УЗКОПОЛОСНОЕ ФИЛЬТРУЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ Российский патент 2007 года по МПК G02B5/26 G02B5/28 

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

Известен узкополосный оптический фильтр [Н.А.Macleod, Thin-film optical filters, Adam Hilger Ltd.: London, 1969, p.157-158, Т.Н.Крылова, Интерференционные покрытия. Л.: Машиностроение, 1973, с.151-153], состоящий из двух металлических отражающих слоев, разделенных прозрачным слоем диэлектрика оптической толщиною, равной или кратной половине длины волны области максимального пропускания. По существу, это эталон Фабри-Перо первого или одного из нижайших порядков. Недостатком такого фильтра является низкое пропускание в максимуме, связанное с поглощением в металлических слоях.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является многослойное интерференционное покрытие [Н.А.Macleod, Thin-film optical filters, Adam Hilger Ltd.: London, 1969, p.165-167, (прототип)], имеющее конструкцию (СА)^KСС(АС)^K, в которой А и С - слои из прозрачных материалов соответственно с низким и высоким показателями преломления (n_A<n_C), К≥1 целое число, причем оптическая толщина каждого слоя равна λ₀/4, где λ₀ - длина волны центра полосы пропускания фильтра. Такая конструкция также представляет собой эталон Фабри-Перо, в котором системы слоев (СА)^K и (АС)^K представляют собой отражающие покрытия, разделенные слоем (СС), оптическая толщина которого равна λ₀/2. Пропускание в максимуме у такой конструкции существенно выше, чем у первого аналога, однако полосы высокого отражения по бокам полосы пропускания в ней сравнительно узкие, как следствие, такой фильтр имеет сравнительно низкую селективность.

Техническим результатом изобретения является повышение селективности за счет расширения полос высокого отражения по бокам полосы пропускания.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в узкополосном фильтрующем покрытии, содержащем две системы чередующихся диэлектрических слоев с различающимися показателями преломления и одинаковой оптической толщиной λ₀/4, представляющих собой высокоотражающие зеркала, и разделяющий их диэлектрический слой, новым является то, что в конструкцию высокоотражающих зеркал введены диэлектрические слои с промежуточным значением показателя преломления и разделяющий слой имеет оптическую толщину λ₀ или кратную ей, а последовательность чередования слоев имеет вид (СВСАВА)^KD(ABACBC)^K с n_A<n_B<n_C, причем показатель преломления разделяющего слоя n_D не равен n_A (например, n_D=n_C) и К≥1 целое число, где λ₀ - длина волны максимума пропускания фильтрующего покрытия; А, В и С - диэлектрические слои со значениями показателя преломления n_A, n_B и n_C соответственно и D - разделяющий слой.

Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что последовательности слоев в отражающих системах имеют вид (CBCABA)^K и (ABACBC)^K, где В - слой с промежуточным значением показателя преломления, а не (CA)^K и (АС)^K, и оптическая толщина разделяющего слоя равна или кратна λ₀, а не λ₀/2.

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, С и D на фиг.1), причем оптическая толщина слоев, за исключением центрального, равна λ₀/4, а центрального - λ₀ или кратна λ₀, где λ₀ - длина волны максимума полосы пропускания фильтрующего покрытия, а показатели преломления такие, что n_A<n_B<n_C, а n_D не равен n_A, например n_D=n_C. Последовательность чередования слоев (CBCABA)^K и (ABACBC)^K, где К≥1. Изображенная на фиг.1 конструкция соответствует К=1.

Узкополосное фильтрующее покрытие работает следующим образом.

Как и упомянутые аналоги, оно представляет собой эталон Фабри-Перо, в котором системы слоев (СВСАВА)^K и (ABACBC)^K играют роль высокоотражающих зеркал, а D - роль разделяющего слоя, поэтому по принципу работы оно аналогично использованным аналогам. Однако примененная в заявляемом покрытии конструкция отражающих систем слоев имеет более широкую, чем у использованной в прототипе, полосу высокого отражения, чем достигаются более широкие полосы заграждения по бокам полосы пропускания, а следовательно, и более высокая селективность.

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. С точки зрения физики фотонных кристаллов разделяющий слой является примесью, а даваемый им в запрещенной зоне резонанс называется примесной модой. 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. - М.: Связь, 1979. 336 с.; В.Фуско. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование. М.: Радио и связь, 1990. 288 с.]. На фиг.2 изображена топология полосковых проводников микрополосковой модели узкополосного фильтрующего покрытия конструкции-прототипа для К=1. Такая конструкция представляет собой систему из взаимодействующих резонаторов. 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. 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. На фиг.3 приведена типичная частотная зависимость коэффициента пропускания микрополосковой модели конструкции-прототипа узкополосного фильтра, 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 f/f₁=1 соответствует полуволновым резонансам в регулярных отрезках МПЛ, f/f₁=2 - двухполуволновым, f/f₁=3 - трехполуволновым и т.д., которые формируют полосы пропускания, чередующиеся полосами высокого отражения. В узкополосных оптических фильтрах эти полосы пропускания являются паразитными. В центрах полос отражения расположены узкие полосы пропускания, сформированные полуволновым - в первой, 3λ/2 - во второй, 5λ/2 - в третьей и т.д. резонансами в полосковом проводнике, моделирующем разделяющий слой. Одной из этих узких полос (как правило, одной из первых) соответствует рабочая полоса пропускания узкополосного оптического фильтра. Следует отметить, что четные (т.е. 2λ/2, 4λ/2 и т.д.) резонансы разделяющего слоя в данном случае попадают в паразитные полосы пропускания. 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. Очевидно, что в такой конструкции увеличивать ширину полос высокого отражения по бокам от узкой (рабочей) полосы пропускания можно только за счет сужения соседних (паразитных) полос пропускания. Однако такой способ имеет очевидные ограничения. Альтернативой ему является способ, в котором полоса высокого отражения расширяется еще и за счет сдвига соседних (паразитных) полос пропускания. Добиться этого можно, если в качестве отражающих покрытий использовать системы, состоящие из слоев трех типов [Патент РФ №2256942, кл. G02В 5/08, 5/28, 5/26, Бюл. №20 от 20.07.05]. Этим и достигается технический результат в заявляемом покрытии, топология полосковых проводников микрополосковой модели которого (для К=1) приведена на фиг.4. На фиг.5 приведена частотная характеристика ее коэффициента пропускания. Из фиг.5 в сравнении с фиг.3 видно, что действительно полоса отражения в этом случае расширилась за счет смещения второй и третьей паразитных полос пропускания в противоположные стороны. 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, первой моде колебаний в которых соответствует частота f/f₁=1 на фиг.5. Одноволновый резонанс разделяющего слоя попадает при этом в середину широкой зоны высокого отражения, а остальные его резонансы попадают в паразитные полосы пропускания. Следует отметить, что добротность резонанса «примесной» моды в такой структуре существенно выше, чем в модели прототипа.

В принципе, величина показателя преломления разделяющего слоя n_D может быть и больше и меньше n_A - показателя преломления граничащего с ним слоя, необходимо лишь, чтобы разница между ними была достаточно большой. Поэтому разумным выбором является n_D=n_C.

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).

Узкополосное фильтрующее покрытие, содержащее две системы чередующихся диэлектрических слоев с различающимися показателями преломления и одинаковой оптической толщиной λ₀/4, представляющие собой высокоотражающие зеркала, и разделяющий их диэлектрический слой, отличающееся тем, что в конструкцию высокоотражающих зеркал введены диэлектрические слои с промежуточным значением показателя преломления и разделяющий слой имеет оптическую толщину λ₀ или кратную ей, а последовательность чередования слоев имеет вид (CBCABA)^KD(ABACBC)^K с n_A<n_B<n_C, причем показатель преломления разделяющего слоя n_D не равен n_А (например, n_D=n_C) и К≥1 целое число, где λ₀ - длина волны максимума пропускания фильтрующего покрытия; А, В и С - диэлектрические слои со значениями показателя преломления n_А, n_B и n_C соответственно, и D - разделяющий слой. Технический результат: повышение селективности за счет расширения полос высокого отражения по бокам полосы пропускания. 5 ил.

Узкополосное фильтрующее покрытие, содержащее две системы чередующихся диэлектрических слоев с различающимися показателями преломления и одинаковой оптической толщиной λ₀/4, представляющие собой высокоотражающие зеркала, и разделяющий их диэлектрический слой, отличающееся тем, что в конструкцию высокоотражающих зеркал введены диэлектрические слои с промежуточным значением показателя преломления и разделяющий слой имеет оптическую толщину λ₀ или кратную ей, а последовательность чередования слоев имеет вид (CBCABA)^KD(ABACBC)^K с n_A<n_B<n_C, причем показатель преломления разделяющего слоя n_D не равен n_A (например, n_D=n_C) и К≥1 целое число, где

λ₀ - длина волны максимума пропускания фильтрующего покрытия;

А, В и С - диэлектрические слои со значениями показателя преломления n_A, n_B и n_C соответственно; и

D - разделяющий слой.