Оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр


 


Владельцы патента RU 2552127:

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

Известен оптический трехрезонаторный 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]. Трехрезонаторный фильтр содержит чередующиеся диэлектрические слои из материалов с высоким и низким показателями преломления. В нем все слои с высоким показателем преломления (nH) выполнены из одного материала, а все слои с низким показателем преломления (nL) выполнены из второго материала. Три диэлектрических слоя фильтра имеют электрическую (т.е. фазовую) толщину π на центральной частоте полосы пропускания. Они являются резонаторами фильтра. Остальные диэлектрические слои имеют электрическую толщину π/2. Они образуют многослойные диэлектрические зеркала, отделяющие резонаторы друг от друга (внутренние зеркала) и от внешнего пространства (наружные зеркала). Количество слоев в наружных и внутренних зеркалах определяется предложенными математическими формулами, описывающими зависимость только от двух величин - от отношения показателей преломления двух используемых материалов и от относительной ширины полосы пропускания фильтра.

Недостатком известного трехрезонаторного фильтра 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, равным трем. Причем увеличение числа резонаторов в аналоге не предусмотрено согласно формуле изобретения. Другим недостатком аналога является принципиальная невозможность реализации фильтра с точно заданной шириной полосы пропускания света и точно заданной неравномерностью коэффициента прохождения в этой полосе, так как количество слоев в наружных и внутренних зеркалах фильтра, определяющих эти характеристики, не может быть дробным.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является многорезонаторный фильтр [Прототип: P. Baumeister. Application of microwave technology to design an optical multilayer bandpass filter // Applied Optics. 2003. Vol.42, №13, p.2407-2414, Fig.7]. Фильтр содержит чередующиеся диэлектрические слои из материалов с высоким и низким показателями преломления, нанесенные на одну сторону стеклянной подложки. В нем все слои с высоким показателем преломления (nH) выполнены из одного материала, а все слои с низким показателем преломления (nL) выполнены из второго материала. Часть слоев с низким показателем преломления (nL) имеют электрическую толщину π на центральной частоте полосы пропускания. Они являются резонаторами фильтра. Остальные слои образуют многослойные диэлектрические зеркала, отделяющие каждый резонатор от соседнего резонатора, стеклянной подложки или внешнего пространства. В каждом зеркале электрическая толщина всех слоев, за исключением трех слоев, расположенных один за другим, равна π/2.

Недостатком многорезонаторного фильтра является то, что он может быть реализован не для любых требуемых значений ширины полосы пропускания и не для любых требуемых значений неравномерности коэффициента прохождения света в этой полосе. Этот недостаток связан с тем, что отклонение электрической толщины от π/2 только для трех слоев в каждом многослойном зеркале не всегда бывает достаточным для того, чтобы фильтр имел требуемые параметры полосы пропускания.

Техническим результатом заявляемого изобретения является возможность реализации практически любой требуемой ширины полосы пропускания при практически любой неравномерности коэффициента прохождения света в этой полосе, что расширяет область применения многослойного полосно-пропускающего фильтра.

Технический результат достигается тем, что в оптическом многослойном полосно-пропускающем фильтре, содержащем диэлектрическую подложку с нанесенными на нее тонкопленочными слоями диэлектриков с чередующимися высоким показателем преломления nH и низким показателем преломления nL, в которых часть слоев с низким показателем преломления nL является резонаторами, имеющими электрическую толщину π на центральной частоте полосы пропускания, а все остальные слои образуют многослойные диэлектрические зеркала, отделяющие каждый резонатор от соседнего резонатора, диэлектрической подложки или внешнего пространства. В каждом i-ом зеркале электрическая (т.е. фазовая) 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 .

Заявляемый оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр отличается от прототипа тем, что 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

.

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 и таблицами.

На фиг.1 изображена конструкция фильтра. Здесь R - однослойные резонаторы, M1, М2, М3, M 1 ' - многослойные зеркала, А - воздушная окружающая среда, G - стеклянная подложка.

На фиг.2 представлены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) для приведенного примера фильтра. Сплошная линия изображает зависимость коэффициента прохождения света S21, а штриховая линия - зависимость коэффициента отражения S11 (Sij - элементы матрицы рассеяния). Значения обоих коэффициентов выражены в децибелах, текущая частота f нормирована на центральную частоту полосы пропускания f0.

В табл.I приведены электрические толщины тонкопленочных слоев в зеркалах фильтра.

Пример осуществления изобретения.

Оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр выполнен из двух диэлектрических материалов: рутила (TiO2) с показателем преломления nH=2.39 и кварца (SiO2) с показателем преломления nL=1.46. Тонкопленочные диэлектрические слои нанесены на подложку из стекла (BK7) с показателем преломления nG=1.517. Конструкция фильтра показана на фиг.1. Фильтр содержит всего 67 тонкопленочных слоев. Из них 5 слоев являются резонаторами. Они выполнены из материала с показателем преломления nL и имеют электрическую толщину π. На фиг.1 резонаторы обозначены букой R. Средами, окружающими фильтр, являются воздух (слева) и стеклянная подложка (справа). Они обозначены буквами А и G, соответственно. Остальные 62 тонкопленочных слоя образуют 6 многослойных диэлектрических зеркал, обозначенных как М1, М2, М3 и M 1 ' . Крайние зеркала М1 и M 1 ' содержат по 5 слоев. Остальные зеркала, то есть М2 и М3, содержат по 13 слоев. Значения электрических толщин слоев в зеркалах фильтра с относительной шириной полосы пропускания 2% и величиной неравномерности частотной характеристики в полосе пропускания, характеризуемой уровнем максимального отражения S11 max=-15 дБ, приведены в Таблице I. Все эти значения удовлетворяют единому для всех зеркал условию

Достижение технического результата, а именно возможности реализации практически любой требуемой ширины полосы пропускания (в данном примере это 2%) при практически любой неравномерности коэффициента прохождения света в этой полосе (в данном примере это S11 max=-15 дБ) подтверждается амплитудно-частотной характеристикой на фиг.2, рассчитанной для параметров слоистой структуры, представленных в Таблице I.

Приведенный пример осуществления изобретения отличается от известных конструкций фильтров тем, что 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 (1).

Фильтр работает следующим образом. На центральной частоте полосы пропускания f0 каждое многослойное зеркало Mi эквивалентно другому многослойному зеркалу с четвертьволновыми слоями. Слои этого эквивалентного зеркала имеют показатели преломления nH и ni (nH>ni>nL). Такие многослойные зеркала не возмущают резонансные частоты резонаторов в фильтре, что существенно упрощает конструирование многослойных фильтров. Поэтому конструирование фильтра сводится только к нахождению оптимальных значений ni.

Эквивалентность сопоставляемых многослойных зеркал означает равенство отвечающих им ABCD-матриц (т.е. характеристических матриц). В частности, равенство диагональных элементов ABCD-матриц дает уравнение (1). Оно выражает требование, чтобы все слои эквивалентного зеркала имели электрическую толщину π/2.

Таким образом, преимуществом заявляемого оптического многослойного фильтра является то, что в нем при использовании всего двух материалов с неодинаковыми показателями преломления имеется возможность плавной перестройки как ширины его полосы пропускания, так и величины неравномерности коэффициента прохождения света в этой полосе.

Оптический многослойный полосно-пропускающий фильтр, содержащий диэлектрическую подложку с нанесенными на нее тонкопленочными слоями диэлектриков с чередующимися высоким показателем преломления nH и низким показателем преломления nL, в которых часть слоев из материала с показателем преломления nL является резонаторами, имеющими электрическую толщину π на центральной частоте полосы пропускания, а все остальные слои образуют многослойные диэлектрические зеркала, отделяющие каждый резонатор от соседнего резонатора, диэлектрической подложки или внешнего пространства, отличающийся тем, что 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 .



 

Похожие патенты:

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.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и касается способа компенсации температурного смещения полосы пропускания интерференционно-поляризационного фильтра.

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.

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.

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.

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