автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка и исследование перестраиваемых микромеханических интерференционных оптоэлектронных приборов для спектрального анализа

На правах рукописи

Никулин Дмитрий Михайлович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА

05.11.07 - «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 ШІ 2012

005044253

Новосибирск - 2012

005044253

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия» (ФГБОУ ВПО «СГГА»).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Чесноков Владимир Владимирович.

Официальные оппоненты: Шлишевский Виктор Брунович,

доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия», профессор кафедры фотограмметрии;

Наливайко Валерий Игоревич, кандидат технических наук, «Институт автоматики и электрометрии» СО РАН,

старший научный сотрудник.

Ведущая организация Институт лазерной физики СО РАН

(г. Новосибирск).

Защита состоится 30 мая 2012 г. в 13-00 час. на заседании диссертационного совета ДМ 212.251.01 при ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» по адресу: 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, СГТА, ауд. 403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «СГГА».

Автореферат разослан 28 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 27.04.2012. Формат 60 х 84 1/16. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ ¿(Я Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 10. Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 8

Симонова Г.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время техника оптоэлек-тронных 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 оптоэлектроники.

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 микро- и нанотехнологии».

Наиболее широко распространены оптические микросистемы в виде чипа с матрицей микрозеркал, угловым положением которых можно индивидуально управлять электрически; такие 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 монохроматоров и спектрометров на принципах микромеханики, но создать устройства с параметрами, близкими к параметрам классических приборов, не удается. Трудно разрешимыми проблемами являются, кроме технологических, дифракционные ограничения при попытках обеспечить высокую разрешающую силу сверхминиатюрных спектральных устройств.

Настоящее исследование посвящено вопросам создания сверхминиатюрных спектральных микрооптоэлектромеханических систем (МОЭМС) с элек-

трически перестраиваемым спектром оптического пропускания, выполняющих функции электрически перестраиваемого узкополосных светофильтров и перестраиваемых монохроматоров. 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 нанотехнологиями изготовления МОЭМС.

В основе исследований и ожидаемых функциональных особенностей устройств лежит возможность создания методами нанотехнологии между протяжёнными поверхностями слоёв многослойной тонкоплёночной структуры регулируемого эквидистантного воздушного промежутка шириной в нанометровом диапазоне размеров. Требование эквидистантности зазора заменяет собой в ряде случаев требование высокой плоскостности ограничивающих его поверхностей. Величина зазора может быть около десятков и сотен ненометров при площади поверхностей, близкой величине используемой подложки. Возможность регулирования зазора по величине достигается электростатическим, акустическим или иным воздействием на граничащие с зазором поверхности.

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, около десятков сантиметров квадратных.

Для получения эквидистантного нанозазора найдены нетрадиционные подходы, описываемые ниже; в 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 поверхности. 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 и задачи исследования. Разработка и исследование физико-технических основ оптических многолучевых интерференционных спектральных устройств микросистемной техники, электрически перестраиваемых 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 физико-технических основ получения регулируемых воздушных эквидистантных микро- и наноразмерных промежутков между отражающими поверхностями интерференционных спектрометров с апертурой более 1 см2;

- разработка методов электрического регулирования величины воздушных микро- и нанопромежутков между зеркалами интерферометров;

- создание и экспериментальные исследования макетов перестраиваемых микромеханических многолучевых интерферометров.

Научная новизна результатов исследования. Научная новизна диссертационной работы заключается в создании физико-технических основ микроопто-электромеханических интерференционных перестраиваемых спектральных приборов.

При этом:

- впервые предложено в устройствах многолучевой интерференции для компенсации неровностей зеркал промежутки между зеркалами выполнять эк-

видистантными, что позволяет перестраивать интерферометр в диапазоне октавы; разработаны расчётные модели устройств,

- разработаны элементы теории перестраиваемых мультиплекс-интерфе-рометров; показано существование эффекта переключения полос пропускания при перестройке интерферометра и достижимость разрешающей силы до 104;

- впервые предложены и разработаны способы получения регулируемых эквидистантных микро- и наноразмерных промежутков между отражающими поверхностями интерферометра с апертурой около 1 см2 и предложены методы обеспечения термостабильности интерферометров; на 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.

Научная и практическая значимость работы:

Возможность создания перестраиваемых оптических фильтров и монохро-маторов видимого и ИК-диапазонов спектра для устройств оптоэлектроники.

Возможность применения разработанной лабораторной технологии получения наноразмерных промежутков между поверхностями тел при разработках устройств микроэлектроники и оптоэлектроники, основанных на эффектах тун-нелирования электронов через малые промежутки.

Возможность использования разработанного испытательного стенда в учебном процессе.

Возможность создания учебного курса по исследованным вопросам мик-рооптоэлектромеханических устройств.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

Элементы теории перестраиваемых оптоэлектромикромеханических интерферометров и светофильтров на основе интерферометров Фабри — Перо использующих эквидистантные промежутки между не плоскими отражающими поверхностями.

Результаты по разработке физико-технических основ функционирования перестраиваемого светофильтра на основе использования мультиплекс-интерферометра, с возможностью перестройки светофильтра в пределах видимого диапазона спектра.

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

Апробация и реализация результатов исследования. 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 СГТА.

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

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, изложена на 111 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков, 8 таблиц и список используемых источников из 59 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цели и задачи, научная новизна и практическая ценность. Приведены результаты апробации работы и публикации по ее теме. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту. Дано краткое содержание диссертации по разделам.

В первом разделе проведен обзор конструкций и параметров известных фильтров оптического излучения и микромеханических спектроанализирую-

щих приборов, описываются принципы их действия. В таблице 1 приведены спектральные параметры интерференционных перестраиваемых оптических фильтров и параметры управления фильтрами, в том числе, микромеханических устройств.

Таблица 1 — Основные параметры перестраиваемых микромеханических спектральных

устройств

Спектральный прибор Спектральный диапазон перестройки (нм) Светосила (размер ап-пертуры, СМ2) Разрешающая способность Управляющее напряжение (Вольт) Скорость перестройки спектра (с)

Перестраиваемые фильтры Фабри-Перо 0,12 = 1 105н-106 Сотни вольт Сотни мкс

Оптоволоконные фильтры Фабри-Перо = 200 КГ4 102 Десятки вольт Сотни МКС

Жидкокристаллические фильтры Фабри-Перо 10-50 = 1 3-Ю3 < 15 и больше Десятки МКС

Фильтры на основе МЭМС 10-70 = 10-5 3-Ю2 >50 Десятки МКС -десятки миллисекунд

Тонкопленочные перестраиваемые фильтры 30-60 = 1 3-Ю3 Десятки вольт несколько мс

Из приведенных в первом разделе сведений следует, что перестройка спектра пропускания светофильтров производится с использованием пьезоэффекта, термического расширения тел, электрооптических эффектов; микромеханические 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 (Х/5Х = 102). 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.

Во втором разделе представлены основные положения теории многолучевых интерферометров: двухзеркальных, четырехзеркальных, клиновых.

Далее в диссертации приведены основы теории сканирующих мультип-лекс-интерферометров с эквидистантными зазорами; теоретически исследовались следующие вопросы создания светофильтров:

- допустимость применения в интерференционных устройствах отражающих поверхностей с отклонениями от плоскостности, но расположенных эквидистантно;

- оптические характеристики интерференционных светофильтров с регулируемыми субмикронными воздушными промежутками между зеркальными поверхностями;

- термическая стабильность перестраиваемых светофильтров;

- функционирование пьезоэлектрических движителей.

Конструкция перестраиваемого светофильтра, являющегося по своей структуре мультиплекс-интерферометром, представлена на рисунке 1.

Интерферометр низшего порядка образован зеркалами 1,2 и воздушным зазором между ними. Интерферометр высокого порядка образован зеркалами 5, 6 и прозрачной пластиной 7 между ними. К пьезокерамической шайбе 3 прикреплен фланец 4, в котором закреплена прозрачная пластина с зеркалом 1. Важнейшей конструктивной особенностью устройства является использование между зеркалами 1 и 2 субмикронного эквидистантного воздушного зазора на всей площади оптической апертуры диаметром 10 мм, регулируемого в пределах (0,2-0,4) мкм. Управление величиной воздушного зазора осуществляется изменением управляющего напряжения, приложенного между обкладками пьезокерамической шайбы 3.

Отклонения от плоскопараллельности субмикронного эквидистантного воздушного зазора между зеркалами вызваны наличием рельефа на поверхности стеклянной пластины, используемой для зеркала 2 в качестве подложки. Рельеф поверхностей пластин задается двумя технологическими параметрами: шероховатостью и отклонениями от плоскостности (волнистость).

Для определения допустимой неплоскостности эквидистантного зазора предложена модель многолучевой интерференции света в таком зазоре между зеркалами интерферометра, неровности поверхностей зеркал представлялись прямыми отрезками (рисунок 2).

Из рисунка 2 видно, что луч 1, падающий на эквидистантный зазор шириной (I, испытывая многократные отражения от поверхностей зеркал интерферометра, разделяется на несколько когерентных лучей, которые между собой интерферируют. Разность хода соседних лучей определяется формулой:

Д51,. =2с1соъР„ (1)

где Д. - угол преломления для г-го луча.

На рисунке 2 видно, что в силу многократного отражения луч 1 может перейти в соседнюю зону с другими углами наклона зеркал, тем самым изменив разность хода и потеряв возможность проинтерферировать с образовавшими его лучами. Величина /,, на которую сместится падающий луч 1 в зазоре, испытав ./V отражений:

•&(-«)• (2) «2

Для алюминиевых зеркал с коэффициентом отражения Я = 0,9, эффективное количество отражений N = 30. Принимая ё = Л/2, Л = 0,76 мкм, показатель преломления воздуха л2 = 1, показатель преломления стекла «,= 1,4 (для кварцевого стекла), Лгти=0,1 мкм, 3 = 10 мкм, используя формулу (2), получим 4 = 0,32 мкм.

В1 - среднее значение длины отражающей грани зеркала из рисунка 2:

г, =А/дг2+52/4 = 5л<о<. (3)

Определим долю поверхности отражающей грани, не участвующей в ин-11В

терференционной картине: 0,035 = %• (Для Л = 0,97, N = 103 =>

4 = 1,1^,^ = 0,11=11%).

Из рисунка 2 видно, что лучи, упавшие на разные грани неровности поверхности (а* а), преломятся под разными углами (/3*0). Группы вышедших лучей, образованные разными лучами 1 и 2, будут иметь разные разности хода и разности фаз.

Разность хода - ДУ, и Д52 соседних вышедших лучей, образованных входящими лучами 1 и 2 лучами, соответственно:

Д5,=2-(/созу9. (4)

Д52=2-«/-СО8Д=2-«/-СО80 = 2-Й. (5)

Отличия А? разности хода соседних вышедших лучей для групп лучей, образованных 1 и 2 лучами:

= А$г — ЛУ, = 2 • ¿(1 — соэ Р) = 2'СІ

(1-соз(—а) "2 .

(6)

Принимая <1 = Х12, X = 0,76 мкм, показатель преломления воздуха «2 = 1, показатель преломления стекла = 1,4, Л, =0,1 мкм, а 5 = 10 мкм, используя

(10) М= 0,3-1(Г5л< = ЗЛс =>Д5«/1/100, т. е Л? находится в пределах требующейся точности изготовления пластин интерферометров.

Приведенные расчеты показывают, что в многолучевых интерферометрах можно применять зеркала с отступлениями от плоскостности при использовании эквидистантных зазоров между их поверхностями и величине зазоров в пределах первого порядка интерференции.

Далее в диссертации представлены результаты расчета спектра пропускания в диапазоне видимого света 'Я»« (рисунок 3) рассматриваемого перестраиваемого мультиплекс-интерферо-метра и приведены его расчетные спектральные параметры (таблицы 2,3).

Рисунок 3 - Формирование спектра пропускания перестраиваемого светофильтра

Интерферометр с первым порядком интерференции перестраивается путем изменения зазора между зеркалами, спектральная полоса пропускания 8\ может перемещаться по спектру в пределах области дисперсии АЛ, (рисунок 3, а). Спектр пропускания интерферометра с высоким порядком интерференции (рисунок 3, 6) имеет несколько полос пропускания , умещающихся в области дисперсии ДЛ,. Если перемещать полосу пропускания 5\, последовательно выделяются полосы пропускания <5^ второго светофильтра, т. е. происходит «переключение» пропускаемых интерферометром с большим порядком интерференции спектральных полос <5^ (рисунок 3, в).

В спектре пропускания мультиплекс-интерферометра не будут наблюдаться одновременно две или более полосы его пропускания, если ширина полосы пропускания интерферометра с меньшим зазором на наименьшей длине волны рабочего диапазона мультиплекс-интерферометра 8\ меньше минимальной области дисперсии АЛ, второго интерферометра (рисунок 3, а, 6).

Проведенные количественные оценки достижимых параметров рассматриваемого устройства, в котором интерферометр с меньшим зазором имеет порядок =1, а регулируемый диапазон спектра ДЛ, = АЛи =0,4+0,8мкм представлены в таблицах 2, 3. Здесь Я и Т- коэффициенты отражения и пропускания зеркал интерферометра, п2Ь2 - геометрическая толщина интерферометра с высоким порядком интерференции, Ц =0,2-5-0,4 мкм - минимальная и максимальная толщина перестраиваемого интерферометра с первым порядком интерференции.

Таблица 2 - Расчетные спектральные параметры микромеханического перестраиваемого светофильтра (Я = 0,9, Т= 0,05)

А. мкм- X, мкм а,, мкм АК> мкм мкм 9 п2Ь2икм

0,2 0,4 0,0134 0,4 0,0018 г, =зо 15 6

0,4 0,8 0,0268 0,0045 <7, = 15

Таблица 3 - Расчетные спектральные параметры микромеханического перестраиваемого светофильтра (Л = 0,97, Т= 0,02)

и, мкм мкм мкм АХм, мкм Мкм 9 М = Я>-9Х «2^2 МКМ

0,2 0,4 0,00388 0,4 0,0000376 <7, =103 51,5 20,6

0,4 0,8 0,00776 0,00015 Ях =51,5

На рисунке 4 приведен расчетный график зависимости коэффициента пропускания перестраиваемого светофильтра в видимом диапазоне спектра от величины регулируемого зазора тонкого интерферометра, который изменяется от 0,2 мкм до 0,4 мкм. Величина зазора толстого интерферометра 6 мкм, энергетические прозрачность и коэффициент отражения каждого зеркала: Т= 0,05 и Я = 0,9.

Рисунок 4 - График зависимости коэффициента пропускания перестраиваемого светофильтра в видимом диапазоне спектра от величины регулируемого зазора тонкого интерферометра

Результаты расчетов подтверждают, что светофильтр может перестраиваться в диапазоне длин волн (0,4—0,8) мкм (число переключаемых полос М= 15); расчетная разрешаемая разность длин волн ¿йл: = (4,5-18)Л°, разрешающая способность X! 5Х~ 0,5 ■ 103, для светофильтра с металлодиэлектрическими зеркала-

ми расчетная разрешаемая разность длин волн 6ХМ = (0,4-1,5)Л°, разрешающая

способность Х18Х = 104 (число переключаемых полос М= 51,5).

Далее в диссертации рассмотрена термическая стабильность перестраиваемых светофильтров с воздушным зазором между зеркалами и методы её уменьшения и компенсации.

Далее подробно рассмотрены пьезоэлектрические движители, приведена оценка быстродействия светофильтра при сканировании спектра.

Таким образом, во втором разделе диссертации представлены 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 интерферометров; показано существование эффекта переключения полос пропускания интерферометра при регулировании ширины межзеркального промежутка интерферометра с меньшим порядком интерференции и достижимость разрешающей силы до 104 с возможностью перестройки спектра пропускания в пределах октавы; •

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

В третьем разделе диссертации представлены результаты исследований физико-технических основ получения зеркальных систем с регулируемыми воздушными эквидистантными нано- и микроразмерными промежутками.

Подробно описана конструкция и способ изготовления перестраиваемого светофильтра с интерферометром Фабри - Перо, рисунок 5. На первую пластину/с полированной поверхностью 2 наносят зеркальный слой 3 (рисунок 5,а), поверх которого наносят жертвенный слой 4 (рисунок 5, б). Поверх жертвенного слоя наносят зеркальный слой 5 второй пластины (рисунок 5, е) в виде участка, не перекрывающего края жертвенного слоя. Поверх зеркального слоя наносят твердеющий материал 6 (рисунок 5, г), поверх полученной структуры на-

^ /

\ффффффф ф ф ф '/, ф ф ф/г

-Ч

\'/"/"/'ф'/'фф Ф Ф'/' Ф Ф Ф ФИ

ф Ф Ф ф ф ф ф ФФФФФФФ1,

л

г) | ф >/, '// >/, ф ф <А ф ф '/, ф '/, ф~Щ

' ¿Л

[ ф ф ф фф ф Ф ф Ф ф ф>/, Ф~Щ \ 2

кладывают вторую пластину 7 (рисунок 5, д); твердеющий материал между пластиной и зеркальным слоем под давлением пластины и под действием своего поверхностного натяжения распределяется в виде слоя 8 равномерной толщины; количество твердеющего материала должно быть таким, чтобы материал не вытекал за пределы зеркального слоя 5. По завершении процесса затвердевания слоя 8 объединенную структуру, содержащую пластины и слои между ними, закрепляют в предназначенном для этого месте конечного устройства или его узла ( как иллюстрируется на рисунок 5, е), где 10 -держатель механизма перемещения пластины в интерферометре Фабри - Перо. На этом рисунке показан схематически механизм перемещения зеркала в котором движителем является пьезоэлектрический элемент 9, закрепленный на пластине 1 твердеющим материалом 11. Закрепление держателя 10 производится твердеющим материалом 12 и 13. Последний этап - удаление жертвенного слоя 4, осуществляемое его испарением

или растворением (рисунок 5, ж). После удаления жертвенного слоя между зеркалами 3 и 5 образуется зазор 14.

На рисунке 6 показана фотография макетного образца, изготовленного по

описанному способу изготовления переРисунок 6 - Макетный образец

страиваемого светофильтра с интерферо-

перестраиваемого светофильтра

метром Фабри - Перо.

с интерферометром Фабри - Перо

Рисунок 5 - Способ изготовления перестраиваемого светофильтра

Получение воздушного промежутка удалением жертвенного слоя нагреванием или растворением оказалось затрудненным малой величиной щели эквидистантного промежутка от ОД до 0,2 мкм при площади пластин «1 см2. Применялось также механическое отделение плёнки алюминия от жертвенного слоя; после разделения зеркал маннит оставался на одном из зеркал. 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).

Уверенные положительные результаты по формированию эквидистантных

наноразмерных промежутков между зеркалами интерферометра получались при использовании технологии, использующей капиллярные слои жидкости.

На нитроцеллюлозную пленку в свободном состоянии в виде мембраны, натянутой на рамке, напыляют слой А1 нужной толщины, рисунок 7. (слой А1 снизу мембраны). Толщина нитроцеллюлозной пленки примерно 0,10-0,25 мкм.

Следующий этап: на стеклянную шайбу с зеркалом А1 (рисунок 8) наносят каплю дистиллированной воды, затем сверху укладывают нитроцеллюлозную металлизированную плёнку на рамке. Два алюминиевых покрытия оказываются разделенными слоем воды (рисунок 9).

тгш

Рисунок 8 - Капля дистиллированной воды на зеркале А1

Рисунок 7 - Нитроцеллю-лезная пленка на рамке с зеркальным напылением

Рисунок 9 -

Нитроцеллюлозная металлизированная плёнка на шайбе с

На просвет данная структура не имеет выраженных интерференционных картин, что говорит о малой толщине капиллярного слоя воды (менее 0,1 мкм).

Последовательность последующих операций повторяет технологию, поясняющуюся на рисунке 5, г-ж.

Выводы по третьему разделу.

- предложены и исследованы два метода получения воздушных эквидистантных промежутков между зеркальными поверхностями пластин интерферометров при размерах промежутков от 0,1 до 0,3 мкм и площади пластин примерно равно 1 см2: с использованием жертвенного слоя и с использованием плоских капиллярных слоев жидкости.

- проведен обзор сведений о молекулярных силовых воздействиях в нано-размерных плоских капиллярах, заполненных жидкостью или не имеющих заполнения. Обосновано использование капиллярных слоев жидкости для получения наноразмерных промежутков между плоскими поверхностями. Проведена оценка влияния молекулярного притяжения между поверхностями, сближенными до расстояний в еденицы нанометров и показана возможность саморазрушение и деформация зеркальных пластин интерферометров в таких условиях.

- разработана лабораторная технология получения зеркальных плёночных алюминиевых покрытий вакуумным напылением;

- разработанная лабораторная методика получения нанозазоров между зеркальными покрытиями базируется на капиллярном способе.

В четвертом разделе диссертации представлены описание методики экспериментальных исследований образцов перестраиваемых светофильтров и результаты экспериментов.

Конструкция испытательного стенда для исследований в видимом диапазоне спектра показана на рисунке 10.

Рисунок 10 — Оптическая схема испытательного стенда

Основой оптической схемы стенда (рисунок 10) является дифракционная решетка 6. Она позволяет совместно с объективом 7 развернуть в плоскости фотоприемной матрицы 8 изображение входной щели 3 на разных длинах волн (Х,-Х2). Оптическая система содержит источник света 1 (излучающий во всем видимом диапазоне), конденсорную линзу 2, коллиматор 4 (фокусное расстояние - /,) и объектив 7 (фокусное расстояние - /2), образующие изображение щели в плоскости фотоприемной матрицы (Ф.П). Кюветное отделение 5, предназначено для установки исследуемого перестраиваемого микромеханического интерферометра Фабри - Перо или эталонного образца для калибровки стенда.

Для измерения значения спектральной полосы пропускания интерферометра, обладающего разрешением П,„ „ «103, испытательный стенд должен иметь разрешающую способность не менее МО4. Проведённые результаты расчётов показывают достижимость такого разрешения при использовании дифракционной решетки 1 ООО штр./мм с объективом с фокусным расстоянием 80 мм (диапазон перестройки 90 нм), или при использовании решетки 200 штр./мм и объектива с фокусным расстоянием порядка 700 мм (диапазон

перестройки 70 нм).

На стенде измерялись оптические характеристики образца светофильтра (рисунок 6) имеющие воздушные эквидистантные промежутки между зеркальными покрытиями полученные по технологии с использованием капиллярных сил.

Воздушный эквидистантный промежуток между зеркалами интерферометра с диаметром 1 см2 имели наблюдаемый по интерференционным полосам форму клина с наибольшим отклонением от параллельности зеркал 0,2 мкм.

На рисунке 11 показан график зависимости перестройки средней длины пропускания интерферометра низкого порядка от управляющего напряжения.

Из графика (рисунок 11) видно, что перестройка спектра от управляющего напряжения происходит с величиной 1,24 нм/В.

На рисунке 12 показан график зависимости пропускания интерферометра низкого порядка от длины волны, величина регулируемого зазора 273 нм.

Рисунок 11 - График зависимости перестройки средней длины волны полосы пропускания интерферометра низкого порядка от управляющего напряжения на пьезошайбу

Пропускание интерферометра низкого порядка

100

80 60 -■ 40 -20

У V

400 450 500 550

Длина волны (нм)

Рисунок 12 - График зависимости пропускания интерферометра низкого порядка от длины волны при величине регулируемого зазора 273 нм

Ширина полосы пропускания интерферометра по уровню полувысоты равна 50 нм. Расчет параметров зеркал, обеспечивающих такую полосу, дает значения: Я = 0,65 - отражение зеркал; Т= 0,32 - пропускание зеркал; А = 0,03 -поглощение зеркал.

Эти значения свидетельствуют о том; что необходима доработка технологии нанесения зеркал.

Анализ полученных экспериментальных результатов позволяет сделать следующие выводы:

- созданы и исследованы макеты перестраиваемых интерферометров видимого диапазона спектра с пьезорегулированием межзеркальных эквидистантных микро- и наноразмерных воздушных промежутков и измерительный стенд

для исследования этих макетов.

- показана возможность создания перестраиваемых оптических фильтров видимого диапазона, электрически перестраиваемых по диапазону спектра порядка долей октавы.

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 интерферометров; показано существование эффекта переключения полос пропускания интерферометра при регулировании ширины межзеркального промежутка интерферометра с меньшим порядком интерференции и достижимость разрешающей силы до 104 с возможностью перестройки спектра пропускания в пределах октавы;

- исследованы физико-технологические проблемы получения регулируемых воздушных эквидистантных микро- и 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 конструкция, изготовлены и исследованы макеты перестраиваемых интерферометров видимого диапазона спектра с пьезорегулированием межзеркальных эквидистантных микро- и наноразмерных воздушных промежутков на созданном измерительном стенде. Результаты испытаний подтверждают в целом результаты теоретических исследований;

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

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Чесноков, В. В. Интерференционные светофильтры с перестраиваемой полосой пропускания / В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, Д. М. Никулин // Изв. вузов. Приборостроение. - 2009. - Т. 52, № 6. - С. 63-68.

-2 Чесноков, Д. В. Возникновение самоупорядоченного рельефа в тонкопленочных структурах / Д. В. Чесноков, Д. М. Никулин, В. В. Чесноков, А. Е. Чесноков, В. С. Корнеев, С. JI. Шергин // Письма в ЖТФ. - 2009. - Т. 35, вып. 14. -С. 54-58.

3 Пат. № 2 388 025 Российская Федерация МПК G02B 5/28 (2006.01) Способ изготовления перестраиваемого светофильтра с интерферометром Фабри -Перо // В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, Д. М. Никулин, А. Е. Чесноков; заявитель и патентообладатель: Сиб. гос. геодез. академ. (ГОУ ВПО «СГГА»); заявл. 21.07.2008; опубл. 27.04.2010; Бюл. № 12.

4 Пат. № 2 399 935 Российская Федерация МПК G02B 5/28 (2006.01) Интерференционный светофильтр с перестраиваемой полосой пропускания / В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, Д. М. Никулин; заявитель и патентообладатель: Сиб. гос. геодез. академ. (ГОУ ВПО «СГГА»); заявл. 03.04.2008; опубл. 20.09.2010.

5 Чесноков, В. В. Интерференционные светофильтры с перестраиваемой полосой пропускания / В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, Д. М. Никулин // ГЕО-Сибирь-2008. Т. 4. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника. Ч. 2 : сб. матер. IV Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2008», 22-24 апреля 2008 г., Новосибирск. - Новосибирск : СГГА, 2008.-С. 11-15.

6 Чесноков, В. В. Мультиплекс-светофильтр с перестраиваемой полосой пропускания / В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, Д. М. Никулин // Российское совещание по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники «Фо-тоника-2008» (Россия, Новосибирск, 19-23 августа 2008 г.): тез. докл.- Новосибирск: ИФП СО РАН, 2008. - С. 122.

7 Никулин, Д. М. Четырехзеркальный микромеханический перестраиваемый интерферометр Фабри - Перо / Д. М. Никулин, В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков // ГЕО-Сибирь-2009. Т. 5. Оптико-физические и теплофизические исследования, микротехника и нанотехнологии. Ч. 1 : сб. матер. V Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2009», 20-24 апреля 2009 г., Новосибирск. - Новосибирск : СГГА, 2009. - С. 201-204.

8 Nikulin, D. М. Equation Chapter 2 Section lTunable interference colour filter in micromechanical performance / D. M. Nikulin, V. V. Chesnokov, D. V. Chesno-kov // "9th Int. Symp. on Measurement Tech. and Intelligent Istrum". (Russia, Saint-Petersburg, 29 june - 2 july 2009): Proc. of ISMTII-2009, V. 3. - Saint-Petersburg: D. S. Rozhdestvensky Opt. Soc., 2009. - P. 3-228 - 3-232.

9 Nikulin, D. M. Micromechanical Optical Spectral Devices with Electrostatic Control / D. M. Nikulin, V. V. Chesnokov, D. V. Chesnokov // International School and Seminar on Modern Problems of Nanoelectronics, Micro- and Nanosystem Technologies INTERNANO'2009 (Russia, Novosibirsk, 2009, Oct. 28-31): Proc. -Novosibirsk: NSTU, 2009. - P. 116-118.

10 Nikulin, D. M. Tunable interference colour filter in micromechanical performance / D. M. Nikulin, V. V. Chesnokov, D. V. Chesnokov // Key Engineering Materials. - 2010. - Vol. 437. - P. 412-415.

11 Никулин, Д. M. Термостабильность перестраиваемых светофильтров на основе резонатора Фабри - Перо / Д. М. Никулин // ГЕО-Сибирь-2010. Т. 5. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии. Ч. 2 : сб. матер. VI Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2010», 19-29 апреля 2010 г., Новосибирск. - Новосибирск : СГТА, 2010.-С. 27-31.

12 Чесноков, В. В. Оценка влияния поверхностных сил при формировании нанометровых промежутков между поверхностями оптических устройств / В. В. Чесноков, Д. М. Никулин // ГЕО-Сибирь-2011. Т. 5. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии. Ч. 2 : сб. матер. VII Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2011», 1929 апреля 2011 г., Новосибирск. - Новосибирск : СГГА, 2011. - С. 12-18.

13 Никулин, Д. М. Интерференция света в воздушном эквидистантном зазоре / Д. М. Никулин // ГЕО-Сибирь-2011. Т. 5. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии. Ч. 2 : сб. матер. VII Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2011», 19-29 апреля 2011 г., Новосибирск. - Новосибирск : СГГА, 2011. - С. 79-82.

14 Лазерная ретушь оптической неравномерности воздушных промежутков в многолучевых интерферометрах / Д. В. Чесноков, В. В. Чесноков, Д. М. Никулин, Д. В. Кочкарев // ГЕО-Сибирь-2011. Т. 5. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии. Ч. 2 : сб. матер. VII Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2011», 19-29 апреля 2011 г., Новосибирск. - Новосибирск : СГГА, 2011.-С. 113-116.

15 Никулин, Д. М. Испытательный стенд для измерения спектральных характеристик перестраиваемых микромеханических интерферометров Фабри-Перо / Д. М. Никулин // Интрэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. научн. конгр., 10-20 апреля 2012 г., Новосибирск : Междунар. научн. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. Т. 1. - Новосибирск : СГГА, 2012. - С. 126131.

61 12-5/3653

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

На правах рукописи

Л.

Никулин Дмитрий Михайлович [" -у

(

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА

05.11.07 - "Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Чесноков Владимир Владимирович

Новосибирск - 2012

1. Классификация и сравнительная оценка параметров диспергирующих устройств оптических спектральных

и б о о в ввввв»вв*во*вз«|е«вв«!)ввв«веввв9вевв«»»ве«ве»вао*ее««*«евв»«»вв«««ввв«0 9«фвевв««вв«4«»««в«а«««»*»вв»вввово««»«^

1.1. Классификация фильтров оптического излучения и характеризующие их основные параметры....................................................9

1.2. Тонкопленочные интерференционные фильтры [1]....................................10

1.3. Дифракционные фильтры...............................................................................11

1.4. Призменные фильтры.....................................................................................15

1.5. Сканирующие резонаторы Фабри-Перо.......................................................18

1.6. Светосила дифракционных, призменных спектрометров и спектрометров Фабри-Перо...........................................................................20

1.7. Пе рестраи ваемые оптические резонаторы лазеров на красителях

с дисперсионными элементами .....................................................................21

1.8. Растровая спектроскопия................................................................................23

! .9. Микромеханические спектроанализирующие приборы.............................25

1.9.1. Использование эффектов полного внутреннего отражения и интерференции света для амплитудной и фазовой модуляции оптических потоков......................................................................................25

1.9.2. Датчики Фабри-Перо....................................................................................30

1.9.3. Перес граи ваем ы е оптоволоконные фильтры Фабри-Перо......................31

1.9.4. Жидкокристаллические фильтры Фабри-Перо .........................................33

1.9.5. Перестраиваемые оптические фильтры на основе МЭМС......................34

3.9.6. Гон коплено ч н ые перестраи ваемые интерферометры ..............................36

1.10. Выводы.............................................................................................................37

2. Теоретические исследования ........................................................................39

2.1. Введение. Основные положения теории многолучевых интерферометров.............................................................................................39

2.1.1. Двухзеркальные интерферометры ..............................................................41

2.1.2. Четырехзеркальные интерферометры (мультиплекс-интерферометры)..........................................................................................44

2.1.3. Клиновые интерферометры .........................................................................48

2.2. Разработка основ теории сканирующих мультиплекс-интерферометров с эквидистантными зазорами..........................................50

2.3. Определение допустимой неплоскостности в зависимости от величины эквидистантного зазора................................................................51

2.4. Основы теории мул ьтипл екс н ых интерференционных спектральных устройств с регулированием положения полосы пропускания в их спектре...........,...................................................................55

2.5. Термическая не стабильность перестраиваемых и нтерференцион н ых светофильтров с воздушным зазором

между зеркалами и методы её уменьшения и компенсации......................62

2.6. Пьезоэлектрические движители, оценка быстродействия при сканировании спектра.....................................................................................65

2.7. Выводы.............................................................................................................68

3. Исследование технологических основ получения зеркальных систем с регулируемыми воздушными эквидистантными

нано- и микроразмерными промежутками между зеркалами...............70

3.1. Получение воздушных зазоров между плоскими элементами...................70

3.2. Исследованные технологические методы получения воздушных зазоров между плоскими элементами...........................................................71

3.2.1. Жертвенный слой..........................................................................................71

3.2.2. Использование капиллярных сил................................................................73

3.3. Получение зеркал............................................................................................80

3.3.1. Требования к оптическим характеристи кам зеркальных покрытий........................................................................................................80

3.3.2. Обзор методов получения тонкопленочных металлических

зеркал .............................................................................................................80

3.3.3. Обзор методов получения диэлектрических и металлодиэлектрических зеркал.................................................................82

3.3.4. Лабораторная технология получения дву хзеркал ьного интерферометра с микро- и наноразмерными промежутками

между зеркалами...........................................................................................86

3.4. Обсуждение результатов................................................................................91

4. Экспериментальный испытательный стенд и результаты измерений........................................................................................................92

4.1. Требования к конструкции и сп ытател ьн о го стенда....................................92

4.2. Испытательный стенд для исследования перестраиваемого

интерферометра в видимом диапазоне спектра...........................................92

4.3. Результаты измерений....................................................................................99

Заключение.............................................................................................*...............103

Список литературы ...............................................................................................105

Введение

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 микро- и нанотехнологии».

Наиболее широко распространены оптические микросистемы в виде чипа с матрицей микрозеркал, угловым положением которых можно индивидуально управлять электрически; такие 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 ниже; в 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 микро- и наноразмерных промежутков между отражающими поверхностями интерферометра с отношением апертуры интерферометра к вел ичине промежутка 104 -105;

- разработка методов электрического регулирования величины воздушных микро- и 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 октавы; разработаны расчётные модели устройств,

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

- впервые предложены и разработаны способы получения регулируемых эквидистантных микро- и наноразмерных промежутков между отражающими поверхностями интерферометра с апертурой около 1 см2 и предложены методы обеспечения термостабильности интерферометров; на 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 про-

X

зрачности для длины волны