Узкополосный оптический интерференционный фильтр



Узкополосный оптический интерференционный фильтр
Узкополосный оптический интерференционный фильтр

 


Владельцы патента RU 2536078:

МИКАЕЛЯН Геворк Татевосович (RU)

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.

 

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 0,2аБ<d<λе, где аБ, λе - 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.

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к оптике и касается способа повышения плотности мощности светового излучения внутри среды. Способ включает в себя формирование среды в виде многослойной периодической структуры, имеющей в спектре пропускания запрещенную зону, а также узкие резонансные пики полного пропускания и направление в эту среду излучения, длина волны которого совпадает с одним из резонансных пиков полного пропускания.

Сканирующее интерференционное устройство содержит подложки с зеркальным покрытием с регулированием положения при помощи пьезоэлемента, подключенного к источнику переменного напряжения.

Изобретение может быть использовано для быстрой перестройки или сканирования спектра пропускания или отражения излучения в сенсорных и спектральных системах. Интерферометр содержит корпус, выполненный в виде двух установленных перпендикулярно к оптической оси фланцев с осевыми сквозными отверстиями, и двухзеркальный резонатор, расположенный в отверстиях фланцев, каждое зеркало которого закреплено на соответствующем фланце с помощью пьезоэлектрического элемента.

Предложен парный оптикопеременный защитный элемент, который включает первое и второе оптикопеременные тонкопленочные многослойные интерференционные устройства, причем первое и второе оптикопеременные интерференционные устройства расположены таким образом, что они могут быть рассмотрены совместно.

Устройство для получения широкоугольного изображения содержит оптическую систему и широкоугольный дихроический отрезающий фильтр, расположенный вблизи поверхности линзы в оптической системе.

Светофильтр содержит плоскую прозрачную пластину с тонкопленочным прозрачным покрытием одной ее поверхности. В первом варианте светофильтр содержит также оптическую призму ввода излучения, закрепленную плоской гранью на тонкопленочном покрытии вблизи конца пластины.

Фильтр включает первый полосно-пропускающий интерференционный фильтр, содержащий первый диэлектрический слой, расположенный между двумя отражающими слоями и имеющий полосу пропускания, центрированную на заданной длине волны и при заданном угле, и первое смещение полосы пропускания.

Изобретение относится к способу спектральной фильтрации излучения с помощью интерференционных фильтров в условиях низкой интенсивности и высокой расходимости потока излучения.

Изобретение может быть использовано в защитных очках, шлемах, масках, щитках и экранах для защиты глаз человека от ослепляющего лазерного излучения. Светофильтр включает прозрачную подложку и нанесенные на нее три элемента, содержащих интерференционные покрытия из чередующихся слоев с высоким и низким показателями преломления (ВН)к.

Изобретение относится к оптике, к оптическим устройствам, основанным на использовании явлений полного внутреннего отражения и интерференции световых потоков, в том числе, устройствам оптических фильтров, применяемых в научных исследованиях и технике для спектрального анализа и монохроматизации света.

Фильтр может быть использован в оптических устройствах связи и спектрометрах комбинационного рассеяния света. Фильтр содержит симметричную конструкцию из чередующихся диэлектрических слоев с высоким и низким показателем преломления, образующую систему однослойных резонаторов, разделенных один от другого и от окружающего пространства прилегающими многослойными зеркалами. Диэлектрический слой каждого резонатора имеет оптическую толщину λ/2, каждый диэлектрический слой в каждом многослойном зеркале имеет оптическую толщину λ/4, где λ - длина волны на центральной частоте полосы пропускания. Диэлектрические слои в зеркалах выполнены, по меньшей мере, из трех материалов с неодинаковыми показателями преломления и отражательная способность зеркал убывает по мере отдаленности зеркала от центра конструкции. Техническим результатом изобретения является уменьшение неравномерности коэффициента прохождения света в полосе пропускания фильтра, а также уменьшение потерь. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и касается способа компенсации температурного смещения полосы пропускания интерференционно-поляризационного фильтра. Фильтр содержит стопу регулируемых элементов с полуволновыми пластинками, вращением которых настраивают полосы пропускания регулируемых элементов фильтра на измеряемую спектральную линию объекта. Для компенсации температурного смещения полосы пропускания луч света от опорного источника направляют через каждый регулируемый элемент одновременно со светом измеряемой спектральной линии объекта. Пропущенный элементом луч опорного источника расщепляют на два луча, обыкновенный и необыкновенный, и используют изменение разности интенсивностей этих лучей, вызванное изменением температуры элемента, как сигнал обратной связи для поворота полуволновой пластинки, компенсирующего температурное смещение полосы пропускания элемента. Технический результат заключается в повышении точности и упрощении способа. 2 ил.

Фильтр может быть использован в оптических устройствах связи и спектрометрах комбинационного рассеяния света. Фильтр содержит полуволновые слои диэлектрика, являющиеся резонаторами, и прилегающие к ним многослойные диэлектрические зеркала, разделяющие один резонатор от другого и от окружающего пространства, все вместе образующие симметричную конструкцию. Период i-го многослойного диэлектрического зеркала выражается конструкцией ABiCiBi, где A, Bi, Ci - три слоя диэлектриков с показателями преломления nA>nB>nC, одинаковыми во всех многослойных диэлектрических зеркалах. Слой A во всех многослойных диэлектрических зеркалах имеет электрическую толщину θA=π/2, а электрические толщины θBi и θCi слоев диэлектриков Bi и Ci зависят от места расположения многослойного диэлектрического зеркала и удовлетворяют единому условию t g 2 θ B i t g θ C i = 2 n B n C / ( n B 2 + n C 2 ) . Технический результат - возможность реализации практически любой требуемой ширины полосы пропускания фильтра и уменьшение неравномерности коэффициента прохождения света в этой полосе. 2 з.п. ф-лы, 6 ил., 3 табл.
Фильтр может быть использован в оптических устройствах связи и спектрометрах комбинационного рассеяния света. Фильтр содержит диэлектрическую подложку с нанесенными на нее тонкопленочными слоями диэлектриков с чередующимися высоким показателем преломления nH и низким показателем преломления nL. Часть слоев из материала с показателем преломления nL является резонаторами, имеющими электрическую толщину π на центральной частоте полосы пропускания. Все остальные слои образуют многослойные диэлектрические зеркала, отделяющие каждый резонатор от соседнего резонатора, диэлектрической подложки или внешнего пространства. В каждом i-ом зеркале электрическая толщина θLi слоев с показателем преломления nL меньше π/2, а электрическая толщина θHi слоев с показателем преломления nH превышает π/2 на ΔθHi и 2ΔθHi для наружных и внутренних слоев, соответственно, где величины θLi и ΔθHi удовлетворяют уравнению . Технический результат - обеспечение практически любой требуемой ширины полосы пропускания при практически любой неравномерности коэффициента прохождения света в этой полосе. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к устройству, которое использует явление интерференции световых потоков, а именно к резонатору Фабри-Перо. Устройство содержит скрепленные между собой расположенные с регулируемым воздушным зазором пластины с тонкопленочными проводящими или диэлектрическими зеркалами и проводящими тонкопленочными электродами. Причем проводящие элементы подсоединены электрически к внешним электронным устройствам, регулированием зазора за счет изменения силы электростатического притяжения. Пластины скреплены столбиками. Первая пластина в месте расположения столбиков утонена до образования плоской мембраны, одна из плоскостей которой совпадает с плоскостью зеркала, тогда как по крайней мере один проводящий элемент на первой пластине имеет емкостную связь с противостоящим проводящим элементом на второй пластине. Технический результат заключается в обеспечении компактности и плавной перестройки спектра пропускания оптического излучения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ изготовления фильтра интерференционного включает в себя оптическое соединение между собой N цилиндрических оптических элементов с образованием многокомпонентного интерференционного фильтра. На боковую поверхность каждого оптического элемента наносят интерференционное покрытие, на входной торец многокомпонентного интерференционного фильтра наносят двухмерный растр, посредством которого формируют набор дифрагированных пучков, падающих под разными углами на входной торец фильтра, представляющий собой набор элементарных торцевых площадок многокомпонентного интерференционного фильтра. При этом каждый из элементарных дифрагированных пучков при прохождении цилиндрического оптического элемента многокомпонентного интерференционного фильтра претерпевает многократные отражения внутри каждого оптического элемента с интерференционным покрытием, производя на выходном торце многокомпонентного интерференционного фильтра селекцию электромагнитных волн различной длины. Технический результат заключается в обеспечении возможности селекции совокупности узких спектральных диапазонов длин волн (частот) при освещении интерференционного фильтра потоком излучения от источника с широким спектром длин волн. 3 ил.

Интерференционный фильтр содержит первую отражательную пленку и вторую отражательную пленку, размещенную так, чтобы обращаться к первой отражательной пленке с зазором между ними. В первом варианте первая и вторая отражательные пленки включают пленку сплава Ag-Sm-Cu. Во втором варианте первая и вторая отражательные пленки включают пленку сплава Ag-Bi-Nd. В третьем варианте первая и вторая отражательные пленки включают одну из пленок сплава Ag-Sm-Cu и сплава Ag-Bi-Nd. Первая и вторая пленки сплава имеют толщину менее чем 80 нм. Технический результат - повышение жаропрочности и стойкости к обработке при сохранении отражательной способности, а так же повышение пропускной способности. 7 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к инфракрасной оптоэлектронной технике и предназначено для избирательного поглощения и регистрации теплового излучения. Поглотитель теплового электромагнитного излучения представляет собой трехслойную плоскопараллельную тонкопленочную структуру полуметалл (полупроводник) - диэлектрик - металл. Толщина третьего слоя должна быть достаточной, чтобы практически полностью отразить излучение. Толщины первого и второго слоя подобраны так, чтобы удовлетворять условию самого низкочастотного резонанса поглощения, при котором у волны, отраженной от первой границы структуры, и у волны, прошедшей сквозь структуру, отраженной и вышедшей обратно, фазы сдвинуты на 180°, причем из пар толщин, удовлетворяющих первому условию, должна быть выбрана единственная пара, для которой не только фазы этих волн противоположны, но и амплитуды равны, при этом резонансное отражение равно нулю, а материалы первого и второго слоев структуры должны быть выбраны так, чтобы при нулевом отражении толщина первого слоя была как можно меньшей, обеспечивая максимальную ширину полосы поглощения для данной пары материалов. Технический результат - повышение эффективности приема теплового излучения посредством поглотителя, оптимизированного как по частоте, так и по частотной полосе. 1 табл., 5 ил.
Наверх