Разработка и исследование перестраиваемых микромеханических интерференционных оптоэлектронных приборов для спектрального анализа

В настоящее время техника оптоэлектронных приборов и комплексов базируется, в основном, на использовании классических оптических элементов, что предполагает сборные конструкции систем, обладающие значительными массогабаритами. Однако, развитие в последние десятилетия микросистемной техники может предложить альтернативу классическим устройствам оптоэлек-троники.

Микросистемная техника развивается по нескольким направлениям, включающим микроэлектромеханические, микрооптоэлектромеханические, микрофлюидные и микропневматические системы и компоненты. Функциональные назначения микросистем различны, однако между ними имеется фундаментальное сходство, которое в «Перечне критических технологий РФ» определяется следующим образом: «сверхминиатюрные механизмы, приборы, машины с ранее не достижимыми массогабаритами, энергетическими показателями и функциональными параметрами, создаваемые эффективными процессами микрои нанотехнологии».

Наиболее широко распространены оптические микросистемы в виде чипа с матрицей микрозеркал, угловым положением которых можно индивидуально управлять электрическитакие микросистемы являются основой компактных оптических проекторов изображений.

Значительную долю используемых в научных исследованиях и в промышленности оптических и оптоэлектронных устройств занимают спектральные приборы. Известен ряд попыток создания микроминиатюрных монохрома-то ров и спектрометров на принципах микромеханики, но создать устройства с параметрами, близкими к параметрам классических приборов, не удаётся. Трудно разрешимыми проблемами являются, кроме технологических, дифракционные ограничения при попытках обеспечить высокую разрешающую силу с верх м и н иатюрн ых спектральных устройств.

Настоящее исследование посвящено вопросам создания сверхминиатюрных спектральных микрооптоэлектромеханических систем (МОЭМС) с электрически перестраиваемым спектром оптического пропускания, выполняющих функции электрически перестраиваемых узкополосных светофильтров и моно-хроматоров. Диспергирующим элементом спектрального устройства выбран интерферометр Фабри-Перо с изменяемым воздушным промежутком между зеркалами, который практически лишен дифракционных ограничений и допускает максимально возможную миниатюризацию устройства с сохранением значения светосилы. Широкий диапазон перестройки спектра с изменением положения полосы пропускания, вплоть до октавы, обеспечивается нанотехноло-гиями изготовления МОЭМС .

В основе исследований и ожидаемых функциональных особенностей устройств лежит возможность создания методами нанотехнологии между протяжёнными поверхностями слоев многослойной тонкоплёночной структуры регулируемого эквидистантного воздушного промежутка шириной в нанометровом диапазоне размеров. Требование эквидистантности зазора заменяет собой в ряде случаев требование высокой плоскостности ограничи вающих его поверхностей. Величина зазора может быть порядка десятков и сотен нм при площади поверхностей, близкой величине используемой подложки.

Современные требования к оптическим поверхностям интерференционных устройств с высоким уровнем параметров обеспечиваются с большими технологическими сложностями — это плоскостность с допустимыми отступлениями от неё порядка десятых-сотых долей длины волны света при величине поверхности, определяющей светосилу оптического устройства, порядка единиц-десятков квадратных сантиметров.

Для получения эквидистантного нанозазора найдены нетрадиционные подходы, описываемые нижев нижнем диапазоне значений зазора возможно существенное влияние на расстояние между ограничивающими зазор реальными поверхностями их атомарных и структурных неровностей, что заставляет в исследованиях учитывать эти эффекты.

Возможность регулирования зазора по величине может достигаться пьезоэлектрическим, электростатическим или иным воздействием на граничащие с зазором структуры. Предлагаемый подход упрощает решение технологической части задачи создания микроприборов — анализаторов спектра.

Актуальность исследования обусловлена возможностью создания сверхминиатюрных спектральных устройств типа перестраиваемых светофильтров и монохроматоров в виде оптических микросистем с оптическими параметрами современных классических спектральных приборов подобного назначения.

Цель работы и задачи исследования.

Разработка и исследование физико-технических основ оптических многолучевых интерференционных спектральных устройств микросистемной техники, электрически пересграиваемых по диапазону спектра порядка долей октавы. Решаются задачи:

— разработка элементов теории и методов расчёта оптических характеристик и температурной стабильности перестраиваемых в широком диапазоне спектра многолучевых интерферометров с эквидистантными промежутками, ограниченными имеющими отклонения от плоскостности зеркальными поверхностями;

— разработка ф и зи ко-техничес к и х основ получения регулируемых воздушных эквидистантных микрои наноразмерных промежутков между отражающими поверхностями интерферометра с отношением апертуры интерферометра к вел ичине промежутка 104 -105;

— разработка методов электрического регулирования величины воздушных микрои нанопромежутков между зеркалами интерферометров;

— создание и экспериментальные исследования макетов перестраиваем ых м и кромехан и чес ких многолучевых интерферометров.

Научная новизна.

Научная новизна диссертационной работы заключается в создании физико-технических основ микрооптоэлектромеханических интерференционных перестраиваемых спектральных приборов.

При этом:

— впервые предложено в устройствах многолучевой интерференции для компенсации неровностей зеркал промежутки между зеркалами выполнять эквидистантными, что позволяет перестраивать интерферометр в диапазоне октавыразработаны расчётные модели устройств,.

— разработаны элементы теории перестраиваемых мульти п л екс-интерфе-рометровпоказано существование эффекта переключения полос пропускания при перестройке интерферометра и достижимость разрешающей силы до 104;

— впервые предложены и разработаны способы получения регулируемых эквидистантных микрои наноразмерных промежутков между отражающими поверхностями интерферометра с апертурой около 1 см² и предложены методы обеспечения термостабильности интерферометровна найденные решения получены патенты;

— разработаны конструкции и исследованы макеты перестраиваемых интерферометров видимого диапазона спектра с пьезорегулированием микро-и наноразмерных воздушных промежутков, создан измерительный стенд для исследования макетов.

Практическая значимость работы.

1. Разработана лабораторная технология изготовления монохроматоров и перестраиваемых оптических фильтров видимого спектра для микросистемных устройств оптоэлектроники, применимая также при создании спектральных устройств ближнего ИК-спектра;

2. Разработана лабораторная технология получения наноразмерных регулируемых промежутков между полированными поверхностями для оптических устройств микрооптики и оптоэлектроники, основанных на эффектах оптического туннелирования через малые промежутки;

3. Разработанный испытательный стенд применим в лабораторном практикуме учебного процесса;

4. При выполнении законченной НИР «Стокер» (2005;2008 гг.) использованы разработанные соискателем в ходе исследований по диссертации технологии получения зеркальных покрытий и мембран.

Основные результаты исследования, выносимые на защиту.

1. Разработка основ теории перестраиваемых оптоэлектромикромехани-ческих интерферометров и светофильтров на основе Фабри-Перо.

2. Разработка физико-технических основ функционирования перестраиваемого светофильтра, на основе использования мультиплекс-интерферометра, с возможностью перестройки светофильтра с низким порядком интерференции в пределах видимого диапазона спектра.

3. Лабораторная технология изготовления перестраиваемого светофильтра на основе интерферометра Фабри-Перо с эквидистантными промежутками между зеркалами интерферометра, имеющими отклонениями от плоскостности.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и представлялись на: III, IV, V, VI и VII Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь» (Новосибирск, 2007 г., 2008 г., 2009 г., 2010 г., 2011 г. и 2012 г.), а также на научных семинарах и совещаниях кафедры физики СГГА.

Публикации.

Основное содержание диссертации опубликовано в 13 научных работах и 2 патентах, в том числе: 2 работы опубликованы в ведущих рецензируемых журналах «Изв. вузов. Приборостроение» и «Письма в ЖТФ», соответствующих профилю диссертации и входящих в перечень изданий, определенных ВАК Минобрнауки РФ, 8 статей в материалах международных конгрессов и конференций.

1. Классификация и сравнительная оценка параметров диспергирующих устройств оптических спектральных приборов.

1.1. Классификация фильтров оптического излучении и характеризующие их основные параметры.

По виду спектральной характеристики фильтры разделяются на полосовые и отрезающие (рис. 1, а, б).

Рис. 1. Спектральные характеристики полосового (а) и отрезающего (б) фильтров [1].

Параметрами полосового фильтра являются прозрачность в максимуме Гтах, рабочая длина волны Х0, ширина полосы 5л. на половине максимальной прозрачности, прозрачность Тф за пределами полосы (фон) и контрастность, выражаемая отношением Гтах / Тф. Величина Х0/ЬХ, представляющая собой добротность фильтра, в простейших случаях составляет 10^ 100. В применении к спектральным приборам величину Х0 / 8Х называют разрешающей способностью, разрешающей силой. Для средних и хороших по разрешению спектральных приборов типичны значения А, 0 / бл,=103 -КЮ5, для спектральных приборов высокой разрешающей силы — 105 -ПО7. Методами нелинейной спектроскопии достигают разрешения еще на 5 ч-7 порядков выше. Во многих случаях фильтрующие устройства должны обеспечивать передвижение (сканирование) выделяемого участка 6л относительно спектра.

Для отрезающих фильтров (рис. I, б) кроме длины волны перехода от прозрачности к непрозрачности важной величиной является крутизна спектральной характеристики. Отрезающие фильтры широко используются для устранения мешающего коротковолнового излучения, а также в комбинации с другими фильтрами, например интерференционными.

По принципу действия фильтрующие устройства делятся на две группы. К первой группе относятся поглощающие (абсорбционные) фильтры. Действие фильтров второй группы основаны на дисперсии, отражении, рассеянии, дифракции, интерференции [1].

1.2. Тонкопленочные интерференционные фильтры [1].

Интерференционный тонкопленочный светофильтр состоит из нескольких чередующихся прозрачных слоев диэлектрика с большим и малым значениями показателя преломления (рис. 2).

SIS.

Рис. 2. Интерференционный светофильтр: пример фильтра с семислойными диэлектрическими слоями [1].

На рис. 2 обозначены четвертьволновые слои с высоким В и низким Н показателем преломления, 2Н — полуволновый слой, В — стеклянная подложка и защитная пластинка. Диэлектрические слои будут обладать максимумом проX зрачности для длины волны при выполнении условия: й1со8ф =^, ц = 1,2,3,. (где п — показатель преломления вещества, /, — толщина слоя, д — порядок интерференции, ср — угол преломления луча). Такой слой может служить фильтром с максимумами прозрачности при X = Х (), X = Х0 / 2, л = Х () / 3 и т. д. соответственно для q= 1,2,3.

Для оценки оптической плотности А, многослойного покрытия и её изменения АА при добавлении новой пары слоев можно воспользоваться приблиВ АА — 21g (—), где р — колли-Н чества пар слоев покрытия. Кроме того, оптическая плотность покрытия зависит от порядка следования слоев: наибольшее значение, А принимает в случае, когда покрытие начинается и заканчивается слоем с большим показателем преломления. По приведенной формуле можно оценить количество слоев фильтра, исходя из заданных характеристик.

Типичные интерференционные светофильтры в видимой области спектра имеют полосу пропускания шириной 1−2 нм [1].

1.3. Дифракционные фильтры.

Дифракционные фильтры основаны на использовании спектральных свойств дифракционных решеток. Одномерные дифракционные решетки представляют собой пространствен ную пери од и ч ее кую в одном направлении структуруплоская волна, прошедшая решетку, преобразуется в дискретный набор плоских волн, распространяющихся под разными углами относительно направления исходной волны [2].

Направления на главные максимумы дифракционной картины определяется уравнением: dsin8 = qX, где q — целое число (порядок дифракционного спектра) — d — период решетки- 0 — угол, на который отклоняется длина волны.

I.

Решетка разлагает падающий на неё не монохроматический свет в спектр, т. е. обладает д и с пергиру ющим и свойствами. При использовании решетки в качестве светофильтра маской со щелью выделяют нужную часть спектра решетки. женными формулами: А «21g.

I в 1 И.

-(—У ±(—у.

2УН 2 В.

Свободная дисперсионная область сужается с ростом дифракционного порядка д С = л / д. Перекрытия спектров различных порядков при освещении решетки белым светом (вся видимая область) показано на рис. 4. Видно, что для света широкого спектрального состава перекрытие начинается уже со 2−3 порядков. Для более узкого спектрального интервала оно может вообще не наступить, если для максимального порядка (дтах = с1! X, где ¿-/-период решетки) выполнено условие АХ < Ст1П = X2 / с1 [2].

Таким образом, повышение разрешающей способности решетки путем её использования в области высоких порядков сопровождается сужением свободного от перекрытия спектрального диапазона.

Шг ЯI.

1рР! я КВт—т д — -Ъ д = -2 д = -1 д = О д = 1 д = 2 д = 3 Рис. 3. Дифракция на решетке при бихроматическом освещении [2] д = 1 д = 2 д = 3 д = 4 Рис. 4. Перекрытие спектров разных порядков при освещении решетки белым светом [2].

Рассмотрим дифракционную решетку, как диспергиру ющий элемент в интерференционном спектральном приборе (монохроматоре).

Монохроматоры предназначены для выделения излучения в пределах заданного интервала. В монохроматорах всегда предусматривают возможность сканирования спектра. Принципиальная схема прибора изображена на рис. 5 ш.

Диспергирующий элемент (дифракционная решетка) располагается в параллельном пучке лучей, создаваемом коллиматором — совокупностью входного отверстия 1 и объектива 2. Спектр наблюдается в фокальной плоскости камерного объектива 4. Разложение излучения в спектр происходит в одной плоскости. Входным отверстием в таком приборе служит щель. Спектр получается в виде монохроматических изображений щели, перевернутых по отношению к входной щели — «спектральных линий». Эти изображения увеличены в /2 / / раз, где и /2 — фокусные расстояния камерного и кол л и маторного объективов. Возможность сканирования спектра (выбора нужного спектрального диапазона) обеспечивается путем поворота диспергирующего элемента (дифракционную решетку) вручную либо с помощью специального механизма. 1.

Рис. 5. Схема щелевого спектрального прибора: 1 — входная щель- 2 — коллима-торный объектив- 3 — диспергирующая система (дифракционная решетка) — 4 -камерный объектив- 5 — спектр- 5 — ширина входной щелиО — действующее отверстиее — угол между поверхностью спектра и осью камеры.

В щелевых приборах наиболее важными являются два вида аппаратной функции — дифракционная и щелевая [1].

Дифракционная аппаратная функция определяет теоретический предел разрешения спектрального прибора, имеет вид [1]: г. тll^ sin —.

Til.

V So.

1.1).

Здесь S () = л/, / D, где D — действующее отверстие, /2 — фокусное расстояние коллиматорного объектива (рис. 5.), / - координата на спектре.

Разрешающая способность спектрального прибора равна произведению угловой дисперсии на величину действующего отверстия [1]:

A = (1.2).

ЪХ dX dQ / dX~ угловая дисперсия показывает зависимость угла 0 отклонения лучей д и с п ер ги ру ю щи м элементом от длины волны.

Угловая дисперсия дифракционной решетки равна:

— = -3—, (1.3) dX d cos 0 где dпериод решетки, q = 0,±i,±2,.- порядок дифракции (в монохроматорах используется ±1 порядок дифракции, в силу наложения спектрального состава белого света уже с 2−3 порядка) ?2].

Разрешающую способность дифракционного монохромагора получим подставив в (1.2) угловую дисперсию (1.3) и величину действующего отверстия, в направлении дифракции равную D — Ndcos8 ,{N — общее число штрихов решетки):

X сК) с}Мс1 со$ 9 А.,. =— й = —= с}М. (1.4).

8л ?IX ?1 созб.

Спектральные приборы с плоскими дифракционными решетками обычно имеют зеркальные объективы, разрешающая способность и светосила достигают наивысших для щелевых приборов величин.

Например монохроматор фирмы «1оЫп — Ууоп», собранный по схеме Черни-Турнера и имеющий фокусное расстояние 1,5 м и голографическую решетку 2400штр/мм, в этом случае обеспечивает разрешающую способность около 4 • 105 при относительном отверстии 1:12. Оптический диапазон работы моиохроматора 190−1100 им.

1.4. Прнзменные фильтры.

Спектральной призмой называется многогранник, сделанный из прозрачного вещества, обладающего значительной дисперсией показателя преломления 3п1 йХ. Призма, в отличие от дифракционной решетки, разлагает излучение в спектр в одном порядке спектра, что позволяет избежать наложения порядков. Дисперсия света в призме показана на рис. 6. ж-ма Экран.

Ог ч.

— чч.

Рис. 6. Дисперсия света в призме.

Для изготовления хороших приборов должен использоваться материал с очень высокой прозрачностью, большим значением дисперсии, оптической однородностью и изотропностью. Удовлетворить всем этим требованиям трудно, поэтому для различных областей спектра используются разные материалы. Например, для у л ьтр, а ф и о л ето во й области спектра пригоден кр истал л и чес кий или плавленый кварц, для видимой области спектра основным материалом является стекло, в ИК-области — ионные кристаллы и т. д.

Рассмотрим призму, как диспергирующий элемент в спектральном приборе.

Оптическая схема призменного монохроматора (рис. 7) в общем случае состоит из следующих основных частей: I — осветительнойII — диспергирующейII! — приемио-регистрирующей. Осветительное устройство предназначено для создания достаточно сильного и равномерного освещения щелевой диафрагмы 3 исследуемым излучением. В осветительную часть входят источник излучения 1 и конденсор 2, проецирующий изображение источника на входную щель 3 коллиматора. Диспергирующая часть II служит для разложения в спектр идущего из коллиматора параллельного пучка лучей. Узкая щелевая входная диафрагма 3 установлена в фокальной плоскости объектива 4 коллиматора. Коллиматор направляет параллельные пучки лучей на диспергирующий элемент 5, в качестве которого применяют дисперсионные призмы.

12−34 5 iL аиг'41ив 7 8.

Рис. 7. Оптическая схема призменного монохроматора.

Устройство приемно-регистрирующей части III зависит в первую очередь от назначения спектрального прибора. Приемно-регистрирующее устройство при визуальном методе наблюдения представляет собой зрительную трубу. Она состоит из объектива 6 и окуляра 8. Между объективом и окуляром расположен указатель 7. В современных спектральных приборах спектральное разложение осуществляется с помощью диспергирующих систем, состоящих из нескольких призм. Такая оптическая система позволяет получить большую дисперсию, а также изменять углы отклонения лучей. На рис. 7 представлена призма Аббе, представляющая собой блок из трех склеенных прямоугольных призм.

Для наиболее распространенных призм с преломляющим углом, а = 60° угловая дисперсия равна [1]: с/0 2 (1п = -г——, (1.5).

X у 4 -п2 с! Х удобная для ориентировочных расчетов формула, где п — показатель преломления призмы.

Разрешающая способность призменного прибора выражается формулой.

1]:

Х Лп = —о, (1.6).

5 А, ах где Ъ — основание (база) призмы. Данное выражение удобно для подсчета разрешающей способности призменного прибора, т.к. значение дисперсии оптических материалов можно найти в таблицах, а размер основания призмы легко измеряется. При диафрагмировании пучка величина Ъ должна быть заменена разностью геометричееких путей крайних лучей пучка в призме. Если в приборе имеется т одинаковых призм, это эквивалентно увеличению базы Ъ в т раз.

Разрешающая сила призменных приборов может доходить до десятков тысяч. Для получения величины X/ ЪХ порядка К)5 требуются призмы большого размера, в которых становятся заметными поглощение и искажения за счет неоднородности материала.

Призменные приборы при худшей разрешающей способностью, чем дифракционные приборы имеют над ними ряд преимуществ: более равномерная светосила по спектру, высокая устойчивость к большим плотностям излучения (лазерам).

1.5. Сканирующие резонаторы Фабри-ГГеро.

Резонаторы Фабри-Перо используют для выделения полосы пропускани-ия многолучевую интерференцию.

Для перестройки по спектру в сканирующих резонаторах Фабри-Перо применяют п ьезоэл ектр и чес ки й или магнитострикционный эффекты.

При п ьезоэл ектрич ее ко м или магнитострикционном перемещении зеркала резонатора изменяется расстояние между зеркалами и длина волны интерференционного максимума.

На рис. 8 изображено устройство сканирующего интерферометра ФабриПеро. На жестком массивном основании расположены две юстировочные головки Г, и Г2 на которых укреплены зеркала 3, и 32. Зеркало 3, установлено непосредственно на головке Г, зеркало 32 связано с головкой Г2 через пьезо-керамический элемент II. Юстировочные головки снабжены винтами (не показанными на рис.8), которые позволяют в небольших пределах поворачивать зеркала относительно вертикальной и горизонтальной осей. С помощью головок Г{ и Г, зеркала выставляются на параллельность.

Fi 31 З2 Г2.

3 v\ W XV.

У7У/77/77/777/////Л.

Рис. 8. Устройство сканирующего интерферометра.

Пьезокерамический элемент П позволяет изменять базу и нтерферометра на величину порядка длины световой волны. Элемент имеет форму полого цилиндра. Необходимое изменение длины цилиндра возникает при напряжении в несколько сот вольт. Уравнение интерферометра Фабри-Перо можно записать в виде: 2nL cos В = тХ, где L — расстояние между зеркалами интерферометра, n ~ показатель преломления среды между зеркалами, т — порядок интерференции, 6 — угол, с которым падает на интерферометр длина волны X. Разрешающая способность интерферометра Фабри-Перо зависит от длины интерферометра — / и коэффициента отражения зеркал — Я [3]:

Важной характеристикой перестраиваемых интерферометров Фабри-Перо является их дисперсионная область. Областью дисперсии спектрального прибора называют максимальный интервал длин волн Ал, при котором ещё не происходит перекрытие интерференционных полос соседних порядков [3]:

Из формул (1.7) и (1.8) видно, что при достаточно большой длине интерферометра и высоком значении коэффициента отражения зеркал, он обладает хорошей разрешающей способностью. Так для X = 0,5 -10″ 6 м, /=0,1 м и Я «99% разрешающая способность равна порядка 105, область дисперсии при этом равна ДА = 0,0125 • 10» и) м. Таким образом, спектральный интервал, который можно анализировать с помощью интерферометра Фабри-Перо, весьма мал [3].

Известен патент на перестраиваемый интерферометр Фабри-Перо [4].

В изобретении описано устройство с плавной перестройка базы интерферометра при сохранении пара л л ел ь ноет и рабочих поверхностей зеркальных пластин. Решение поставленной задачи ос у ществ л я етс я в устройстве тем, что введены ручной привод продольного перемещения и пьезопривод, содержащий корпус и 3 пьезоголкателя. На рис. 9 показано описываемое устройство.

А 2п1л[к Г ~8Х~Х (1 -К).

1.7).

ДЛ ^.

Ал «— 21.

1.8).

Рис. 9. Перестраиваемый интерферометр Фабри-Перо, где: 1,2- круглые клиновидные зеркальные пластины интерферометра- 3 — подвижная прямоугольная призма- 4 — корпус- 5 — опоры скольжения- 6 — пружинные устройство поджима- 7 — угловой рычаг- 8 — микрометрический винт- 9 — качающаяся вилка- 10 — возвратные пружинные элементы- 11 — подвижная клиновидная пластина- 12 -корпус пьезопривода- 13 — пьезотолкатели [4].

Круглые клиновидные зеркальные пластины — 1, 2 и подвижная прямоугольная призма — 3 изготавливаются с высокой степенью плоскостностью [4].

1.6. Светосила дифракционных, призменных спектрометров и спектрометровФабри-Перо.

При регистрации спектров с помощью фотоэлектрического или теплового приемника излучения электрический сигнал, вырабатываемый приемником, пропорционален лучистому потоку, проходящему через выходную щель моно-хроматора [5]:

1.9) здесь Р} - лучистый поток через выходную щель при монохром ати чес ком свете, В, — спектральная яркость исследуемого излучения, АХ — спектральная ширина щели (интервал длин волн, соответствующий ширине идеального геометрического изображения щели), С — светосила прибора по потоку.

Светосила по потоку определяется выражением [5]:

G = x, ShD,.

1.10) w w n где тх — пропускание излучения оптическои системой, Л — площадь сечения }г ti диспергированного пучка, п = — =— - угловая высота входной и выходной i fi щелей, fx и /2 — фокусные расстояния объективов осветителя и приемника изображения, ti и h" - геометрическая высота щелей, D = - угловая дисперсия dX прибора.

Из (1.10) следует, что сравнение светосилы разных спектральных приборов можно производить по величине площади S сечения диспергированного пучка при прочих одинаковых значениях величин, входящих в (1.10), или по величине произведения S ¦ D.

При равном разрешении и сравнимых геометрических размерах приборов светосила дифракционных спектрометров оказывается на порядок выше светосилы призменных, а светосила спектрометра Фабри-Перо более чем на порядок превышает светосилу дифракционных спектрометров. С физической точки зрения большая светосила спектрометра Фабри-Перо получается в результате очень высокой дисперсии в центральной части интерференционной картины [1].

1.7″ Перестраиваемые оптические резонаторы лазеров на красителях с дисиерсионными элементами.

Лазеры на красителях обладают широкой областью перестройки генерируемой частоты (0,33 +1,8 мкм) и узкой полосой излучаемых частот. Широкая область перестройки в этих лазерах обеспечивается использованием не одиночного д и с перги ру ю ще го устройства, а применением комбинации устройствдифракционного и многолучевого интерференционногопризменного и интерференционного. При этом интерференционный обеспечивает узкую полосу спектра пропускания [6]. На рис. 10, изображена схема, позволяющая уяснить роль дисперсионных элементов в резонаторе.

Рис. 10. Схема резонатора с диснерсионными элементами: 1 — излучение накачки- 2 — кювета с активным веществом- 3 — телескоп- 4 — эталон Фабри-Перо- 5 — дифракционная решетка- 6 — зеркало [6].

Дифракционная решетка отклоняет пучки нежелательной частоты от оси резонатора и увеличивает потери на этих частотах, в то время как пучки нужной частоты дифрагируют строго обратно по оси резонатора. Дифракционная решетка внесет большие потери для тех пучков, которые, возвратясь к кювете, сместятся от исходного положения на величину порядка ширины активной области.

Для выделения одной продольной моды в резонатор вводится элемент с большой дисперсией — эталон Фабри-Перо. Он располагается в резонаторе с небольшим наклоном и работает как узкополосный фильтр. Эталон Фабри-Перо позволяет выделить одну продольную моду. Роль решетки сводится к тому, чтобы воспрепятствовать возникновению генерации на других максимумах пропускания эталона [6].

Использование двух дисперсионных элементов позволяют лазеру на красителях обладать одновременно широкой дисперсионной областью (обеспечивается эталоном Фабри-Перо) и высокой разрешающей способностью (обеспечивается дифракционной решеткой).

Стабилизация частоты лазера при использовании дисперсионных элементов обеспечивается стандартными методами: термостабилизацией, применен и ем материалов в лазере с малым коэффициентом термического расширения, механической жесткостью и т. д.

1.8. Растровая спектроскопия.

Спектральные приборы, содержащие щель, обладают общим недостатком — для увеличения проходящего через прибор светового потока необходимо увеличивать ширину щели, при этом расширяется инструментальный контур и, следовательно, ухудшается разрешение. Другой принципиальный недостаток обычных спектральных приборов — малое число одновременно регистрируемых спектральных элементов [7].

Растровая спектроскопия селективной оптической модуляции, предложенная Жираром, позволяет улучшить спектральные характеристики прибора в сравнении с содержащими одиночную щель. Прибор построен по схеме Эберта с параболическим зеркалом, оптическая схема изображена на рис. 11 [7].

Рис. 11. Оптическая схема растрового спектрометра Жирара: / - источник светаО — модуляторМ, — М — плоские зеркалаС, — входной растрСУ, — выходной растрР — параболическое зеркалоК — дифракционная решеткаА — приемно-усилительное устройство [7] Входным отверстием спектрометра Жирара служит растр из равнобоких гипербол (рис. 12) [7].

Белые участки растра прозрачны, черные — непрозрачны и зеркально отражают свет. Размеры растра 30 х ЗОлш2. На выходе прибора находится растр, изготовленный по форме монохроматического изображения входною с присущими спектрометру аберрациями.

Рис. 12. Растр из равкобоких гипербол [7].

Зеркальный модулятор О поочередно направляет в систему два изображения входного растра — в проходящем и отраженном свете. Для некоторой длины волны л, = Ха диспергирующее устройство прибора — дифракционная решетка 205×135мм2 — и 11 арабол ичее кое зеркало прибора с F = 2 м строят и зображение входного растра на выходном (рис. 11). Для этой длины волны пропускание системы будет единица или нуль в зависимости от того, являются растры одинаковыми или дополнительными друг к другу [7].

Таким образом, излучение с длиной волны X оказывается модулированным по амплитуде со 100%-ной глубиной модуляции. Глубина модуляции резко спадает по мере удаления X от Ха. Действительно, изображение входного растра для ХфХа будет сдвинуто относительно выходного растра. Появятся муаровые полосы с частотой тем большей, чем сильнее сдвиг растров (рис. 13). Для этих длин волн замена изображения растра на дополнительное при вращении модулятора приводит к незначительному изменению светового потока, попадающего на приемник — излучение оказывается слабо модулированным [7].

Рис. 13. Муаровые полосы, получающиеся при смещении двух гиперболических растров друг относительно друга [7].

Гиперболическая форма полос растра, не единственно возможная. Были предложены и реализованы растры с иной геометрией расположения прозрачных и непрозрачных элементов. В частности, было показано, что растр со случайным расположением отверстий обладает некоторыми преимуществами перед гип ербол и чес ки м растром [8].

Разрешение прибора определяется наименьшим шагом растра. Гиперболический растр с наименьшим шагом 50 мкм обеспечивает такую же разрешающую силу, как щель шириной 30 мкм. В то же время выигрыш в светосиле прибора по сравнению с таким же щелевым оказывается равным половине отношения площадей растра и щели, т. е. превышает два порядка ?7].

Описанный режим работы требует очень точной юстировки. Другой режим осуществляется при выведенном зеркальном модуляторе. Модуляция производится колебанием параболического зеркала вокруг горизонтальной оси. В таком режиме работы, прибор имеет вдвое меньшую светосилу. Процесс получения спектра, тот же, что на обычном сканирующем приборе с дифракционной решеткой [7].

1.9. Микромеханическме спектроанализирующие приборы.

Используемые в науке и технике оптические фильтры с перестраиваемым положением спектральной полосы пропускания делятся на два класса:

— электрически п ерестраи вае м ы е фильтры;

— монохроматоры с механической перестройкой полосы пропускания за счет изменения положения устройства относительно потока излучения.

1.9.1. Использование эффектов полного внутреннего отражения и интерференции света для амплитудной и фазовой модуляции оптических потоков.

В качестве электрически перестраиваемых оптических фильтров используют микромеханические устройства с эл ектростати чес ки м перемещением тонкопленочных зеркальных мембран, в которых перемещение мембран приводит к изменению спектра пропускания устройства.

Известны мембранные модуляторы света, управляемые электростатически, рис. 14 и 15 [9]. На рис. 14 показан модулятор, работающий в отраженном свете, реализующий фазовую модуляцию отраженного света [9].

Рис. 14. Тонкопленочный мембранный модулятор света, реализующий фазовую модуляцию [9].

На рис. 14 показаны три ячейки модулятора, из них две левые в выключенном состоянии, правая — во включенном. На рис. 15 изображены 2 ячейки модулятора, работающего на принципе полного внутреннего отражения, левая — в выключенном состоянии, правая — во включенном [9].

Рис. 15. Тонкопленочный мембранный модулятор света, использующий эффект полного внутреннего отражения [9].

Модуляторы содержат стеклянную подложку 1, диэлектрический слой 2 мембраны, слой 3 металлизации мембраны, опорные выступы 4, неподвижные управляющие электроды 5.

Между мембраной и управляющим электродом существует зазор 6.

На рис. 14 короткими стрелками показано направление падающего света, длинными — отраженного.

На рис. 15 стрелками обозначен ход лучей света в стеклянной пластине, двойными стрелками — выходящий из ячейки модулятора пучок света. 7 — источник света.

В модуляторе, изображенном на рис. 14, луч света падает на верхнюю, металлизированную слоем 3 с высокими отражающими свойствами, поверхность мембраны и отражается. Если на управляющий электрод 5 подан соответствующий потенциал, мембрана притягивается к нему, деформируется (см. рис. 14, правую ячейку) вызывая пространственно-фазовую модуляцию отраженного света.

В модуляторе, изображенном на рис. 15, стеклянная подложка, являющаяся основанием матрицы модуляторов, имеет оптически полированные большие плоскости и освещается с торца. При этом за счет явления полного внутреннего отражения световой поток, попавший внутрь пластины, не может выйти из неё через полированные плоскости. Модуляторы, размещенные на одной из этих плоскостей, позволяют «отвести» часть этого светового потока и использовать.

Каждая ячейка-модулятор, рис. 15, содержит неподвижный управляющий прозрачный электрод 5, толщиной несколько сот ангстрем, нанесенный непосредственно на верхнюю полированную поверхность подложки 1. На расстоянии, примерно равном длине волны света, над этим электродом размещается подвижная тонкая мембрана. Диэлектрический слой 2 мембраны должен быть изготовлен из материала с показателем преломления большим, чем у основания, и этот слой по всей своей толщине или частично должен обладать свето-рассеивающими свойствами. Поверх этого слоя располагается проводящий прозрачный слой 3. Заданный зазор 6 между нижним электродом 5 и мембранной обеспечивается закреплением: мембраны на опорных выступах 4.

При подаче соответствующей разности потенциалов между проводящим слоем мембраны и управляющим неподвижным электродом мембрана под действием электростатических сил притяжения изгибается и вплотную прижимается к управляющему электроду. При этом в диэлектрическом слое мембраны возбуждается вторичная волна света. Выход этой волны света в окружающее пространство обеспечивается, если диэлектрический слой полностью или частично изготавливается из светорассеивающего материала.

При снятии поданного ранее напряжения мембрана вернется в исходное положение на расстояние от основания, достаточное для того, чтобы избежать возбуждения вторичной волны света, т. е. примерно на длину волны света. «Откачка» света из основания прекратится [9].

На рис. 16 показан вариант устройства интерференционного мембранного модулятора света [10].

На рис. 16 а) мембранный модулятор света содержит стеклянную под.

1 и ^ л и ч ^ л ложку 1, диэлектрически и слои 2 и полупрозрачный отражающий слои 3 металлизации мембраны, опорные выступы 4, полупрозрачные управляющие неподвижные электроды 5, зазор 6 между мембранной и управляющим электродом, непрозрачный непроводящий слой 7. ' 4 1 |Щ • '.

1- m! i m 11 111! а) 6).

Рис. 16. ТонKorijiеночные мембранные модуляторы света [10].

Стеклянная подложка 1, являющаяся основанием матрицы модуляторов, имеет оптически полированные большие плоскости и освещается перпендикулярным им потоком света.

Между матрицей ячеек и подложкой расположен непрозрачный непроводящий слой 7, имеющий прозрачные окна только в области ячеек.

На дне каждой ячейки расположен полупрозрачный управляющий неподвижный электрод 5, изготовленный из пленки толщиной несколько сот ангстрем и имеющий высокий коэффициент отражения света. На некотором расстоянии над ним (зазор 6) размещена подвижная тонкая мембрана. Диэлектрический слой 2 мембраны имеет оптическую толщину, кратную половине длины.

28 волны света, величина зазора 6 между мембранной и нижним электродом при выключенной ячейке равна четверти длины волны.

Слой металлизации и неподвижный электрод 5 образуют зеркала резонаторов Фабри-Перо. Максимум пропускания резонатора имеет место при оптическом расстоянии между зеркалами, кратном половине длины волны света, минимум пропускания — при расстоянии, отличающимся от вышеуказанного на четверть длины волны [10].

При подаче соответствующей разности потенциалов между управляющим неподвижным электродом и проводящем слоем мембраны последняя под действием электростатических сил притяжения изгибается и вплотную прижимается к управляющему электроду. Расстояние между зеркалами резонатора становится равным половине длины волны, свет проходит сквозь резонатор (рис. 16 а, правая ячейка).

При снятии поданного напряжения мембрана возвращается в исходное положение на расстояние, равное четверти длины волны, от управляющего электродазазор между зеркалами резонатора также увеличивается на эту величину, и резонатор перестает пропускать свет (рис. 16 а, левая ячейка).

Использование в качестве ячеек предлагаемого модулятора резонаторов Фабри-Перо позволяет перейти к подсвету модуляторного устройства со стороны, противоположной наблюдателю.

Мембранный модулятор, (рис. 16 б), содержащий зеркальное покрытие 8 обратной стороны стеклянной подложки 1, источник света 9 и прозрачное окно 10 в покрытии 8, отличается от модулятора (рис. 16 а) более экономичным использованием энергии источника света, так как свет, отраженный от зеркального слоя 7, не прошедший сквозь прозрачные окна в этом слое, имеет возможность, отразившись от зеркального покрытия 8, вновь осветить матрицу модуляторов. Свет источника 9 почти под прямым углом попадает в толщу стеклянной подложки 1 сквозь прозрачное окно 10 в слое 8 и, многократно отражаясь от зеркальных слоев 7 и 8, распространяется вдоль всей подложки. Везде угол падения лучей света на отражающие границы равен первоначальному углу, т. е. близок к нулевому, что удовлетворяет условиям освещения, необходимым для работы ячеек — модуляторов [10].

Аналогичные по принципу действия интерференционные приборы, использующие электростатическое управление положением тон ко п л ен оч н ых мембран, описаны в обзорной работе [11]. При подаче напряжения зазор между мембранной и подложкой исчезает, устройство пропускает излучение одного цвета, при снятии напряжения — другого цвета.

Когда пленка и мембрана разделены воздушным зазором, световые волны, отразившиеся от пленки, интерферируют с волнами, прошедшими сквозь нее и затем отразившимися от мембраны, в результате чего выделяется излучение определенного цвета. Если же зазор отсутствует, то интерференция не происходит. Варьируя величину зазора, можно получить три основных цвета: при наибольшей толщине воздушной прослойки — красный, при средней — зеленый и при наименьшей — синий. Размеры одного интерференционного модулятора составляют всего десятки микрон. Один пиксель в дисплее на основе iMoD Matrix состоит из трех субпикселей: красного, зеленого и синего, каждый из которых образован несколькими рядами модуляторов. При этом управляющие схемы располагаются по краям дисплея [11].

1.9.2. Датчики Фабри-Перо.

Благодаря своей универсальности, детекторы Фабри-Перо получили широкое распространение. Например, они используются для измерения давления, и температуры [12−16]. Такие датчики детектируют изменения длины оптического пути, вызванные либо изменениями коэффициента преломления, либо изменением физической длины резонатора.

Детекторы Фабри-Перо, изготовленные при помощи MEMS технологий, обладают миниатюрными размерами и низкой стоимостью. Другим достоинством микродагчиков Фабри-Перо является го, что для генерации интерференционного сигнала им подходят практически любые когерентные источники света, даже такие как СИД (светоизлучающие диоды) [12]. а) б).

Рис. 17. Конструкция датчика давления Фабри-Перо (а) и внешний вид датчика давления FISO FOR-M (б).

На рис. 17, показан датчик давления, использующий резонатор Фабри-Перо. Давление, действующее на верхнюю мембрану, заставляет диафрагму прогибаться вниз, тем самым, уменьшая высоту резонатора L. Резонатор изготавливается в виде монолитного кристалла методами м и кротех, но л о ги й, поэтому зеркала представляют собой либо диэлектрические, либо металлические слои, нанесенные на соответствующую подложку. Для получения требуемых характеристик датчика, толщину каждого слоя необходимо строго контролировать. На рис. 17 показан микродатчик давления, выпускаемый FISO Technologies [17]. Этот датчик обладает очень низким коэффициентом температурной чувствительности (менее 0.03%) и имеет внешний диаметр 0.55 мм, что делает его идеальным для применения в составе имплантируемых медицинских устройств и других миниатюрных инструментов [12].

1.9.3. Перестраиваемые оптоволоконные фильтры Фабри-Перо.

Из всех инновационных рассматриваемых технологий изготовления перестраиваемых оптических фильтров, опто вол оконные фильтры Фабри-Перо [18,19] стали одними из самых привлекательными в технологическом плане, и были широко представлены в этой области начиная с конца 1990;х годов. [20]. Типичная конфигурация перестраиваемого оптоволоконного фильтра Фабри-Перо показана на рис. 18.

На отполированные концы оптоволокна нанесены зеркальные покрытия. Два конца оптоволокна скреплены между собой специальными металлическими ободками с выравнивающими креплениями. Перестройка по спектру достигается за счет изменения расстояния между зеркалами, с помощью пьезоэлектрического привода (рис. 18).

Перестраиваемые оптоволоконные фильтры Фабри-Перо обеспечивают высокие параметры: большой спектральный диапазон перестройки (> 200 нм), высокая резкость интерференци он ной картины (> 7000), высокий контраст и малые потери света [20].

Рис. 18. Типичная конфигурация перестраиваемого оптоволоконного фильтра.

Фабри-Перо [20].

Скорость перестройки определяется резонансной частотой пьезоэлектрического элемента привода: резонансные частоты промышленных пьезоактюа-торов колеблются от нескольких десятков кГц (с перемещением нескольких микрон) до кГц (с перемещением больше чем 100 микронов).

К числу главных достоинств перестраиваемых оптоволоконных фильтров Фабри-Перо следует отнест и его компактные размеры.

Недостатками перестраиваемых оптоволоконных фильтров Фабри-Перо, основанных на пьезоэффекте являются:

— значительная температурная чувствительность спектра пропускания, что обусловлено большим коэффициентом теплового расширения (КТР) металлических ободков с выравнивающими креплениями и пьезокерамики;

— пьезокерамика, из которой сделаны приводы, имеет гистерезисную характеристику управления положением зеркал интерферометра [21];

— для управления пьезопри водом требуется высокое напряжение (десятки вольт);

— достигнутая перестраиваемая скорость десятки микросекунд ограничивает использование перестраи ваемого о п т о в о л о к о н н ого фильтра Фабри-Перо в оптических сетях в качестве п ере к л ю чате л я и других устройствах.

Разработан также оптоволоконный фильтр Фабри-Перо, в котором в качестве движителя используется нагреваемая электрическим током муфта, по концам которой закреплены оптоволокна с зазором между их метал л изи ро ванными торцами. Величина зазора регулируется нагреванием муфты.

1.9.4. Жидкокристаллические фильтры Фабри-Перо.

Перестраиваемые фильтры Фабри-Перо могут быть изготовлены с использованием слоя жидкого кристалла между зеркалами эталона Фабри-Перо.

В этом случае физическая толщина резонатора Фабри-Перо и угол падения излучения остаются неизменными, а перестройка достигается изменением коэффициента преломления жидкого кристалла под действием приложенного к нему напряжения.

Перестраи ваемые жи дкокристал л и ческие фильтры Фабри-Перо изготавливаются на базе интерферометров Фабри-Перо [22] и оптоволоконных интерферометров Фабри-Перо [23]. Полоса пропускания фильтров 0.2−0.5 им, перестраиваемый диапазон спектра от 10 нм до 50 нм, скорость перестройки — десятки микросекунд.

Перестраиваемый жидкокристаллический фильтр Фабри-Перо имеет преимущество перед перестраиваемым оптоволоконным фильтром Фабри-Перо в меньшей полосе пропускания спектра, а так же в низком управляющем напряжении (<15 V).

Недостатками перестраиваемого ж и д кокр исталл и чес ко го фильтра Фабри-Перо являются:

— зависимость параметров от поляризации падающего света [24];

— ограниченный диапазон перестройки полосы спектра пропускания, в сравнении с перестраиваемым оптоволоконным фильтром Фабр и-Перо и перестраиваемыми фильтрами MEMS;

— для перестройки в большем диапазоне спектра требуется высокое управляющее напряжение;

1.9.5. Перестраиваемые оптические фильтры на основе МЭМС.

Перестраиваемые оптические фильтры, изготовленные на основе микротехнологий микроэлектромеханич еских систем (МЭМС), привлекают наибольшее внимание среди остальных 11ерестраиваемых оптических фильтров.

Типичные конструкции п ерестраи ваем ых фильтров на основе МЭМС: пара консоль-подложка [25, 26], пара мембрана-подложка [27], или пара подложка-подложка [28]. Рабочие зеркала сформированы осаждением многослойной тонкопленочной диэлектрической структуры.

На рис. 19, а) схематически показана конструкция интерферометра Фаб-ри-Перо на основе МЭМСрис. 19, б) показывает конструкцию микромеханического фильтра с термодеформационным изменением воздушного зазора между зеркалами, эле ктросга гич ее ко й силой (рис. 19, а), нагревом электродов, нанесенных на зеркала (рис. 19,6).

Фильтры на основе МЭМС имеют полосу пропускания 2−8 нм, перестраиваемый спектральный диапазон 10−70 нм, малую потерю излучения [29,26]. Скорость термодеформационной перестройки фильтра десятки миллисекунд, с использованием электростатической силы — микросекунды.

Перестраиваемые фильтры на основе МЭМС имеют некоторые преимущества по сравнению с другими перестраиваемыми фильтрами:

— изготовление подложек контролируется с высокой точностью, так, чтобы была повторяемость от партии к партии;

— компактные размеры;

— низкое управляющее напряжение, порядка нескольких вольт, с возможностью питания от компьютера;

— интегральная технология — десятки или даже сотни фильтров могут быть изготовлены на одной подложке с оптическими волноводами и другими компонентами.

Т"Ичр V Щрш Ирг а) б).

Рис. 19. Псрестраиваемые фильтры МЭМС. а) Конструкция интерферометра Фабри-Перо на основе МЭМС [30]- б) Конструкция м и кро механ ич ее кого фильтра с термодеформационной перестройкой [26].

Перестра иваемые фильтры МЭМС могут быть использованы в телекоммуникационных системах и распределительных сетях. Если на подложке фильтра разместить активную среду, излучающую когерентный свет, может быть изготовлен перестраиваемы й лазер [31].

Для изготовления таких фильтров используют технологии:

— нанесение на подложки тонкопленочных слоев;

— литографию;

— травление и микрообработку;

— формирование тонкопленочных интерференционных структур

Недостатками перестраиваемых фильтров на основе МЭМС являются:

— сложность производства фильтров, необходимость в особо чистых помещениях;

— необходимость в уникальных инструментах и микромеханическое оборудование;

— использование в технологии опасных для человека химических веществ;

— восприимчивость устройств к изменениям температуры окружающей среды [32];

— большие потери света при использовании фильтра в о л товол око н ной технике.

1.9.6. Тонкопленочные перестраиваемые интерферометры.

Перестраиваемые тонкопленочные фильтры используют интерференционные тонкопленочные структуры. Фильтр изготавливается п ос л е до вате л ьн ы м осаждением четверть волновых тонкопленочных диэлектрических покрытий с высоким и низким показателям преломления на кварцевой или кремниевой подложке с более толстой пленкой, расположенной посередине (рис. 20).

Перестройка длины волны пропускания может быть достигнута одним из способов: изменением угла падения излучения на фильтр [33, 34, 35]- нагреванием, если в качестве толстой пленки используется термооптический материал [36] [37], или обоими перечисленными способами [38]. ——.

Рис. 20. Типичный перестраиваемый тонкопленочный фильтр

У типичного перестраиваемого тонкопленочного интерферометра полоса пропускания от 0,2 до нескольких нанометров, а перестраиваемый спектральный диапазон при использовании термоопти чес кого материала в качестве толстой пленки 30−60 нм, скорость перестройки порядка нескольких миллисекунд. На одной подложке может находиться несколько разнообразных перестраиваемых тонкопленочных фильтров [37].

К недостаткам тон ко пленочного перестраиваемого фильтра можно отнести тот факт, что перестройка по спектру достигается за счет механических перемещений зеркальных поверхностей, вызванных нагреванием структур, или электромеханическими силами, что приводит к малой скорости сканирования.

1.10. Выводы.

В таблице 1 приведены значения спектральных параметров интерференционных перестраиваемых оптических фильтров и параметры управления их фу н кц ио н и рован и ем.

Таблица 1.

Спектральный СпектральСветосила РазрешаюУправляющее Скорость пеприбор ный диапа- (размер апщая способнапряжение рестройки зон перепергуры. ность (в) спектра стройки (нм) см2) ©.

Перестраиваемые резонаторы Фабри-Перо [3] 0,12 ~ 1 105-Ю6 Сотни волы Согни МКС.

Оптоволоконные фильтры «200 1(Г4 102 Десятки вольт Сотни МКС.

Фабри-Перо.

Жидкокристаллические 10−50 «1 з-ю3 <15 и больше Десятки мке фильтры Фабри-Перо [221.

Фильтры: на осДесятки мке нове мэме 10−70 * 10″ 5 3-Ю2 >50 десятки мил.

26} лисекунд.

Тонкопленочные перестраи- 30−60 «1 з-ю3 Десятки вольт несколько мс ваемые фильтры [381.

Из приведенных в первом разделе сведений следует, что перестройка спектра пропускания светофильтров производится с использованием пьезоэф-фекта, термического расширения тел, электрооптических эффектовмикромеханические светофильтры обладают малой светосилой и скоростью перестройки в пределах десятков микросекунд — миллисекунд. Спектральная ширина области перестройки микромеханических светофильтров может достигать в видимом диапазоне значения до 0.2 мкм (оптоволоконный вариант интерференционных светофильтров), но при этом разрешающая способность не велика (л/бА, «ю2). В известных публикациях не обсуждаются вопросы термической стабильности спектральных характеристик микромеханических фильтров.

В целом приведенные в разделе сведения подтверждают актуальность решаемой в диссертации задачи по созданию микромеханических интерференционных спектральных фильтров с увеличенной до октавы спектральной областью перестройки, большой светосилой и разрешающей способностью, превосходящих по совокупности параметров известные аналоги.

2. Теоретические исследования.

2.1.

Введение

Основные положения теории многолучевых интерферометров.

Разрабатываемый микромеханический п ерестраи ваемый светофильтр основывается на использовании многолучевой интерференции.

Интерфере нционные явления возникают в результате наложения двух или нескольких когерентных пучков лучей, т. е. таких, у которых разность фаз колебаний сохраняется неизменной в течении времени, достаточного для наблюдения или регистрации интерференционной картины. Если интерференция осуществляется в результате взаимодействия двух когерентных пучков, то интерферометры называют двухлучевыми. если в результате взаимодействия большого числа таких пучков — многолучевыми [39].

Рассмотрим образование интерференционной картины в случае многолучевой интерференции (рис. 21).

Рис. 21. Многолучевая интерференция в плоскопараллельной пластинке [39].

Пучок параллельных лучей (на рис. 21 показан один из лучей 1 этого пучка) падает под углом е на воздушную пластинку толщиной /г, образованную двумя параллельными, обращенными друг к другу поверхностями 5, и 52, покрытыми частично отражающими (коэффициент отражения Я) и частично пропускающими (коэффициент пропускания 7) свст.

В результате деления амплитуды падающей световой волны за счет многократных отражений на зеркальных поверхностях $ 1 и 5, образуется совокуп г г? г ность когерентных интерферирующих лучей с постоянной для каждой пары разностью хода. В проходящем свете эго лучи 1,2,3,., в отраженном.

1,2″, 3″ .

Взаимодействуя между собой, лучи образуют многолучевую интерференционную картину, распределение интенсивности в которой в проходящем свете описывается выражением [39]:

Л) — Лпах.

1-Я)2.

1 — R) + 4R sin (8 / 2)'.

2.1) где 5 = 2жА / X — разность фаз соседних интерферирующих лучей.

В проходящем монохроматическом свете интерференционная картина представляет собой узкие светлые полосы (рис. 22, а), разделенные широкими промежутками, в отраженном (рис. 22, б) — узкие темные полосы на светлом фоне, где, А = 2"/? cos 8 — разность хода лучей (п — показатель преломления среды), X — длина волны [39]. 1.

1Л г.

J л/.

Рис. 22, Распределение интенсивности в интерфернционной картине при многолучевой и н тер ф ер е н ц и и: а — в проходящем светеб — в отраженном [39].

Использование многолучевой интерференции в л л оскопаралл ел ь ной пластинке позволяет создавать интерференционные светофильтры.

Интерференционные светофильтры получили широкое распространение. Простота и удобство в работе сочетаются в них с возможностью выделять из.

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА лучение любой длины волны: от вакуумного ультрафиолета (/, = ! 20 нм) до ИК области спектра с весьма высокой монохроматичностью.

2.7. Выводы.

— разработаны основы теории интерференционных эффектов прохождения света через эквидистантные зазоры между зеркалами с нарушениями их плоскостности, показано, что обеспечение эквидистантности зазоров снижает требования к плоскостности интерферометров;

— разработаны основы: теории мультиплексных сканирующих интерференционных спектральных устройств, показаны достижимость полосы регулирования порядка октавы и разрешения до 104 с возможностью регулирования спектра путём переключения линий пропускания;

— исследованы вопросы термической стабильности микромеханических интерферометров и предложены методы уменьшения и компенсации температурных уходов положения линий пропускания спектров, в том числе, с использованием самокалибровки интерферометра;

3. Исследование технологических основ получений зеркальных систем с регулируемыми воздушными эквидистантными нанои микроразмерными промежутками между зеркалами.

3.1. Получение воздушных зазоров между плоскими элементами.

Глава посвящена обсуждению физических и технологических проблем получения эквидистантных микрои наноразмерных воздушных промежутков между протяжёнными поверхностями плоских подложек, в частности, между зеркалами интерференционных оптических устройств. Получение таких промежутков является важной задачей при разработках компонентов микросистемной техники типа оптических электроуправляемых спектральных фильтров.

В оптике и м и крое истем ной технике широко используются по крайней мере две технологии получения плоских воздушных промежутков между поверхностями плоских тел — с использованием жертвенного (удаляемого) слоя между поверхностями скрепляемых параллельно друг другу пластины и гонко-плёночного плоского слоя [47], и с использованием калиброванных прокладок, размещаемых между соединяемыми пластинами локально (например, при изготовлении интерферометров Фабри-Перо [48]. Вариантом последнего метода является технология изготовления на плоской поверхности одной пластины методом ионного травления плоской выемки с глубиной, равной необходимому промежутку, и соединение подготовленной пластины с другой плоской пластиной на «оптическом контакте» [40]. Жертвенный слой применяется при создании поверхностных микротопологий с нависающими или отделяемыми от подложки структурными элементами в технологиях микромеханики [47]. Получение промежутка с помощью прокладок — распространённый приём в оптике и механике.

Задача получения воздушного промежутка существенно усложняется при необходимости его выдерживания плоским по всей поверхности пластин с точностью до сотых и менее долей длины волны света, требующейся в оптических устройствах [40], так как трудоёмким является изготовление самих пластин с указанным значением плоскостности.

3.2. Исследованные технологические методы получения воздушных зазоров мезвду плоскими элементами.

3.2.1. Жертвенный слой.

Технология изготовления перестраиваемого мультиплекс-светофильтра с использованием жертвенного слоя показана на рис. 38 [43].

На поверхность подложки 1, на которой могут иметься нарушения плоскостности, наносят (рис. 38, а) последовательно вакуумным испарением зеркальный слой 2, жертвенный слой 4 и второй зеркальный слой 3. Затем поверх слоёв наносят каплю твердеющей эпоксидной смолы 5 и вторую пластину, которая также, как и первая, может иметь нарушения плоскостности. После затвердевания смолы жертвенный слой необходимо удалить (рис. 38, б), например, травлениеммежду зеркальными слоями остаётся эквидистантный воздушный промежуток 6, ширина которого равна толщине жертвенного слоя и везде одинакова, несмотря на неровности поверхностей пластин.

Рис. 38. Схема получения эквидистантного воздушного промежутка.

Получение воздушного промежутка по рассмотренной простой схеме приводит к затруднениям при необходимой его величине 0,1 — 0,2 мкм и пло.

1 2 г щади пластин ~1 см, так как удаление жертвенного слоя из узкой щели треоу-ет значительного времени.

На рис. 39, показана фотография макетного образца, изготовленного по предложенной технологии.

Рис. 39. Макетный образец.

На рис. 40, показан макетный образец, после разъединения полированной поверхности 1 с зеркальным слоем 3, от пьезоэлектрического элемента 9.

Рис. 40. Образец после разъединения.

Из рисунка видна, что зеркальный слой 5, приклеенный твердеющим материалом 6 к пластине 7, имеет хорошую зеркальность (не измерялась).

В экс пери ментальном. образце в качестве жертвенного слоя использовался маннит. Эксперименты с его растворением в воде и последующим удалением показали, что в качестве жертвенного слоя он не пригоден, т.к. при его растворении в воде и большой длительности процесса происходит полное окисление плёнок алюминия, это видно на рис. 41.

Рис. 41. Окисленная пленка алюминия.

Чтобы избавиться от неприятных последствий процесса удаления манни-та, применялось механическое отделение плёнки алюминия от жертвенного слоя. После разделения зеркал, маныит оставался на одном из зеркале алюминия. При механическом разделении, между зеркалами интерферометра Фабри-Перо образовывался клин, о его величине можно было судить по интерференционным полосам (от 0,15 мкм до 1 мкм), при этом было замечено, что клин со временем увеличивался.

3.2.2. Использование капиллярных сил.

На рис. 42. приведена схема устройства, при изготовлении которого получение эквидистантного промежутка между зеркальными покрытиями не требует применения жертвенного слоя.

Рис. 42. Получение воздушного промежутка между поверхностями с использо.

Как и в первом случае, используется прозрачная пластина 1 с зеркальным слоем 3- на её поверхность наносят каплю жидкости, смачивающей зеркал ьванием капиллярных сил. ные слои, затем укладывают заранее подготовлен ну ю полимерную плёнку толщиной ~ 1 мкм с зеркальным покрытием с нижней стороны, поверх каплю эпоксидного клея 7 и вторую прозрачную пластину 2. На нижней пластине закреплён клеем 9 цилиндр 8, во внутреннюю полость которого входит верхняя пластина и также закрепляется клеем 9.

Объём наносимой капли жидкости необходимо выбрать таким, чтобы мениск 6, образованный на поверхности жидкости в промежутке между зеркалами, не вышел за пределы границ полимерной плёнки. При этом условии слой растёкшейся жидкости оказывается под отрицательным давлением (так как вогнутость мениска направлена в сторону воздуха), которое прижимает полимерную плёнку к нижней пластине, распластывая плёнку по всем неровностям поверхности. Затвердевание клея фиксирует «распластанное» положение полимерной плёнки. Для образования эквидистантного воздушного промежутка между зеркальными слоями необходимо удалить жидкость из капиллярного слоя и верхнюю пластину поднять на требуемую высоту (с помощью цилиндра 8, который может быть изготовлен из пьезокерамики). Давление внутри слоя жидкости между смоченными поверхностями относительно давления во внешней среде можно определить в соответствии с уравнением Лапласа — Юнга [49] как для мениска с ци л и н др и ч ее ко й симметрией:

Ар-а / R, (3.1) где Ар — разница давлений внутри жидкости и снаружи, а — поверхностное натяжение жидкости на границе с воздухом, R — радиус закругления поверхности мениска. При полном смачивании R = а / 2. Используем воду (а «0,073Н / м) — при ?/=0,1 мкм получим для отрицательного давления в капиллярном слое значение Ар = 1, 46 МПа (14,6 агм), что подтверждает предположение о достаточности капиллярного давления для прижима полимерной плёнки.

Представляет интерес определение условий, су шествую щих в прослойках жидкости манометровой толщины. При сближении поверхностей тел, разделённых достаточно гонкой прослойкой жидкости или газа, между поверхностями возникают силовые взаимодействия, обусловленные существованием граничных слоев жидкости, внутри которых действуют поверхностные силы твёрдого тела, сказывается адсорбция молекул жидкости на поверхности и т. д. Силовое взаимодействие возникает при перекрытии граничных слоев и имеет характер расклинивающего. В работе [50] приведён обзор современных представлений о составляющих расклинивающего давления, в числе которых наличие двойного электрического слоя, изменение структуры жидкости, адсорбция низкомолекулярных веществ, и др.

Двойной электрический слой у границы раздела фаз формируется в случае использования растворов электролитов, имеет диффузионный характерпри сближении диффузионные приграничные атмосферы перекрываются, и если они имеют один знак, то поверхности отталкиваются. Для оценочных расчётов расклинивающего давления может быть применена формула [50]:

Пе = г, п}квТ, А V еф, киТ ех.

РЫ/АЬ (3.2) где к0 — обратный дебаевский радиус, к — толщина прослойки, с|>г — потенциал поверхности, кв — постоянная Больцмана, г — заряд электрона, Т — абсолютная температура раствора, п1 — концентрация ионов в растворе, — валентность иона. Приведённый в [50] график теоретической зависимости расклинивающего давления от величины прослойки позволяет оценить величину давления. Если используется водный однопроцентный раствор, содержащий одновалентные ионы, и при расчёте принять обычное значение потенциала поверхности, находящейся в электролите, ф, =50 мВ, то при сближении поверхностей до расстояний 2−4 нм расклинивающее давление достигнет 5000 Па, го есть, оказывается малым в сравнении с капиллярным давлением.

Адеорб ционн ая составляющая расклинивающего давления вызвана тем, что вследствие адсорбции молекул раствора на поверхности изменяется, во многих случаях увеличивается, их концентрация в граничном слое раствораслои с изменённой концентрацией могут быть протяжёнными, их перекрытие при сближении поверхностей приводит к появлению раскли н ивающего давления. Для адсорбционной составляющей раскл инивающего давления в [48] приведена формула: г А.

Па = з, (3.3).

Ут (к-8) где — концентрация растворённого вещества в объёмной фазе, — молекулярный объём растворённого вещества, И — толщина прослойки, 5толщина адсорбированного слоя, А8а — постоянный коэффициент. При условии к «5из формулы следует резкий кубический рост рас кл и н и ваю ще го давления с уменьшением расстояния между поверхностями.

Структурная составляющая раскл и ни вающего давления обусловлена тем, что вблизи межфазных поверхностей структура жидкостей отличается от структуры объёмной фазы. Структурную организацию жидкости трактуют как среднюю ориентацию осей молекул вдоль выделенного направления. При сближении поверхностей граничные слои перекрываются, что приводит к возникновению расклинивающего давления ЯД/?):

А кЛ.

П,(Я) = К^схр -—, (3.4).

V) где К55 — характеризует величину структурнь[х сил, а Я, 55 — их дальнодействие.

Значения этих параметров изменяются в пределах 103 — 107 Па и 1 — 3 нм, соогвегственно. Подсчёт показывает, что при величине зазора в реальном нано-устройстве 10 нм рас к л и н и ваю шее давление может иметь значение не более 3,5−105 Па.

Сравнение составляющих рас кл и н и вающе го давления с капиллярным в жидкой прослойке показывает существенно большую величину капиллярного вплоть до величины зазора между поверхностями порядка единиц нанометра. Для молекулярно гладких поверхностей наименьшая физически достижимая величина зазора равна удвоенной толщине адсорбиро ван н о го поверхностями мономолекулярного слоя жидкости.

Реальные поверхности обладают той или иной степенью отклонений от плоскостности и шероховатостью. Например, в серийном оптическом производстве при изготовлении изделий по высшему классу точности допуск на отклонение формы поверхности зеркал точных приборов определяется числом колец интерференции? V =0,1 — 0,5 (0,05 — 0,25 мкм на диаметре порядка 10 см), шероховатость полированных поверхностей ./? = 0,05 — 0,025 мкм на базовой длине 0.8 мм [4]. Неровности реальных поверхностей твёрдых тел приведут к тому, что минимальная толщина прослойки определится размерами выступов, имеющихся на поверхности.

Приблизиться к минимальной толщине жидкой прослойки, равной удвоенной толщине ад сорб ирова н, но го слоя, можно, если в качестве одного из соприкасающихся тел, как предложено выше, использовать пластичную тонкую (доли мкм) полимерную плёнку.

Для получения воздушной среды в капиллярном промежутке жидкость должна быть из него удалена, например, нагреванием и испарением. Эквидистантность воздушного зазора и его малая величина могут приводить к слипанию поверхностей под действием м еж м о л е кул я р н ы х сил. Основными силами, о п ре дел я ю щи м и взаимодействие между твёрдыми телами, являются межмолекулярные дисперсионные силы [50, 51]. В приведённом в [50] обзоре математических моделей межмолекулярного взаимодействия указывается на существование двух подходов к расчёту сил взаимодействия между твёрдыми телами: без учёта эффекта электромагнитного запаздывания отклика состояния одной молекулы на изменение состояния другой и с учётом этого запаздывания. Силы взаимодействия для этих случаев определяются формулами:

— без учёта запаздывания.

3.5).

— с учетом запаздывания.

3.6) где Ан и А[т — постоянные Гамакера, 5 — площадь поверхности приложения сил. Эффекты запаздывания становятся существенными, когда расстояние между поверхностями достаточно велико: где — длина волны характерной полосы поглощения конденсированной фазы принимается в случае любых метал л ич ее ки х поверхностей соответствующей ближней ул ьтрафиолетовой области, при этом к «30 нм). X.

Для сил без учёта запаздывания, когда к —, в работе [50] приведены значения постоянной Гамакера для некоторых тройных систем: металл — воздух — металл Аи =40 -10″ 20 Джсиликат — воздух — силикат /Г, =7,9 -10 20 Джполимер — воздух — полимер Аи =6,4−10 20 Дж. Пересчёт дисперсионных сил на давление Р! 8, ими оказываемое на смежные поверхности тел в системе металл — воздух — металл, дает при величине воздушного промежутка 0,5 — 5 -10 нм значения 1,7−108 -1,7−103 — 2,1−104 Па, соответственнодля системы силикат — воздух — силикат при тех же значениях промежутка давление.

В рассмогренном выше случае получения зазора в системе металл — воздух — металл с помощью капиллярной прослойки жидкости, толщина которой может доходить до удвоенной толщины адсорбционного слоя молекул /г"0,5 нм, расчётное притяжение поверхностей, обеспечиваемое дисперсионными си.

2 тс'.

3.7).

3,6−107 -3,6-КГ — 4-КГ Па. лами, может достигать значений, при которых поверхности монолитно сцепляютсяв большей степени подходит для реальных структур оптических устройств с эквидистантными нанозазорами система силикат — воздух — силикат, в которой притяжение поверхностей существенно меньше и недостаточно для их сращивания.

Силы поверхностного притяжения при наноразмерных величинах воздушных промежутков между плоскими поверхностями деталей конструкции могут вызывать в конструкциях значительные упругие силы и деформации. Для примера рассмотрим конструкцию устройства, в котором стеклянный кубик со стороной, а одной гранью закреплён неподвижно, а противоположная — металлизирована и является стороной воздушного капиллярного плоского промежутка. При воздействии на металлизированную грань притяжения со стороны воздушного промежутка кубик упруго деформируется — величину деформации найдем, используя закон Гука:

QaF —-, (3.8).

SE" где Ею — модуль Юнга (для стекла Ею = 0,5−10″ Па [46]), 0 — доля поверхности грани кубика, обращенной к зазору и занятой плоскими участками с номинальными расстояниями от них до противоположной стороны зазора. Значение О зависит от технологий подготовки поверхностей и получения вакуумного промежутка. Подсчет для величин зазора 0,5 нм, 5 нм и 10 нм с использованием ранее полученных значений F / S при стороне кубика а=1 см и 0 =1 даёт значения Аа -3,4-Ю4 нм, 34 нм и 4 нм, соответственно, что превышает величину зазора или близко к его значению. Общая сила, действующая на кубик в рассматриваемых условиях, имеет значение порядка 106 — 10я -102 Н.

Из приведённого анализа и полученных расчётных данных видно, что при изготовлении оптических устройств с рабочими промежутками между поверхностями менее 5 — 10 им влиянием дисперсионных сил на поверхности, ограничивающие промежуток, пренебрегать нельзя. Величина дисперсионных.

79 сил может быть достаточной для деформации конструкциейных элементов устройств и изменения величины промежутков.

33″ Получение зеркал.

3.3.1. Требования к оптическим характеристикам зеркальных покрытий.

Из таблицы 2, видно, что для улучшения разрешающей способности ИФ1Т, важно учитывать значение И — коэффициента отражения зеркал. В интерферометрии используют три вида зеркал: металлические, диэлектрические и металлодиэлектрические.

3.3.2. Обзор методов получения тонкопленочных металлических зеркал.

Металлы обладают коэффициентом отражения, близким к единице, только для излучения с длинами волн более 10—12 мкм. С уменьшением длины волны коэффициент отражения падает. В видимой и УФ-областях спектра проявляется внутренний фотоэффект, и ход кривых усложняется. Как видно из рис. 6, отражение серебра, например, имеет резкий минимум при л. = 316 нм (К = 4,2%), вызванный наличием полосы поглощения при X = 320 нм. Серебряные пленки могут даже служить сравнительно узкополосным светофильтром для X = 316 нм. В видимой области спектра серебряные зеркала имеют наилучший коэффициент отражения. Величины коэффициентов отражения металлических зеркал зависят от технологии их изготовления (пример приведен на рис. 43, а, б) [1].

Также, на величину коэффициента отражения металлов влияет чистота испаряемых металлов, скорость испарения, температура подложки, неровность напыляемой поверхности, метод испарения, угол испарения. Для оценки влияния некоторых из перечисленных факторов на отражение алюминиевых зеркал приведены таблицы 5−6 [52].

Рис. 43. Коэффициенты отражения от гладких поверхностей некоторых металлов в зависимости от длины волны. На кривых а) и б) показано влияние технологии изготовления алюминиевого зеркала на величину коэффициента отражения: в случае (1) зеркало напылено в высоком вакууме (10″ 6Тор), в случае (2) — сверхвысоком (10 5 Тор) [1].

Заключение

.

Проведены исследования по созданию микромеханических перестраиваемых оптических фильтров и монохроматоров и получены следующие результаты:

— разработана расчётная модель учёта влияния на оптические параметры интерференционных приборов отклонений от плоскостности поверхности зеркал в них с эквидистантными промежутками между зеркалами;

— разработаны элементы теории мультиплексных перестраиваемых интерферометровпоказано существование эффекта переключения полос пропускания интерферометра при регулировании ширины межзеркального промежутка интерферометра с меньшим порядком интерференции и достижимость разрешающей силы до 1 (Г с возможностью перестройки спектра пропускания в пределах октавы;

— исследованы ф изи ко-тех, но л о ги чес ки е проблемы получения регулируемых воздушных эквидистантных микрои наноразмерных промежутков между отражающими поверхностями интерферометра с апертурой около 1 см~ на способ получения воздушных промежутков и устройств интерферометров с эквидистантными зазорами получены патенты;

— разработана лабораторная технология технология получения наноразмерных промежутков;

— исследованы вопросы температурной стабильности микромеханических интерферометров и предложены методы уменьшения и компенсации температурных уходов положения линий пропускания спектров;

— разработана конструкция, изготовлены и исследованы макеты перестраиваемых интерферометров видимого диапазона спектра с пьезорегулирова-нием межзеркальных эквидистантных микрои наноразмерных воздушных промежутков на созданном измерительном стенде. Результаты испытаний подтверждают в целом результаты теоретических исследований;

— разработаны основы лабораторной технологии изготовления монохроматоров и перестраиваемых оптических фильтров видимого спектра для микрооптических устройств о итоэлекгронники, применимые также при создании спектральных устройств ближнего ИК — диапазона спектра.