Оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр

Авторы патента:

Шабанов Василий Филлипович (RU)

Беляев Борис Афанасьевич (RU)

Тюрнев Владимир Вениаминович (RU)

G02B5/28 - интерференционные

Владельцы патента RU 2538078:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук (RU)

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 волоконно-оптической технике и может быть использовано в оптических устройствах связи и спектрометрах комбинационного рассеяния света.

Известен оптический многослойный фильтр [Аналог: Гончаров Ф.Н., Лапшин Б.А., Петраков В.А., Политыкин Р.В., Шмидт А.А. Оптический многослойный фильтр. Патент РФ №2316029, 27.01.2008, МПК G02B 5/28]. Фильтр содержит чередующиеся диэлектрические слои из материалов с высоким и низким показателями преломления. В нем все диэлектрические слои с высоким показателем преломления (n_в) выполнены из одного материала, а все слои с низким показателем преломления (n_н) выполнены из второго материала. Три диэлектрических слоя фильтра имеют оптическую толщину λ/2, где λ - средняя длина волны в полосе пропускания. Они являются резонаторами фильтра. Остальные диэлектрические слои имеют оптическую толщину λ/4. Они образуют многослойные диэлектрические зеркала, отделяющие резонаторы друг от друга и от внешнего пространства. Количество слоев в наружных и внутренних зеркалах определяется предложенными математическими формулами, зависящими только от двух величин - от отношения показателей преломления двух используемых материалов и от относительной ширины полосы пропускания фильтра.

Недостатком известного аналога являются низкие селективные свойства, выражающиеся в слабом ослаблении проходящего света за пределами полосы пропускания и малой крутизне склонов самой полосы пропускания. Этот недостаток обусловлен малым числом резонаторов (полуволновых слоев). Другим недостатком описанного аналога является принципиальная невозможность реализации фильтра с точно заданной шириной полосы пропускания света и точно заданной неравномерностью коэффициента прохождения в этой полосе, так как числа слоев в наружных и внутренних зеркалах фильтра, определяющих эти характеристики, не может быть дробным.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является многорезонаторный фильтр [Прототип: Н.A. Macleod. Thin-film optical filters. 4-th ed., Tucson: CRC Press, ©2010 Taylor and Francis Group, p.356-357, Figure 8.22]. Фильтр содержит чередующиеся диэлектрические слои из материалов с высоким (n_в=2.35) и низким (n_н=1.35) показателями преломления, расположенные между двумя стеклянными пластинами (n_с=1.52). Все резонансные слои выполнены из материала с высоким показателем преломлений (n_с), имеют оптическую толщину λ/2, а все слои диэлектрических зеркал имеют оптическую толщину λ/4. Все зеркала, расположенные между резонансными полуволновыми слоями, одинаковы. Остальные два зеркала, расположенные снаружи от резонансных слоев, имеют меньшее число слоев, чем внутренние зеркала. Они также одинаковы.

Недостатком многорезонаторного фильтра является его низкая селективность, выражающаяся в большой неравномерности коэффициента прохождения света в полосе пропускания. Она связана с тем, что нельзя точно обеспечить требуемую величину отражательной способности каждого из зеркал для выравнивания этой неравномерности. Кроме того, фильтр при большом числе резонаторов имеет высокие потери в полосе пропускания из-за конечной величины диэлектрической добротности материала, используемого в резонансных полуволновых слоях.

Для выравнивания неравномерности коэффициента прохождения света в полосе пропускания многорезонаторного фильтра требуется, чтобы отражательная способность диэлектрических зеркал монотонно убывала от центра фильтра к его наружным границам. Для уменьшения же потерь в полосе пропускания фильтра требуется, чтобы резонансные слои были выполнены из материала с высокой добротностью.

Техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение неравномерности коэффициента прохождения света в полосе пропускания фильтра. Техническим результатом также является уменьшение потерь в полосе пропускания фильтра.

Технический результат достигается тем, что в оптическом многослойном полосно-пропускающем фильтре симметричной конструкции с чередующимися диэлектрическими слоями с высоким и низким показателем преломления, образующими систему однослойных резонаторов, разделенных один от другого и от окружающего пространства прилегающими многослойными зеркалами, в которой диэлектрический слой каждого резонатора имеет оптическую толщину λ/2, каждый диэлектрический слой в каждом многослойном зеркале имеет оптическую толщину λ/4, новым является то, что 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.

Заявляемый оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр отличается от прототипа тем, что (а) диэлектрические слои в зеркалах выполнены, по меньшей мере, из трех материалов с неодинаковыми показателями преломления и (б) отражательная способность зеркал убывает по мере отдаленности зеркала от центра конструкции. Кроме того, резонансные слои являются воздушными.

Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежных областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен пример выполнения заявляемого оптического многослойного полосно-пропускающего фильтра. Резонансные слои помечены штриховкой, в зеркалах слои с высоким показателем преломления выделены серой заливкой. Числа указывают показатели преломления слоев.

На фиг.2 представлена частотная характеристика фильтра, конструкция которого показана на фиг.1. Сплошной линией изображена зависимость коэффициента прохождения света S₂₁, а пунктирной линией - коэффициента отражения S₁₁ (S_ij - компоненты матрицы рассеяния фильтра). Значения обоих коэффициентов выражены в децибелах, текущая частота ƒ нормирована на центральную частоту полосы пропускания ƒ₀.

На фиг.3 сравниваются частотные зависимости коэффициента прохождения света S₂₁ для заявляемого фильтра (сплошная линия) и (пунктирная линия) для фильтра, в зеркалах которого все слои с низким показателем преломления выполнены из одного материала (n=1.25).

Примером осуществления изобретения является оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр, показанный на фиг.1. Он симметричен относительно центральной плоскости и содержит 31 диэлектрический слой. В фильтре каждый слой с высоким показателем преломления n_в (выделен серой заливкой) чередуется со слоем с низким показателем преломления n_н. Все слои с высоким показателем преломления n_в выполнены из одного материала (n_в=4.0). Из всех слоев фильтра только 5 слоев (выделены штриховкой) имеют оптическую толщину λ/2. Они являются резонаторами фильтра. Все остальные слои имеют оптическую толщину λ/4. Они образуют 6 многослойных зеркал, между которыми расположены резонансные слои. Каждый из двух наружных зеркал имеет по 3 диэлектрических слоя, а каждый из четырех внутренних зеркал имеет по 5 слоев.

Этот пример отличается от известных конструкций фильтров тем, что в многослойных зеркалах этого фильтра величина показателя преломления n_н четвертьволновых диэлектрических слоев с низким показателем преломления монотонно растет от центра конструкции к ее краям (n_н=1.1211, 1.403, 2.924), что обеспечивает уменьшение отражательной способности зеркал по мере их отдаленности от центра конструкции. Кроме того, все полуволновые (резонансные) слои являются воздушными (n=1). Поэтому в них отсутствуют диэлектрические потери.

В этом примере фильтр изготавливается из пластины германия (Ge), имеющего n_в=4.0. В нем поперек германиевой пластины выполняются параллельные плоские прорези полуволновой и четвертьволновой толщины и глубиною не менее диаметра фильтруемого луча света, отстоящие одна от другой на четверть длины волны, с помощью электронной литографии и сухого травления в индуктивно-связанной плазме. Полуволновые прорези оставляют воздушными, а четвертьволновые - заливают 1,1-дифторэтаном (C₂H₄F₂), паральдегидом (C₆H₁₂О₃) и заполняют кристаллическим таллий-ванадиевым сульфидом (Тl₃VS₄), имеющих значения показателей преломления, соответственно, n_н=1.211, 1.403, 2.924. Таким образом, фильтр представляет собой многокамерную германиевую кювету, часть камер которой остается пустой, а другая часть залита жидкими диэлектриками или заполнена твердыми диэлектриками.

Достижение технического результата, а именно уменьшение неравномерности коэффициента прохождения света в полосе пропускания, подтверждается частотной характеристикой, представленной на фиг.2. Относительная ширина полосы пропускания по уровню - 3 дБ составляет 2%. Все максимумы отражения в полосе пропускания имеют высоту - 15 дБ. Неравномерность коэффициента прохождения света S₂₁ в полосе пропускания (глубина минимумов между максимумами) составляет ΔS₂₁=0.14 дБ.

Графики на фиг.3 показывают, как сильно ухудшается частотная зависимость коэффициента прохождения света S₂₁(ƒ) в предлагаемом примере выполнения фильтра, если в нем в четвертьволновых слоях все материалы с неодинаковыми низкими показателями преломления (n_н=1.211, 1.403, 2.924) заменить одним материалом (n_н=1.25), то есть использовать два материала в зеркалах как в прототипе. Значение показателя преломления этого материала (n_н=1.25) подобрано таким, чтобы ширина области, показанной стрелкой на фиг.3, осталась неизменной.

Фильтр работает следующим образом. Четвертьволновые чередующиеся слои с высоким и низким показателем преломления формируют полосу заграждения. Свет в полосе заграждения испытывает сильное отражение. Напротив, полуволновые слои, являясь резонансными, способны передавать друг другу или в окружающее пространство свою энергию в узкой резонансной полосе частот. Взаимодействие нескольких полуволновых слоев приводит к появлению в них связанных колебаний, число которых равно числу резонаторов. На резонансных частотах связанных колебаний формируются максимумы прохождения света. Глубина минимумов прохождения света, расположенных между максимумами, сильно зависит от отражательной способности каждого из зеркал в фильтре. Для выравнивания глубины всех минимумов прохождения при заданной их величине требуется обеспечить определенные величины отражательных способностей зеркал. Отражательная способность зеркал в фильтре с выравненной неравномерностью коэффициента прохождения монотонно убывает по мере отдаленности зеркала от центра конструкции. При этом скорость убывания растет с уменьшением глубины минимумов коэффициента прохождения. Грубая подстройка отражательной способности зеркал осуществляется подбором числа слоев в зеркале, а тонкая подстройка - подбором контраста показателей преломления n_в/n_н соприкасающихся слоев в зеркале.

Таким образом, преимуществом заявляемого оптического многослойного фильтра является то, что в нем, благодаря использованию не менее трех материалов с неодинаковыми коэффициентами преломления, величина неравномерности коэффициента прохождения света в полосе пропускания может быть сделана сколь угодно малой. Другим преимуществом является малая величина затухания проходящего света в полосе пропускания, достигаемая благодаря использованию высокодобротных воздушных резонансных слоев.

1. Оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр, включающий 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, в которой 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, отличающийся тем, что 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.

2. Оптический многослойным полосно-пропускающий фильтр по п.1, отличающийся тем, что резонансные слои являются воздушными.

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.

Способ повышения плотности мощности светового излучения внутри среды // 2525674

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 в виде двухзеркального интерферометра фабри-перо // 2518366

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

Перестраиваемый интерферометр фабри-перо // 2517801

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.

Парный оптикопеременный защитный элемент, имеющий характерные длины волн отраженного излучения // 2517546

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.

Дихроический отрезающий фильтр для получения изображения // 2516194

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

Интерференционный многолучевой светофильтр (варианты) // 2515134

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.

Составной интерференционный фильтр с изменяемым пропусканием // 2512089

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.

Способ спектральной фильтрации диффузного излучения // 2511036

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

Многоспектральный интерференционный светофильтр для защиты от лазерного излучения // 2504805

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.

Способ компенсации температурного смещения полосы интерференционно-поляризационного фильтра // 2539113

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.

Оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр // 2547898

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.

Оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр // 2552127

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.

Устройство электрически управляемого оптического прибора и способ его изготовления // 2572523

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 // 2580179

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, оптический модуль и анализирующее устройство // 2581742

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.

Трехслойное тонкопленочное покрытие, широкополосно резонансно поглощающее инфракрасное излучение и обладающее высокой тепловой чувствительностью // 2583345

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.

Система анализа флюидов с интегрированным вычислительным элементом, образованным путем атомно-слоевого осаждения // 2618743

Система анализа флюидов содержит интегрированный вычислительный элемент (ИВЭ), образованный путем атомно-слоевого осаждения (АСО), который обеспечивает фильтрацию светового потока, прошедшего через образец, что обеспечивает возможность прогнозирования химического или физического свойства образца. Также система содержит датчик, который выполняет преобразование оптических сигналов в электронные. Также система выполнена с возможностью направлять световой поток перед или после фильтрации через линзу, на которую нанесён слой образованный или модифицированный путем АСО. Технический результат заключается в создании конструкции интегрированного вычислительного элемента, которая обеспечивает более точное определение химических и физических свойств вещества. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 9 ил.