УЗКОПОЛОСНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ФИЛЬТР Российский патент 2014 года по МПК G02B5/28 

Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано для создания узкополосных интерференционных фильтров в оптических системах для уменьшения ширины полосы пропускания излучения, в том числе излучения мощных диодных лазеров.

Известен узкополосный тонкопленочный интерферометр Фабри-Перо (см. патент RU №2078358, МПК⁶ GO2B 5/28, опубл. 27.04.1997), содержащий подложку, два тонкопленочных зеркала, выполненных из чередующихся слоев двух материалов с высоким и низким показателями преломления, имеющих оптическую толщину, равную четверти длины волны максимального пропускания интерферометра, и расположенный между зеркалами промежуточный слой, имеющий оптическую толщину кратную половине длины волны максимального пропускания интерферометра, промежуточный слой выполнен из материала с низким показателем преломления, в котором расположены микрокристаллы, сформированные из материала с высоким показателем преломления и имеющие размер d, определяемый из соотношения 0,2а_Б<d<λ_е, где а_Б, λ_е - боровский радиус экситона и длина свободного пробега электрона высокопреломляющего материала.

Недостатки этого устройства заключаются в проблеме изготовления достаточно толстого согласующего слоя для обеспечения необходимой ширины полосы спектра пропускания, а также в наличии толстой подложки, увеличивающей массу фильтра и, как следствие, его теплоемкость.

Известен полосовой светофильтр (см. патент RU №2079861, МПК GO2B 5/28, опубл. 20.05.1997), содержащий подложку и многослойное интерференционное покрытие из чередующихся слоев с высоким и низким показателями преломления, в качестве материала подложки использован светофильтр, имеющий характеристики фильтра, отрезающего коротковолновую область пропускания.

Недостатками этого устройства являются широкая полоса пропускания, недостаточная для сужения ширина полосы спектра лазерного излучения, и неспособность пропускать мощное лазерное излучение пленочным светофильтром.

Известен узкополосный фильтр излучения (см. патент RU №2085976, МПК⁶ GO2B 5/20, GO2B 5/18, опубл. 27.07.1997), содержащий кристаллическую коллоидную цепочку заряженных частиц, зафиксированную в пленке полимерного гидрогеля, полимер в пленке полимерного гидрогеля состоит из полимера акриламида или смеси сополимера акриламида с водорастворимым сомономером и сшивающего агента, причем сшивающим агентом может быть NN-метиленбисакриламид, а водорастворимый сомономер может составлять менее 70 вес.% от общего веса акриламида и водорастворимого сомономера, который может состоять из виниллиролидона и эфира оксиэтилметакриловой кислоты, кроме того, полимерный гидрогель может включать моносахарид, моноатомный спирт или их смесь.

Недостатками этого устройства являются высокая масса фильтра и недостаточно узкая полоса пропускания для сужения ширины полосы спектра лазерного излучения, а также неспособность полимерных материалов пропускать мощное лазерное излучение без поглощения, что приводит к разогреву и выходу из строя.

Наиболее близким аналогом - прототипом по своей технической сущности к заявляемому техническому решению является конструкция интерференционного оптического фильтра, описанная в авторском свидетельстве СССР №1125588, МПК⁵ GO2B 5/28, опубл. 23.11.1984. Интерференционный оптический фильтр содержит прозрачную подложку с последовательно расположенными на ней первой и второй многослойными системами, состоящими из чередующихся четвертьволновых по оптической толщине слоев материалов с высоким и низким показателями преломления и выполненными с центром по длине волны λ и λ' соответственно, при этом первой и последний слои первой и второй многослойных систем выполнены из материала с высоким показателем преломления и оптической толщиной λ/8 и λ'/8 соответственно, между первой и второй многослойными системами введен согласующий слой материала с низким показателем преломления и оптической толщиной, равной λ/8. В качестве материала с высоким показателем преломления использован германий, а в качестве материала с низким показателем преломления - моноокись кремния.

Данная конструкция выделяет необходимую полосу пропускания, но из-за наличия стеклянной подложки имеет большой вес и, следовательно, большую теплоемкость, что приводит к увеличению времени термостабилизации фильтра. Кроме того, изготовление стеклянных полосовых фильтров трудоемкий и дорогостоящий процесс, связанный с нанесением большого число четвертьволновых слоев и достаточно толстого согласующего слоя.

Перечисленные выше недостатки заявленным техническим решением устраняются.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение заключается в повышении эксплуатационных характеристик узкополосного оптического интерференционного фильтра, упрощение конструкции и снижение его веса.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в узкополосном оптическом интерференционном фильтре, содержащий прозрачную подложку с расположенной на ней многослойной системой, состоящей из чередующихся прозрачных диэлектрических слоев четвертьволновой оптической толщины из материалов с высоким и низким показателями преломления, прозрачная подложка выполнена в виде плоскопараллельной пластины толщиной, кратной λ/2, причем на противоположной поверхности прозрачной подложки нанесены чередующиеся многослойные прозрачные диэлектрические слои четвертьволновой оптической толщины с высоким и низким показателями преломления, при этом прозрачная плоскопараллельная пластина использована в качестве промежуточного слоя.

Кроме того, в узкополосном оптическом интерференционном фильтре толщина h прозрачной подложки находится в пределах 40÷80 мкм; на каждой из двух противоположных сторон прозрачной подложки нанесены не менее трех прозрачных диэлектрических слоев четвертьволновой оптической толщины с высоким и низким показателями преломления.

Таким образом, прозрачная плоскопараллельная пластина одновременно является прозрачной подложкой, на двух противоположных поверхностях которой нанесены два набора чередующихся многослойных прозрачных диэлектрических слоев четвертьволновой оптической толщины с высоким и низким показателями преломления. Прозрачная подложка является одновременно промежуточным слоем, разделяющим интерференционные покрытия - многослойные прозрачные диэлектрические слои.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, примером конкретного исполнения и описанием.

На фиг.1 схематично изображен узкополосный оптический интерференционный фильтр, вид прямо.

На фиг.2 показана зависимость пропускания узкополосного оптического интерференционного фильтра от длины волны.

На чертеже (см. фиг.1) приняты следующие обозначения:

1 - прозрачная подложка - прозрачная плоскопараллельная пластина, толщина h которой кратна λ/2;

2 - прозрачный диэлектрический слой четвертьволновой оптической толщины из материала с высоким показателем преломления;

3 - прозрачный диэлектрический слой четвертьволновой оптической толщины из материала с низким показателем преломления.

Узкополосный оптический интерференционный фильтр (см. фиг.1) состоит из подложки 1. Прозрачная подложка 1 выполнена из тонкой плоскопараллельной прозрачной пластины с низким показателем преломления. С каждой стороны прозрачной подложки 1 расположены, по крайней мере, по три чередующихся прозрачных диэлектрических слоя четвертьволновой оптической толщины из материалов с высоким показателем преломления 2 и низким показателем преломления 3. Толщина h прозрачной подложки 1 кратна λ/2. Прозрачная подложка 1 - прозрачная плоскопараллельная пластина использована в качестве промежуточного слоя между многослойными прозрачными диэлектрическими слоями четвертьволновой оптической толщины из материала с высоким показателем преломления 2 и из материала с низким показателем преломления 3, следующих друг за другом.

Узкополосный оптический интерференционный фильтр работает следующим образом: интерференционные явления, возникающие в системе из чередующихся прозрачных диэлектрических слоев четвертьволновой оптической толщины из материалов с высоким и низким показателями преломления, разделенных тонкой прозрачной плоскопараллельной пластиной, приводят к тому, что пропускание на заданной длине волны будет максимальным, уменьшаясь при отклонении от заданной длины волны до минимального значения. Зависимость пропускания такого фильтра от длины волны определяется решением характеристических уравнений оптики тонких пленок матричным методом. На фиг.2 показана такая зависимость в диапазоне длин волн 775-785 нм, рассчитанная для длины волны 780 нм. В качестве прозрачной подложки было выбрано кварцевое стекло толщиной 54099 нм (оптическая толщина 200 λ/2), в качестве материала для слоев с высоким показателем преломления 2 использовался оксид титана (IV) TiO₂, в качестве материала для слоев с низким показателем преломления 3 использовался оксид кремния SiO₂. Увеличение толщины прозрачной подложки 1 приводит к сокращению полуширины пиков пропускания, однако при этом сокращается расстояние между соседними пиками. Увеличение числа прозрачных диэлектрических слоев четвертьволновой оптической толщины приводит к уменьшению пропускания в минимумах и к сужению ширины пиков пропускания. Величина максимального отражения растет по мере увеличения числа прозрачных диэлектрических слоев тем значительнее, чем больше разность между показателями преломления прозрачных диэлектрических слоев четвертьволновой оптической толщины из материала с высоким и низким показателями преломления.

Таким образом, подбирая толщину прозрачной подложки 1 - плоскопараллельной пластины и число прозрачных диэлектрических слоев четвертьволновой оптической толщины из материала с высоким 2 и низким 3 показателями преломления, можно достигать требуемой полуширины пика пропускания и требуемой величины максимального отражения.

Такое покрытие можно выразить, например, следующим рядом:

1) для подложки с низким показателем преломления:

В(НВ)^хП(ВН)^хВ,

2) для подложки с высоким показателем преломления: В(НВ)^хП(ВН)^x, где Н - материал с низким показателем преломления с оптической толщиной λ/4, П - подложка с оптической толщиной, кратной λ/2, х - число пар, определяющее величину максимального отражения.

Промышленная применимость. Был изготовлен опытный образец узкополосного оптического интерференционного фильтра на кварцевой подложке с оптической толщиной 200 λ/2. На каждую сторону подложки были нанесены пять прозрачных диэлектрических слоев четвертьволновой оптической толщины из материалов TiO₂ и SiO₂. Испытания показали, что использование такого узкополосного оптического интерференционного фильтра при пропускании через него лазерного излучения полупроводникового лазерного диода приводит к сужению полуширины спектра пропускания с 4 нм до 0,15 нм.

Заявленное устройство может быть изготовлено методами серийного производства. Работоспособность заявленного устройства подтверждена экспериментально, конструкция узкополосного оптического интерференционного фильтра изготовлена и опробована.

Заявленный узкополосный оптический интерференционный фильтр позволяет:

- увеличить срок службы прибора;

- сократить технологический процесс изготовления;

- уменьшить себестоимость прибора;

- повысить эксплуатационные характеристики.

Изобретение может быть использовано в оптических системах для уменьшения ширины полосы пропускания излучения, в том числе излучения мощных диодных лазеров. Интерференционный фильтр содержит прозрачную подложку с расположенной на ней многослойной системой, состоящей из чередующихся прозрачных диэлектрических слоев четвертьволновой оптической толщины из материалов с высоким и низким показателями преломления. Прозрачная подложка выполнена в виде плоскопараллельной пластины толщиной, кратной λ/2, и использована в качестве промежуточного слоя. На противоположной поверхности прозрачной подложки нанесены чередующиеся многослойные прозрачные диэлектрические слои четвертьволновой оптической толщины с высоким и низким показателями преломления. Технический результат - повышение эксплуатационных характеристик узкополосного оптического интерференционного фильтра, упрощение конструкции и снижение его веса. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Узкополосный оптический интерференционный фильтр, содержащий прозрачную подложку с расположенной на ней многослойной системой, состоящей из чередующихся прозрачных диэлектрических слоев четвертьволновой оптической толщины из материалов с высоким и низким показателями преломления, отличающийся тем, что прозрачная подложка выполнена в виде плоскопараллельной пластины толщиной, кратной λ/2, причем на противоположной поверхности прозрачной подложки нанесены чередующиеся многослойные прозрачные диэлектрические слои четвертьволновой оптической толщины с высоким и низким показателями преломления, при этом прозрачная плоскопараллельная пластина использована в качестве промежуточного слоя.

2. Узкополосный оптический интерференционный фильтр по п.1, отличающийся тем, что толщина h прозрачной подложки находится в пределах 40÷80 мкм.

3. Узкополосный оптический интерференционный фильтр по п.1, отличающийся тем, что на каждой из двух противоположных сторон прозрачной подложки нанесены не менее трех прозрачных диэлектрических слоев четвертьволновой оптической толщины с высоким и низким показателями преломления.