Интерференционные фильтры для видимой области спектра.
Конструкции и технологии.
Цель лабораторной работы- изучить конструкцию и технологию изготовления интерференционных фильтров.
В процессе выполнения лабораторной работы студенты должны:
изучить конструкции и спектральные характеристики отрезающих, узкополосных и полосовых фильтров;
провести расчет элементарных фильтрующих покрытий по программе ''MultiLayer'';
составить технологический процесс нанесения фильтра.
1. Основные положения
Классификация интерференционных фильтров.
Интерференционные фильтры – это многослойные диэлектрические или металлодиэлектрические оптические системы, служащие для выделения участков спектра различной ширины из сплошного спектра излучения. Принцип их действия основан на явлении многолучевой интерференции в тонких пленках.
Оптические интерференционные фильтры (далее фильтры) представляют собой многослойные системы диэлектрических слоёв с чередующимися (высоким и низким) показателем преломления, нанесённых на прозрачные для требуемого спектрального диапазона подложки.
По назначению интерференционные фильтры подразделяются на отрезающие, узкополосные и полосовые.
В зависимости от функционального назначения устанавливаются следующие типы фильтров и их условные обозначения, приведённые в таблице 1.1
Типы фильтров и их условные обозначения.
Таблица 1.1
Тип фильтра |
Условное графическое обозначение на чертежах |
Сокращённое обозначение |
А
Б) узкополосные В) полосовые
|
|
БК
БД
У П
|
)
отрезающие
В зависимости от состава покрытий и назначения фильтры разделяют на следующие подтипы:
элементарные, состоящие из одного многослойного диэлектрического зеркала или фильтра Фабри – Перо;
составные элементарные, состоящие из нескольких фильтров типа Фабри – Перо, использование которых приводит к расширению или сужению рабочей полосы пропускания;
составные фильтры, состоящие из нескольких элементарных, часть из которых используют для выделения рабочей полосы пропускания (этот фильтр называют основным), а остальные (дополнительные) – для подавления излучения в заданных областях спектра вне рабочей полосы.
Элементарные и составные элементарные фильтрующие покрытия наносят на одну оптическую поверхность подложки.
Покрытия, входящие в составной фильтр, наносят на одну или обе оптические поверхности подложки, а также на несколько подложек.
Оптические толщины и порядок чередования слоёв фильтрующих покрытий при полной их записи в технической документации обозначают последовательным их перечислением, начиная от подложки, с использованием следующих символов:
В – слой оптической толщины λ0/4 из вещества с высоким показателем преломления nв;
Н – слой оптической толщины λ0/4 из вещества с низким показателем преломления nн.
Если оптическая толщина слоя не равна λ0/4 перед символами В и Н записывают соответствующие числовые коэффициенты (например, символы 2В и 0,5В обозначают слои с высоким показателем преломления, оптические толщины которых равны соответственно λ0/2 и λ0/8).
1.1.1 Отрезающие (блокирующие) интерференционные фильтры.
К отрезающим фильтрам относят фильтры, пропускающие излучение с длиной волны, большей (блокирующие коротковолновые) или меньшей (блокирующие длинноволновые) установленного предела.
Основная функция отрезающих (блокирующих фильтров) – блокирование пропускания определённого участка спектра. Чаще всего используются совместно с узкополосным фильтром для отсечения подавления фонового пропускания узкополосного фильтра как в длинноволновой, так и в коротковолновой области спектра относительно полосы пропускания узкополосного фильтра.
В ультрафиолетовом, видимом и ближнем ИК – диапазоне в качестве отрезающих фильтров используется поглощательная способность оптических материалов. Например, используя, различные марки цветных стекол и их толщины можно получить отрезающие фильтры с различной границей пропускания.
Основу конструкции покрытий блокирующих фильтров составляет многослойное зеркало из четвертьволновых по оптической толщине покрытий с чередующимися высоким nв и низким nн показателями преломления.
Значение длины волны λ0,относительно которой определяют оптическую толщину покрытий, соответствует минимальному значению коэффициента пропускания τ в области фильтрации (области высокого отражения) первого порядка интерференции.
Для обозначения типа элементарных блокирующих фильтров используют следующие символы:
БКМ – элементарный отрезающий (блокирующий) коротковолновый фильтр, состоящий из чередующихся слоёв оптической толщины λ0/4 и крайних слоёв оптической толщины λ0/8 из материала с высоким показателем преломления при nв/nп nп/nн , где nп – показатель преломления подложки, или из материала с низким показателем преломления при nп /nн nв /nп.
Состав фильтра: 0,5ВН…Н0,5В или 0,5НВ…В0,5Н.
БДМ – элементарный блокирующий длинноволновый фильтр, состоящий из чередующихся слоёв оптической толщины λ0/4 и последним, считая от подложки, слоем с низким показателем преломления и оптической толщиной λ0/8.
Состав фильтра: ВНВ…ВНВ0,5Н.
Условное обозначение элементарных блокирующих фильтров в технической документации включает в себя:
обозначение типа фильтров;
обозначение исходных материалов для слоёв с высоким и низким показателем преломления по ОСТ 3 – 1901 – 85 [1],разделённых через тире.
Примеры:
БК11 – 29 – 24 – одиннадцатислойный (оптическая толщина крайних слоёв λ0/8, остальных λ0/4) элементарный блокирующий коротковолновый фильтр из чередующихся слоёв сульфида цинка и фторида магния.
БД12 – 29 – 97 – двенадцатислойный ( оптическая толщина последнего, считая от подложки, слоя λ0/8, остальных – λ0/4) элементарный блокирующий длинноволновый фильтр из слоёв сульфида цинка и фторида иттрия.
Отрезающие (блокирующие) коротковолновые фильтры (рис. 1.1) и отрезающие (блокирующие) длинноволновые фильтры (рис 1.2) характеризуют следующими основными параметрами:
рабочий спектральный диапазон – (λк – λд ), где λк и λд – соответственно коротковолновая и длинноволновая границы рабочего спектрального диапазона, определяемые согласно требованиям технического задания (или чертежа), при этом λк должна быть больше или равна значениям длины волны на коротковолновой границе (или длинноволновой границе) пропускания, соответствующей значению коэффициента пропускания 60% или 0,8 τср при τср не менее 60%;
среднее значение коэффициента пропускания в рабочем спектральном диапазоне – τср, определяемое как среднее арифметическое значение коэффициента пропускания в диапазоне (λк – λд );
- коротковолновая граница пропускания –λкгр (мкм, нм)(или длинноволновая граница пропускания – λдгр (мкм, нм) ) , определяемая значением длины волны, соответствующей значению коэффициента пропускания τ = 10% на коротковолновом фронте (или длинноволновом фронте) рабочего спектрального диапазона;
крутизна коротковолновой границы (или длинноволновой границы ) пропускания – Кр, определяемая значением отношения λкгр (или λдгр) к значению длины волны, приходящейся на границу пропускания, для которой значение коэффициента пропускания составляет 60% или 0,8 τср при τср менее 60%;
Кр = λкгр / λк
- коэффициент пропускания в заданной коротковолновой области (или длинноволновой области) подавления (блокировки) мешающего излучения (λкф – λдф)(фон) – τкф(τдф), при этом требования к значению τкф (τдф) должны быть заданы в виде предельно допускаемого среднего арифметического значения τ в диапазоне (λкф – λдф).
Примечания:
Элементарные блокирующие коротковолновые фильтры характеризуют также параметром λкп, определяемым как значение длины волны, соответствующей значению τ = 10% и приходящейся на длинноволновый фронт коротковолновой полосы пропускания.
Элементарные блокирующие длинноволновые фильтры характеризуют также параметром λдп, определяемым как значение длины волны, соответствующей значению τ =10% и приходящейся на коротковолновый фронт полосы пропускания.
τ
%
90
8
0
70
6
0
50
40
30
20
1
0
0
λкф λ кп τкф λдф λкгр λк λд λ, мкм
Рис.1.1 Блокирующий коротковолновый фильтр.
τ
,%
100
90
8
0
70
6
0
50
40
30
20
1
0
0
λк λд λдгрλкф τдф λдп λдф λ, мкм
Рис.1.2 Блокирующий длинноволновый фильтр.
1.1.2 Узкополосные и полосовые фильтры.
К узкополосным и полосовым относят фильтры, пропускающие излучение в спектральном диапазоне, ограниченном как со стороны коротких, так и со стороны длинных волн. При этом фильтры, ширина полосы пропускания которых на уровне 0,5 τ max – полуширина – не превышает 0,25λmax, определяют как узкополосные, а фильтры, полуширина полосы пропускания которых более 0,25λ max – как полосовые.
Основу конструкции покрытий узкополосных фильтров составляет фильтр типа Фабри– Перо, представляющий собой два многослойных диэлектрических зеркала, разделённые слоем диэлектрика, оптическая толщина которого кратна λ0/2. При этом λ0 – длина волны, соответствующая максимальному значению коэффициента пропускания в полосе пропускания первого порядка интерференции.
Конструкции покрытий полосовых фильтров включают в себя как многослойные диэлектрические зеркала, так и фильтры типа Фабри– Перо.
Для обозначения типа элементарных узкополосных и полосовых фильтров используют следующие символы:
УкМ (m1 + 1 + m2) – элементарный узкополосный фильтр типа Фабри – Перо, состоящий из m1 и m2 числа чередующихся слоёв оптической толщины λ0/4 и средним слоем к * λ0/2, где к = 1,2,3 и т.д. Крайние слои выполнены из вещества с высоким показателем преломления, а полуволновый по оптической толщине слоёв зависимости от общего числа слоёв М и значения m1 – из вещества с высоким или низким показателем преломления. Различают фильтры первого (к = 1), второго (к = 2) и т.д. порядков. При К = 1 и m1 + m2 эти символы не указывают.
Состав фильтра: ВН…ВН к2В НВ…НВ или ВН…НВ к2Н ВН…НВ
N [Ук1М1 – Ук2(m1 + 1 + m2) – … – УкNМN] – составной элементарный узкополосный фильтр, состоящий из N числа элементарных узкополосных фильтров УкМ или Ук(m1 + 1 + m2), соединённых между собой слоем Н. При к1= к2 = … к М1 = (m1 + 1 + m2) = … = МN и m1 = m2 составной фильтр
обозначают через: (индексом М обозначают число слоев в каждом из элементарных фильтров )
П I – М – элементарный полосовой фильтр, состоящий из М числа чередующихся слоёв с низким показателем преломления и оптической толщиной λ0/2 ( крайние слои имеют оптическую толщину λ0/4 ) и с высоким показателем преломления и оптической толщиной λ0/4.
Состав фильтра: НВ2Н … 2НВН.
П2 – М – элементарный полосовой фильтр, состоящий из М числа чередующихся слоёв с высоким показателем преломления и оптической
толщиной λ0/2 и с низким показателем преломления и оптической толщиной λ0/4.
Состав фильтра: 2ВН2В…2ВН2В.
П3 – элементарный полосовой фильтр, состоящий из чередующихся слоёв с высоким и низким показателем преломления, оптические толщины которых соответственно равны 3 λ0/8 и λ0/8.
Состав фильтра: 1,5В0,5Н1,5В…1,5В0,5Н1,5В.
Условное обозначение элементарных узкополосных фильтров в технической документации включает в себя:
обозначение типа фильтров;
обозначение исходных материалов для слоёв с высоким и низким показателями преломления по ОСТ 3 – 1901 – 85, разделённых через тире.
Примеры:
У9 – 16 – 31 – девятислойный (оптическая толщина среднего слоя λ0/2, остальных – λ0/4) элементарный узкополосный фильтр первого порядка из слоёв германия и моноокиси кремния.
(У3 – У23 –У3 ) – 27 – 18 – одиннадцатислойный составной элементарный узкополосный фильтр, состоящий из трёх трёхслойных элементарных узкополосных фильтров первого, второго и первого порядков, соединённых через четвертьволновый по оптической толщине слой с низким показателем преломления, из чередующихся слоёв сульфида сурьмы и фторида стронция.
Условное обозначение составных узкополосных и полосовых фильтров в технической документации включает в себя:
обозначение типа фильтра;
- записанные в круглых скобках через тире цифровые значения (в микрометрах), заданные техническими требованиями, значения длины волны, соответствующей максимальному значению коэффициента пропускания или центру рабочей полосы пропускания, и значение полуширины рабочей полосы пропускания.
Пример: П(8,0 – 1,8) – полосовой фильтр, центр рабочей полосы которого соответствует длине волны 8,0 мкм, а спектральная ширина этой полосы на уровне значений коэффициента пропускания τ = 0,5τср (τср – среднее значение коэффициента пропускания ) составляет 1,8 мкм.
А) Узкополосные фильтры на основе элементарных узкополосных фильтров типа УкМ(m1 + 1 + m2) характеризуют следующими основными параметрами (рис.1.3):
длина волны, соответствующая максимальному значению коэффициента пропускания в рабочей полосе пропускания – λmax;
значение коэффициента пропускания в максимуме – τmax ;
спектральная ширина рабочей полосы пропуская на уровне τ = 0,5τmax – Δλ0,5 (полуширина рабочей полосы пропускания);
спектральная ширина рабочей полосы пропускания на уровне τ = 0,1τmax – Δλ0,1 ;
значение коэффициента пропускания в заданных нерабочих коротковолновом (λ1кф – λ1дф) и длинноволновом (λ2кф – λ2дф) участках спектра – τкф и τдф, При этом требования к значениям τкф и τдф должны быть заданы в виде предельно допустимых средних арифметических значений в соответствующих участках спектра.
Примечания:
Допускается требования к значениям параметров τкф и τдф определять раздельно для любого заданного участка спектра, входящего в диапазоны (λ1кф – λ1дф) и (λ2кф – λ2дф).
Элементарные узкополосные фильтры характеризуются также параметрами λкп и λдп). Они определяются как значения длин волн, соответствующих значению τ = = 10% на коротко – и длинноволновом фронте побочных полос пропускания вне рабочей области действия (в части обеспечения высокого отражения) диэлектрических зеркал.
, %
100
90
8
0
70
60
50
4
0
30
20
1
0
0
λ 1кф λкп τ кф λ1дфλк0,5 λmax λд0,5 λ2кф τ дф λдп λ2дф λ , мкм
Рис. 1.3 Узкополосный фильтр
Б) Узкополосные фильтры N[Ук1М1 – Ук2(m1 + 1 + m2)…– УкNМN] и полосовые фильтры характеризуют следующими основными параметрами (рис.1.4):
длина волны рабочей полосы пропускания λср, определяемая как λср = =(λ0,5к + +λ0,5д )/2, где λ0,5к и λ0,5д – длины волн, соответствующие значением τ = =0,5τmax (τmax – максимальное значение коэффициента пропускания в рабочей полосе пропускания ) на коротко – и длинноволновой границах рабочей полосы;
среднее значение коэффициента пропускания в рабочей полосе пропускания – τср , определяемое как среднее арифметическое значение коэффициента пропускания в диапазоне длин волн λ0,8к и λ0,8д соответствующим значениям τ = 0,8τmax на коротко – и длинноволновой границах рабочей полосы;
параметры Δ λ0,5, λ0,1, τкф , τдф , а также λкп и λдп для элементарных фильтров, определяемые аналогично узкополосным фильтрам на основе элементарных узкополосных фильтров типа УкМ(m1 + 1 + m2).
τ , %
100
90
8
0
70
60
50
4
0
30
20
1
0
0
λ1кф λкп τ кф λ1дф λк0,5 λк0,8 λср λд0,8 λд0,5 λ2кфτ дф λдф λ2дф λ , мкм
Рис. 1.4 Полосовой фильтр.