ОТРАЖАЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ Российский патент 2005 года по МПК G02B5/08 G02B5/28 G02B5/26 

Изобретение относится к интерференционным покрытиям и, в частности, может быть использовано в оптическом приборостроении для широкополосного отражения света.

Известно широкополосное многослойное зеркало [А.с.СССР №1062636, кл. G 02 B 5/28, Бюл. №47 от 23.12.83], содержащее подложку с расположенным на ней многослойным покрытием, представляющим собой систему элементарных зеркал, состоящих из чередующихся слоев с высоким и низким показателями преломления, при этом оптические толщины слоев в элементарном зеркале связаны между собой определенными соотношениями, средняя оптическая толщина слоя в элементарном зеркале возрастает по мере увеличения его номера, диапазон изменения средней толщины слоя определяется интервалом длин волн высокого отражения, а количество элементарных зеркал определяется по формуле, связывающей его с граничными длинами волн и показателями преломления слоев. Для получения высокого коэффициента отражения покрытие такого зеркала должно содержать большое (более 20) количество слоев.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является многослойное интерференционное покрытие [Н.А. Macleod, Thin-film optical filters, Adam Hilger Ltd.: London, 1969, p. 149-151 (прототип)], имеющее конструкцию A(ABCBA)^K, в которой А, В и С - материалы соответственно с низким, средним и высоким показателями преломления, К=10, а оптическая толщина каждого слоя равна λ₀/10, где λ₀ - длина волны середины области с высоким отражением. При таком порядке чередования слоев спектральные области высокого отражения получаются узкими.

Техническим результатом изобретения является расширение области спектра с высоким коэффициентом отражения.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в отражающем покрытии, состоящем из системы чередующихся слоев А, В и С, оптическая толщина каждого из которых равна 0.25λ₀, где λ₀ - длина волны центра полосы отражения, а величины показателей преломления слоев соотносятся как n_A<n_B<n_C, новым является то, что последовательность чередования слоев выбрана как (СВСАВА)^KСВС, где К≥1 - целое число.

Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что оптическая толщина слоев составляет 0.25λ₀, а не 0.1λ₀, и последовательность чередования слоев (СВСАВА)^KСВС, а не A(ABCBA)^K.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображена конструкция заявляемого отражающего покрытия (Фиг.1), микрополосковые модели интерференционных покрытий (Фиг.2, 4) и их спектральные (амплитудно-частотные) характеристики (Фиг.3, 5), поясняющие принцип работы заявляемого покрытия.

Заявляемое покрытие содержит слои, каждый из которых выполнен из прозрачного в интервале рабочих частот (длин волн) материала (А, В и С на Фиг.1), причем оптическая толщина слоев равна 0.25λ₀, где λ₀ - длина волны в центре спектрального интервала с высоким коэффициентом отражения, а показатели преломления такие, что n_А<n_B<n_C. Последовательность чередования слоев (CBCABA)^KCBC, где K≥1. Изображенная на Фиг.1 конструкция соответствует К=1.

Отражающее покрытие работает следующим образом.

Как и в случае покрытий типа АВ, состоящих из чередующихся слоев с различными показателями преломления n_А и n_B, благодаря явлению интерференции электромагнитное излучение, падающее на покрытие под углом, близким к нормали, испытывает отражение в интервале длин волн, центр которого приходится на длину волны λ₀, четверть которой равна оптической толщине слоев покрытия, а ширина интервала тем больше, чем больше отношение показателей преломления. Благодаря предлагаемой последовательности чередования слоев покрытия спектральная полоса с высоким коэффициентом отражения в нем существенно шире, чем в обычном покрытии, состоящем из слоев двух типов, и даже при К=1, т.е. числе слоев 9, достигается высокий (более 99%) коэффициент отражения.

Вышесказанное можно проиллюстрировать, используя микрополосковые модели [Б.А.Беляев, А.С.Волошин, В.Ф.Шабанов, Доклады Академии Наук, 2004, Т. 395, №6, с.756-760; Н.Kitahara, Т.Kawaguchi, J. Miyashita, M. Wada Takeda, Journal of the Physical Society of Japan, 2003, Vol. 72, No. 4, p. 951-955] одномерных сверхрешеток (фотонных кристаллов), частным случаем которых являются интерференционные покрытия. Применимость подобных моделей для анализа распространения электромагнитных волн в сверхрешетках основывается на том, что в микрополосковых линиях (МПЛ) передачи распространяются поперечные электромагнитные волны, и эффективная диэлектрическая проницаемость отрезка МПЛ зависит от ширины ее полоскового проводника. МПЛ представляет собой подложку (пластину) из диэлектрика с малыми потерями, одна сторона которой полностью металлизирована и играет роль заземляемого основания (заземленной плоскости), а на второй стороне подложки нанесен полосковый проводник [Справочник по элементам полосковой техники. Под ред. А.Л.Фельдштейна. - M.: Связь, 1979. 336 с.; В.Фуско. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование. M.: Радио и связь, 1990. 288 с.]. На Фиг.2 изображена топология полосковых проводников микрополосковой модели простого интерференционного покрытия типа АВ, состоящего из девяти слоев. Широкие отрезки МПЛ, их эффективная диэлектрическая проницаемость выше, моделируют слои с высоким показателем преломления, а узкие отрезки МПЛ, их эффективная диэлектрическая проницаемость ниже, моделируют слои с низким показателем преломления. При этом электрические длины отрезков МПЛ, образующих модель, являются аналогами оптических толщин слоев в интерференционной системе и равны между собой. На Фиг.3 приведена типичная частотная зависимость коэффициента отражения микрополосковой модели простого отражающего покрытия, рассчитанная в квазистатическом приближении [Г.Л.Маттей, Л.Янг, Е.М.Т. Джонс. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи, Т. I, М.: Связь, 1971, 440 с.]. На ней полосы пропускания чередуются с полосами отражения. Причем полосы пропускания эквидистантны по шкале частот. Полосы отражения будут тем шире, чем больше отношение ширин отрезков МПЛ, образующих модель. Как упоминалось выше, эффективная диэлектрическая проницаемость отрезка МПЛ тем больше, чем он шире, поэтому такое поведение полос отражения микрополосковой модели аналогично поведению полос отражения интерференционной системы типа АВ, полосы отражения которой тем шире, чем больше отношение показателей преломления слоев.

Полосы пропускания в мирополосковой структуре формируются резонансами в ней. Первая полоса пропускания, начинающаяся от нулевой частоты, формируется так же, как и в фильтре нижних частот - по своей структуре такая микрополосковая модель представляет собой типичный фильтр нижних частот. Вторая полоса пропускания формируется полуволновыми резонансами в каждом из отрезков МПЛ, составляющих модель. Т.е. на длине каждого отрезка МПЛ укладывается половина длины волны колебания, соответствующего центральной частоте этой полосы. Третья полоса пропускания формируется двухполуволновыми резонансами, и т.д. И, таким образом, каждый из отрезков МПЛ, моделирующий диэлектрический слой, представляет собой полуволновый резонатор, а вся микрополосковая структура в целом - систему из взаимодействующих резонаторов. Вторая полоса пропускания соответствует первой моде колебаний в резонаторах, третья полоса пропускания - второй моде и т.д.

С точки зрения электродинамики, диэлектрический слой представляет собой одномерный диэлектрический резонатор, а система из нескольких слоев с различными значениями диэлектрической проницаемости представляет собой систему взаимодействующих резонаторов. Это еще один аргумент в пользу применимости микрополосковых моделей интерференционных покрытий для анализа прохождения электромагнитных волн в последних. Подобный анализ, проведенный на моделях интерференционных покрытий, состоящих из слоев двух типов (Фиг.2), показал, что расширение полос отражения в них возможен только за счет сужения полос пропускания, что имеет свои ограничения.

В отличие от простой интерференционной системы, состоящей из слоев двух типов, в системе, состоящей из слоев трех типов, т.е. трех различных показателей преломления, появляется возможность расширения полосы отражения за счет сдвига полос пропускания. На Фиг.4 приведена топология полосковых проводников микрополосковой модели заявляемого покрытия, а на Фиг.5 - частотная характеристика ее коэффициента отражения. Из Фиг.5, в сравнении с Фиг.3, видно, что действительно полоса отражения в этом случае расширилась за счет смещения второй и третьей полос пропускания в противоположные стороны. При этом пропускание в третьей полосе пропускания существенно понизилось. Все это происходит благодаря тому, что в такой микрополосковой модели отдельные полуволновые резонаторы состоят из трех отрезков МПЛ. Такие резонаторы получили название “резонаторы со скачком волнового сопротивления” [Б.А.Беляев, В.В.Тюрнев, Ю.Г.Шихов. Электронная Техника. Сер. СВЧ-Техника, 1997, вып.2(470), с.20-24]. Их характерной особенностью является то, что они имеют неэквидистантный спектр собственных колебаний за счет того, что одни моды колебаний в них (например, нечетные) понижаются по частоте, а другие (например, четные) - повышаются. На Фиг.4, где приведена топология полосковых проводников микрополосковой модели заявляемого покрытия, штриховыми линиями показано разделение структуры на отдельные полуволновые резонаторы. По аналогии, заявляемое покрытие можно трактовать как состоящее из 2К+1 составных слоев, каждый из которых состоит из трех подслоев, отличающихся величиной диэлектрической проницаемости (показателями преломления).

Благодаря такой структуре покрытия при увеличении различия в показателях преломления слоев ширина полосы отражения растет как за счет уменьшения ширин соседних полос пропускания, так и за счет их смещения относительно друг друга в противоположные стороны. Поэтому для получения широкополосного отражающего покрытия требуется меньшее количество слоев.

В ближней инфракрасной области спектра заявляемое покрытие может быть получено термическим испарением флюорита (CaF₂, n_A=1.42), сфалерита (ZnS, n_B=2.28) и германия (n_C=4.0).

Покрытие может быть использовано в оптическом приборостроении для широкополосного отражения света. Отражающее покрытие состоит из диэлектрических слоев А, В и С, где слой А выполнен из материала с низким показателем преломления, слой В - из материала со средним показателем преломления и слой С - из материала с высоким показателем преломления. Оптическая толщина слоев составляет λ₀/4, где λ₀ - длина волны середины интервала с высоким отражением. Последовательность чередования слоев имеет вид (СВСАВА)^KСВС, где К≥1 - целое число. Техническим результатом изобретения является расширение области спектра с высоким коэффициентом отражения за счет смещения соседних полос пропускания в противоположные стороны по шкале длин волн. 5 ил.

Отражающее покрытие, состоящее из диэлектрических слоев А, В и С, где слой А выполнен из материала с низким показателем преломления, слой В - из материала со средним показателем преломления и слой С - из материала с высоким показателем преломления, отличающийся тем, что оптическая толщина слоев составляет λ₀/4, где λ₀ - длина волны середины интервала с высоким отражением, а последовательность чередования слоев имеет вид (СВСАВА)^KСВС, где К ≥ 1 целое число.