Зеркало

Зеркало может быть использовано при создании оптических отражающих систем в лазерах, а также в экспериментальной физике. Зеркало состоит из прозрачного диэлектрического основания и нанесенного на него металлического покрытия. Покрытие представляет собой наночастицы металла, например серебра, имеющие плазменный резонанс на частоте электромагнитного излучения, для отражения которого предназначено предлагаемое зеркало, и линейные размеры много меньше длины волны указанного излучения, нанесенные равномерно на поверхность основания так, что покрывают до 15 процентов ее площади. Обеспечивается уменьшение предельно возможной толщины зеркала при избирательном по частоте отражении и уменьшении размера пятна отраженного излучения в фокусе. 3 ил.

 

Изобретение относится к области оптики, в частности к системам отражения электромагнитного излучения, в том числе избирательного по частоте, и может быть использовано при создании оптических отражающих систем в лазерах, например, полупроводниковых, в экспериментальной физике и др.

Известно зеркало Брэгга для оптических отражающих систем полупроводниковых лазеров [1]. Недостатком указанного зеркала является его относительно большая толщина, что ограничивает снизу наименьший размер полупроводникового лазера.

Широко также известны зеркала, включающие прозрачное стеклянное основание и нанесенное на указанное основание покрытие из металла (никель, хром, серебро), в частности зеркало Манжена [2], выбранное в качестве прототипа данного изобретения. Недостатком указанного изобретения также является его относительно большая толщина, а также невозможность избирательного по частоте отражения падающего электромагнитного излучения и относительно большой размер пятна отраженного излучения в фокусе.

Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков и существенное уменьшение предельно возможной толщины зеркала при избирательном по частоте отражении падающего электромагнитного излучения и уменьшении размера пятна отраженного излучения в фокусе.

Указанная цель достигается в предлагаемом зеркале за счет того, что в известном зеркале, состоящем из прозрачного диэлектрического основания и нанесенного на указанное основание металлического покрытия, указанное покрытие представляет собой наночастицы металла, например серебра, имеющие плазменный резонанс на частоте электромагнитного излучения, для отражения которого предназначено указанное предлагаемое зеркало, и линейные размеры много меньше длины волны указанного излучения, нанесенные равномерно на поверхность указанного основания так, что покрывают до 15 процентов ее площади.

Сущность заявляемого изобретения изложена в нижеследующем описании.

На фиг.1 представлено схематическое изображение предлагаемого зеркала в сечении, где:

1 - диэлектрическое, например, параболическое основание зеркала апертуры r,

2 - наночастицы металла, например серебра.

На фиг.2 представлена зависимость коэффициента отражения κ (в относительных единицах) предлагаемого зеркала от длины волны падающего электромагнитного излучения λ в мкм.

На фиг.3 представлена зависимость выраженного в единицах длины волны отраженного электромагнитного излучения радиуса пятна р указанного излучения на полувысоте его мощности в фокусе предлагаемого зеркала от радиуса апертуры указанного зеркала r, выраженного в единицах длины его фокусного расстояния.

Отражение электромагнитного излучения в предлагаемом зеркале происходит следующим образом:

Электромагнитные волны, падающие на поверхность указанного зеркала с нанесенными на нее наночастицами металла (в частности - серебра) (см. Фиг.1), вызывают колебания свободных электронов указанных наночастиц. Поскольку возбуждение указанных колебаний имеет резонансный характер на частоте плазменного резонанса, определяемой природой материала, формой и размерами указанных наночастиц и природой материала указанного диэлектрического основания, то происходит преимущественно переизлучение (отражение) соответствующего узкого участка спектра длин волн падающего на зеркало электромагнитного излучения. Остальное электромагнитное излучение проходит через зеркало практически без отражения и поглощения.

Произведя вычисления поляризуемости сферической наночастицы серебра, находящейся на поверхности стекла (SiO₂), и учитывая, что коэффициент отражения падающего на зеркало электромагнитного излучения пропорционален квадрату указанной поляризуемости, находим зависимость указанного коэффициента отражения к от длины волны указанного излучения λ. Эта зависимость имеет вид резонансной кривой с максимумом при λ=0.41 мкм (см. Фиг.2). Полуширина кривой оказывается равной около 10 нм.

Отраженное от поверхности предлагаемого зеркала излучение представляет собой результат интерференции дипольного излучения наночастиц металла (серебра). Расчеты показывают (см. Фиг.3), что размер пятна излучения в фокусе рассматриваемого параболического зеркала быстро уменьшается с увеличением радиуса его апертуры (примерно, как l/r²), а интенсивность в максимуме соответственно возрастает.

Пример реализации предлагаемого зеркала:

На полированную стеклянную поверхность (SiO₂) параболической формы наносится слой полимера (полистирола) толщиной 30-40 нм. На указанный слой полимера равномерно, центрифугированием из раствора, наносятся наночастицы серебра диаметром 20-30 нм. Процесс нанесения контролируется и прекращается, когда указанные наночастицы серебра покрывают 10-15% указанной параболической поверхности. Далее полученный гетерослой, состоящий из полистирола и нанесенных на него наночастиц серебра, нагревается до температуры выше температуры стеклования полистирола. При этом указанные наночастицы погружаются в слой полистирола, где и закрепляются при остывании указанного гетерослоя. Таким образом, полученное зеркало отражает с коэффициентом, близким к единице, электромагнитное излучение в диапазоне длин волн 0,40-0,41 нм и при этом пропускает без поглощения все другие участки спектра. Полученное зеркало имеет толщину отражающего слоя порядка 40 нм, что существенно меньше минимальных толщин отражающих слоев всех известных зеркал.

Литература

1. "Handbook of Semiconductor Lasers and Photonic Integrated Circuits" ed. Y.Sucmadsu and A.R.Adonis, London, 1994, p.510-515.

2. Л.Мартин, "Техническая оптика", ФМ, Москва, 1960, стр.315.

Зеркало, состоящее из прозрачного диэлектрического основания и нанесенного на указанное основание металлического покрытия, отличающееся тем, что указанное покрытие представляет собой наночастицы металла, например серебра, имеющие плазменный резонанс на частоте электромагнитного излучения, для отражения которого предназначено указанное предлагаемое зеркало, и линейные размеры много меньше длины волны указанного излучения, нанесенные равномерно на поверхность указанного основания так, что покрывают до 15% ее площади.