Диэлектрический узкополосный интерференционный фильтр Советский патент 1992 года по МПК G02B5/28 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к интерференционным оптическим фильтрам.

Известно большое количество конструкций узкополосных фильтров, состоящих из чередующихся слоев с высоким и низким показателями преломления, оптические толщины которых кратны До /4, где АО - центральная длина волны фильтра. Данные фильтры представляют из себя элементарные фильтры типа Фабри-Перо, соединенные через четвертьволновые прослойки с низким показателем преломления:

0(ФН)РФ,(1)

где р - число повторений стопы (ФН);

D - подложка с показателем преломления по;

Ф - элементарный фильтр вида

(BH)k(BB)m(HB)kHflH(BH)kB(HH)mB(HB)k,

где m 1 - кратность центральной прослойки;

НВ;

В и Н -четвертьволновые по оптической

ТОЛЩИНе СЛОИ С ВЫСОКИМ Пв И НИЗКИМ Г)Н

показателями преломления.

С увеличением числа элементарных фильтров увеличивается крутизна полосы пропускания и контрастность фильтра (отношение максимального коэффициента пропускания к минимальному), при этом ширина полосы пропускания остается практически неизменной.

Изменить ширину полосы пропускания можно путем использования другой пары материалов или путем изменения параметра к. При наличии веществ для пленок с широким ассортиментом показателей преломления возможности для изменения ширины полосы пропускания очень разнообразны, однако, если использовать только одну пару веществ, то ширину полок 0,1,2,... - кратность стопы ВН или Ј

VJ

00

сы пропускания можно изменять лишь крупными скачками (в 2,4,... раза).

Таким образом известная конструкция (1) имеет следующие недостатки: при наличии одной пары веществ ширина полосы пропускания изменяется крупными скачками, даже наличие большого выбора веществ для пленок не позволяет непрерывным образом изменять ширину полосы пропускания фильтра.

В общем случае ширина полосы пропускания может изменяться также за счет изменения параметра т, однако при этом сохраняется скачкообразный характер изменения ширины полосы пропускания фильтра.

Известен наиболее близкий по достигаемому эффекту узкополосный интерферен- ционный фильтр типа Фабри-Перо, содержащий прозрачную в заданной области спектра подложку и расположенные на ней диэлектрические зеркала, разделенные полуволновым или кратным половине длины волны максимального пропускания слоем, конструкция которого имеет вид

D(BHT(CCf (НвУ илиООВН B(CCf В (Н B)k.

о(3)

Заданную ширину полосы пропускания

фильтра обеспечивают путем подбора показателя преломления центрального слоя С. При плавном изменении показателя преломления центрального слоя имеет место плавное изменение ширины полосы пропускания фильтра. Преимущество этого фильтра по сравнению с фильтром (1) заключается в том, что изменяется показатель преломления только одного слоя, а не всех слоев фильтра.

Недостатками этого фильтра является узкий диапазон выбора значений ширины полосы пропускания, обусловленный медленным характером изменения ширины полосы пропускания в зависимости от пс и ограниченным диапазоном изменения пс, и недостаточно высакая контрастность фильтра.

Целью изобретения является расширение диапазона выбора ширины полосы пропускания и увеличение контрастности фильтра.

Поставленная цель достигается тем, что в узкополосном интерференционном диэлектрическом фильтре, содержащем прозрачную в заданной области спектра подложку и расположенную на ней интерференционную систему, включающую диэлектрические зеркала в виде чередующихся слоев В и Н с высоким пв и низким пн показателями преломления, разделенные полуволновым или кратным половине длины

волны АО максимального пропускания слоем, между подложкой и интерференционной системой и между интерференционной системой и окружающей средой введено по

четвертьволновому слою С с показателем преломления пс или по системе слоев с эффективным показателем преломления пс и эффективной оптической толщиной До /4. Конструкция фильтра может быть записана в виде

ПДПавН) (BBf (HB)k С или ПДПС(ВНГ B(HH)mB(HB)kC,(4)

где П - просветляющее покрытие, которое может отсутствовать при использовании

подложки с низким показателем преломления;

С - слой или система слоев с эффективным показателем преломления пс и эффективной оптической толщиной Ао/4.

Ширина полосы пропускания фильтра вида (4) является функцией показателя преломления пс. Расширение диапазона выбора ширины полосы пропускания достигается тем, что зависимость ширины

полосы пропускания от пс оказывается более сильной по сравнению с прототипом. При этом диапазон изменения пс остается тем же и определяется только ассортиментом веществ, которые могут быть использованы при нанесении интерференционного покрытия.

Необходимое для получения заданной ширины полосы значение пс обеспечивается или за счет подбора вещества или смеси

веществ с подходящим показателем преломления, или использованием в качестве С системы слоев из имеющихся в распоряжении веществ.

В последнем случае возможно плавное

управление значением пс, осуществляемое путем изменения толщин отдельных слоев в системе С.

Увеличение контрастности достигается за счет того, что при заданной ширине полосы пропускания число слоев в предлагаемом фильтре оказывается больше, чем в известном фильтре. Это приводит к увеличению коэффициента отражения диэлектрических зеркал и, как,следствие, к

увеличению контрастности фильтра.

На фиг. 1 и 2 схематически изображены два варианта конструкции предлагаемого фильтра; на фиг. 3 - спектральные кривые пропускания для конкретных примеров

выполнения предлагаемого фильтра; на фиг. 4 - спектральные кривые пропускания известного фильтра,1 на фиг. 5 - график зависимости ширины полосы пропускания известного и предлагаемого фильтров от значений пс.

Рассмотрим узкополосный диэлектрический фильтр вида (4) с центральным слоем из вещества с высоким показателем преломления при m 1 и к 2. Используя принятые ранее обозначения, конструкцию такого фильтра можно записать в виде

НДН С ВНВН ВВ НВНВ С.(5)

На фиг. 1 и 2 приведено схематическое изображение данного фил -тра для случаев, когда С является одиночным слоем и системой слоев соответственно. На фиг. 1 и 2 приняты следующие обозначения: 1 - подложка, представляющая из себя пластину из германия (по 4,0); 2 и 3 - четвертьволновые слои с высоким и низким показателями преломления, выполненные из теллурида свинца (пв 5,3) и селенида цинка (пн 2,3); 4 - просветляющее покрытие в виде четвертьволнового слоя селенида цинка; 5 - центральный полуволновой слой из теллурида свинца; 6 - четвертьволновой слой из материала с показателем препомле- ния пс; 7 - система слоев с эффективным показателем преломления пс и эффективной оптической толщиной /1о /4.

В качестве С были использованы: а) четвертьволновой слой теллурида свинца; б) четвертьволновой слой селенида цинка; в) четвертьволновой слой фторида свинца (пс 1,65); г) система слоев с эффективным показателем преломления пс 3,5, в которой слой 8 выполнен из селенида цинка с оптической толщиной 0,303 Яо/4, а слой 9 из теллурида свинца с оптической толщиной 0,306- Ао/4.

На фиг. 3 приведены расчетные спектральные кривые 10, 11,12, 13 пропускания фильтра (5) для случаев а), б), в) и г) соответственно. Для сравнения на фиг. 4 приведены спектральные кривые 14, 15, 16, 17 пропускания известного фильтра, в котором ширина полосы пропускания регулируется за счет показателя преломления центрального слоя. Конструкция известного фильтра имеет вид НДНВНССНВ (число слоев в диэлектрических зеркалах выбиралось таким образом, чтобы ширина полосы пропускания обоих фильтров были одного порядка величины), где окаймляющие подложку слои Н служат для ее просветления, а С принимает те же значения, что на фиг. 3.

На фиг. 5 кривые 18 и 19 показывают зависимость ширины полосы пропускания на уровне 50% от максимального пропускания ( АЛо,5 ), выраженную в единицах длины волны максимального пропускания, от

пс для предлагаемого и известного фильтров соответственно,

Сравнение приведенных спектральных характеристик и зависимостей ширины полосы пропускания от пс позволяет сделать вывод, что узкополосные фильтры предлагаемой конструкции позволяют получать заданную ширину полосы пропускания в более широком диапазоне по сравнению с

известным фильтром, при этом контрастность фильтра увеличивается в несколько раз.

Так, в рассмотренных примерах, отношение АДо,5/Яо изменяется от 0,012 до

0,116 для фильтра предлагаемой конструкции и от 0,032 до 0,056 для известного фильтра. При этом контрастность (отношение максимального пропускания к минимальному) фильтров предлагаемой конструкции не

хуже, чем 270, в то время как для известных фильтров она не превышает 59.

Казалось бы, что контрастность известного фильтра может быть увеличена путем использования конструкции с большим числом слоев в диэлектрических зеркалах, например НДНВНВССВНВ. Однако при этом происходит значительное сужение ширины полосы пропускания (величина ДЛо,5/Ло при тех же значениях пс не превышает 0,02),

что делает такой фильтр несопоставимым с предлагаемым фильтром, так как любой фильтр должен прежде всего обеспечивать получение заданной ширины полосы пропускания.

Формула изобретения

1.Диэлектрический узкополосный интерференционный фильтр, содержащий прозрачную в рабочей области спектра подложку и расположенную на ней интерференционную систему, включающую диэлектрические зеркала в виде чередующихся слоев с высоким пв и низким пн пока- зателями преломления, разделенные полуволновым или кратным половине длииы волны максимального пропускания слоем, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона выбора ширины полосы пропускания и увеличения контрастности фильтра, между подложкой и

интерференционной системой и на интерференционную систему нанесены по четвертьволновому слою материала с показателем преломления пс 1,3-5,5 или система слоев с эффективным показателем

преломления.

2.Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения пропускания, на подложку с обеих сторон нанесено про- светлякщее покрытие.

Фив 1

Использование: узкополосные контрастные фильтры с возможностью выбора ширины полосы пропускания. Сущность изобретения: на систему интерференционного фильтра между подложкой и интерференционной системой нанесены по четвертьволновому слою материалы с показателем преломления пс 1,3-5,5 или система слоев с эффективным показателем преломления.5 ил.

Л

Фиъ.2

0,8

0.9

tgT

0,8

0,9

to

1,1

1,2 Яо/Я

фие.З

1,0

1,i

1,2 Л, I/I

фиг Л

U. 100

0.050

0.000

345- с

Фиг 5