависимости относятся к первой фотонной зоне непрозрачности с центральной частотой  (соответствует длине волны в вакууме  нм) и толщинами слоев =79 нм, =50 нм, =157 нм (оптическими толщинами  нм). Отмечаем, что в резонансном случае на указанной частоте наблюдается практически полное подавление прозрачности для волны с соответствующим типом поляризации, т.е. с компонентами , и появление двух симметрично расположенных пиков с невысокой прозрачностью структуры на смещенных частотах. Для волны ортогональной поляризации, то есть для волны с компонентами (), спектры  и  являются практически такими же, как и для структуры с нерезонансным дефектом. На частоте  коэффициент пропускания волны этой поляризации практически равен единице. Связано это с тем, что в указанной области частот с большой степенью точности .
Для волны с поляризацией () также возможно создать структуру с резонансными характеристиками. В этом случае , и чтобы резонансная частота нанокомпозита  совпадала с центральной частотой фотонной запрещенной зоны, толщины диэлектрических слоев должны иметь значения = 62 нм, = 40 нм, = 124 нм (им отвечают оптические толщины  нм). Спектры пропускания и отражения, отвечающие первой фотонной зоне структуры , для  волны с поляризацией () имеют вид, представленный на Фиг. 4. Видно, что на центральной частоте имеет место практически полное подавление прозрачности структуры. Для волны с ортогональной поляризацией  на частоте  сохраняется полная прозрачность структуры.
Параметры нанокомпозита и фотонно-кристаллической структуры могут быть подобраны таким образом, чтобы резонансные частоты  и  совпадали с центральными частотами соседних фотонных зон непропускания ( и ). На Фиг. 5 приведены спектры пропускания и отражения периодической структуры в условиях, когда световой вектор падающей волны ориентирован поперек (а) и вдоль (б) оптической оси нанокомпозита.
Материальные параметры структуры выбраны такими же, как и на Фиг. 3, 4, а реальные толщины составляют , ,  (оптические толщины нм). Параметры подобраны так, что для каждой из поляризаций волны возбуждается один из двух плазмонных резонансов наночастиц, что приводит к подавлению дефектной моды на соответствующей резонансной частоте, т.е. в соответствующей фотонной зоне. При выбранных толщинах слоев указанные соседние фотонные зоны имеют номера 7 и 9, поскольку при равенстве оптических толщин слоев слоисто-периодической структуры в спектрах пропускания и отражения реализуются только нечетные зоны.
Из представленных на Фиг. 5 зависимостей видно, что смена поляризации волны на ортогональную приводит к смене фотонной запрещенной зоны, в которой подавляется дефектная мода, соответствующая прозрачности структуры. Это свойство рассмотренной периодической структуры может быть использовано для поляризационного управления лазерным излучением.
Таким образом, после введения в фотонно-кристаллическую структуру дефектного слоя из нанокомпозитного материала ее спектры пропускания и отражения становятся поляризационно-чувствительными, и технический результат достигается.