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
Новосибирск – 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образователь ном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская госу дарственная геодезическая академия» (ФГБОУ ВПО «СГГА»).
доктор технических наук, профессор Научный руководитель – Чесноков Владимир Владимирович.
Официальные оппоненты: Шлишевский Виктор Брунович, доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Сибирская государст венная геодезическая академия», профессор кафедры фотограмметрии;
Наливайко Валерий Игоревич, кандидат технических наук, «Институт автоматики и электромет рии» 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 геодези ческая академия» по адресу: 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, СГГА, ауд. 403.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «СГГА».
Автореферат разослан 28 апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Симонова Г.В.
Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997.
Подписано в печать 27.04.2012. Формат 60 84 1/16.
Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного, 10.
Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, Плахотного,
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 по следние десятилетия микросистемной техники может предложить альтернативу классическим устройствам оптоэлектроники.
Микросистемная техника развивается по нескольким направлениям, вклю чающим микроэлектромеханические, микрооптоэлектромеханические, микро флюидные и микропневматические системы и компоненты. Функциональные назначения микросистем различны, однако между ними имеется фундамен тальное сходство, которое в «Перечне критических технологий РФ» определя ется следующим образом: «сверхминиатюрные механизмы, приборы, машины с ранее не достижимыми массогабаритами, энергетическими показателями и функциональными параметрами, создаваемые эффективными процессами мик ро- 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 промыш ленности оптических и оптоэлектронных устройств занимают спектральные приборы. Известен ряд попыток создания микроминиатюрных монохроматоров и спектрометров на принципах микромеханики, но создать устройства с пара метрами, близкими к параметрам классических приборов, не удается. Трудно разрешимыми проблемами являются, кроме технологических, дифракционные ограничения при попытках обеспечить высокую разрешающую силу сверхми ниатюрных спектральных устройств.
Настоящее исследование посвящено вопросам создания сверхминиатюр ных спектральных микрооптоэлектромеханических систем (МОЭМС) с элек трически перестраиваемым спектром оптического пропускания, выполняющих функции электрически перестраиваемого узкополосных светофильтров и пере страиваемых 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 устройст ва с сохранением значения светосилы. Широкий диапазон перестройки спектра с изменением положения полосы пропускания, вплоть до октавы, обеспечива ется нанотехнологиями изготовления МОЭМС.
В основе исследований и ожидаемых функциональных особенностей уст ройств лежит возможность создания методами нанотехнологии между протя жёнными поверхностями слоёв многослойной тонкоплёночной структуры регу лируемого эквидистантного воздушного промежутка шириной в нанометровом диапазоне размеров. Требование эквидистантности зазора заменяет собой в ря де случаев требование высокой плоскостности ограничивающих его поверхно стей. Величина зазора может быть около десятков и сотен ненометров при пло щади поверхностей, близкой величине используемой подложки. Возможность регулирования зазора по величине достигается электростатическим, акустиче ским или иным воздействием на граничащие с зазором поверхности.
Современные требования к оптическим поверхностям интерференционных устройств с высоким уровнем параметров обеспечиваются с большими техно логическими сложностями – это плоскостность с допустимыми отступлениями от неё порядка десятых сотых долей длины волны света при величине поверх ности, определяющей светосилу оптического устройства, около десятков сан тиметров квадратных.
Для получения эквидистантного нанозазора найдены нетрадиционные подходы, описываемые ниже;
в нижнем диапазоне значений зазора возможно существенное влияние на расстояние между ограничивающими зазор реальны ми поверхностями их атомарных и структурных неровностей, что заставляет в исследованиях учитывать эти эффекты.
Возможность регулирования зазора по величине может достигаться пьезо электрическим, электростатическим или иным воздействием на граничащие с зазором поверхности. Предлагаемый подход упрощает решение технологиче ской части задачи создания микроприборов – анализаторов спектра.
Актуальность исследования обусловлена возможностью создания сверх миниатюрных 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-техничес ких основ оптических многолучевых интерференционных спектральных уст ройств микросистемной техники, электрически перестраиваемых по диапазону спектра порядка долей октавы. Решаются задачи:
– разработка элементов теории и методов расчёта оптических характери стик и температурной стабильности перестраиваемых в широком диапазоне спектра многолучевых интерферометров с эквидистантными промежутками, ограниченными имеющими отклонения от плоскостности зеркальными поверх ностями;
– разработка физико-технических основ получения регулируемых воздуш ных эквидистантных микро- и наноразмерных промежутков между отражаю щими 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 диссертаци онной 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 окта вы;
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 по лучены патенты;
– разработаны конструкции и исследованы макеты перестраиваемых ин терферометров 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 полу чения 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 учеб ном процессе.
Возможность создания учебного курса по исследованным вопросам мик рооптоэлектромеханических устройств.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту Элементы теории перестраиваемых оптоэлектромикромеханических ин терферометров и светофильтров на основе интерферометров Фабри – Перо ис пользующих 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 види мого диапазона спектра.
Лабораторная технология изготовления перестраиваемого светофильтра на основе интерферометра Фабри – Перо с эквидистантными промежутками меж ду зеркалами интерферометра, имеющими отклонениями от плоскостности.
Апробация и реализация результатов исследования. Результаты диссерта ционной работы докладывались и представлялись на: III, IV, V, VI и VII Меж дународном 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 по теме диссертации. Основное содержание диссертации опубликовано в 13 научных работах и 2 патентах, в том числе: 2 работы опуб ликованы в ведущих рецензируемых журналах «Известия ВУЗов» и «Письма в ЖТФ», соответствующих профилю диссертации и входящих в перечень изда ний, определенных ВАК Минобрнауки РФ, 8 статей в материалах международ ных конгрессов и конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четы рех разделов, заключения, изложена на 111 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков, 8 таблиц и список используемых источников из 59 на именований.
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. Сформули рованы 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, микромеханиче ских устройств.
Таблица 1 – Основные параметры перестраиваемых микромеханических спектральных устройств Спектраль- Спектральный Светосила Разрешаю- Управляющее Скорость пе ный прибор диапазон пере- (размер ап- щая способ- напряжение рестройки стройки (нм) пертуры, ность (Вольт) спектра (с) см 2 ) Перестраи 0, ваемые Сотни вольт Сотни мкс 105 фильтры Фабри-Перо Оптоволо конные Десятки вольт Сотни мкс 104 фильтры Фабри-Перо Жидкокри 10 50 15 и больше сталлические 1 Десятки мкс 3 фильтры Фаб ри-Перо Фильтры на Десятки мкс – 10 70 основе десятки мил 3 10 МЭМС лисекунд Тонкопле 30 60 ночные пере- Десятки вольт несколько мс 3 страиваемые фильтры Из приведенных в первом разделе сведений следует, что перестройка спек тра пропускания светофильтров производится с использованием пьезоэффекта, термического расширения тел, электрооптических эффектов;
микромеханиче ские 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 (/ 102).
В известных публикациях не обсуждаются вопросы термической стабильности спектральных характеристик микромеханических фильтров.
В целом приведенные в разделе сведения подтверждают актуальность ре шаемой в диссертации задачи по созданию микромеханических интерференци онных спектральных фильтров с увеличенной до октавы спектральной обла стью перестройки, большой светосилой и разрешающей способностью, превос ходящих по совокупности параметров известные аналоги.
Во втором разделе представлены основные положения теории многолуче вых интерферометров: двухзеркальных, четырехзеркальных, клиновых.
Далее в диссертации приведены основы теории сканирующих мультип лекс-интерферометров с эквидистантными зазорами;
теоретически исследова лись следующие вопросы создания светофильтров:
– допустимость применения в интерференционных устройствах отражаю щих поверхностей с отклонениями от плоскостности, но расположенных экви дистантно;
– оптические характеристики интерференционных светофильтров с регу лируемыми 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 при креплен 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 преде лах (0,2–0,4) мкм. Управление величиной воздушного зазора осуществляется изменением управляющего напряжения, приложенного между обкладками пье зокерамической шайбы 3.
Рисунок 1 – Конструкция перестраиваемого светофильтра Отклонения от плоскопараллельности субмикронного эквидистантного воздушного зазора между зеркалами вызваны наличием рельефа на поверхно сти 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).
Рисунок 2 – Прохождение лучей 1 и 2 падающих на эквидистантный зазор Из рисунка 2 видно, что луч 1, падающий на эквидистантный зазор шири ной d, испытывая многократные отражения от поверхностей зеркал интерферо метра, разделяется на несколько когерентных лучей, которые между собой ин терферируют. Разность хода соседних лучей определяется формулой:
Si 2d cos i, (1) где i – угол преломления для i-го луча.
На рисунке 2 видно, что в силу многократного отражения луч 1 может пе рейти в соседнюю зону с другими углами наклона зеркал, тем самым изменив разность хода и потеряв возможность проинтерферировать с образовавшими его лучами. Величина l1, на которую сместится падающий луч 1 в зазоре, испы тав N отражений:
n l1 N d tg ( ). (2) n Для алюминиевых зеркал с коэффициентом отражения R = 0,9, эффектив ное количество отражений N = 30. Принимая d / 2, = 0,76 мкм, показатель преломления воздуха n2 = 1, показатель преломления стекла n1 = 1,4 (для квар цевого стекла), Rz max 0,1 мкм, S 10 мкм, используя формулу (2), получим l1 = 0,32 мкм.
B1 – среднее значение длины отражающей грани зеркала из рисунка 2:
B1 Rz2 S 2 / 4 5 мкм. (3) Определим долю поверхности отражающей грани, не участвующей в ин l1 / B терференционной картине: 0, 035 = 3,5 %. (Для R = 0,97, N = l1 / B l1 = 1,1 мкм, 0,11 = 11 %).
Из рисунка 2 видно, что лучи, упавшие на разные грани неровности по верхности ( ' ), преломятся под разными углами ( ' ). Группы вышедших лучей, образованные разными лучами 1 и 2, будут иметь разные разности хода и разности фаз.
Разность хода – S1 и S2 соседних вышедших лучей, образованных вхо дящими лучами 1 и 2 лучами, соответственно:
S1 2 d cos. (4) S2 2 d cos ' 2 d cos 0 2 d. (5) Отличия S разности хода соседних вышедших лучей для групп лучей, образованных 1 и 2 лучами:
n S S 2 S1 2 d (1 cos ) 2 d (1 cos( 1 ). (6) n Принимая d / 2, = 0,76 мкм, показатель преломления воздуха n2 = 1, показатель преломления стекла n1 = 1,4, Rz 0,1 мкм, а S 10 мкм, используя (10) S 0,3 109 м 3 A0 S /100, т. е S находится в пределах тре бующейся точности изготовления пластин интерферометров.
Приведенные расчеты показы вают, что в многолучевых интерфе рометрах можно применять зеркала с отступлениями от плоскостности при использовании эквидистантных зазоров между их поверхностями и величине зазоров в пределах перво го порядка интерференции.
Далее в диссертации представле ны результаты расчета спектра про пускания в диапазоне видимого света (рисунок 3) рассматриваемого пере Рисунок 3 – Формирование спектра страиваемого мультиплекс-интерферо пропускания перестраиваемого метра и приведены его расчетные светофильтра спектральные параметры (таблицы 2, 3).
Интерферометр с первым порядком интерференции перестраивается путем изменения зазора между зеркалами, спектральная полоса пропускания 1 мо жет перемещаться по спектру в пределах области дисперсии 1 (рисунок 3, а).
Спектр пропускания интерферометра с высоким порядком интерференции (рисунок 3, б) имеет несколько полос пропускания 2, умещающихся в облас ти дисперсии 1. Если перемещать полосу пропускания 1, последовательно выделяются полосы пропускания 2 второго светофильтра, т. е. происходит «переключение» пропускаемых интерферометром с большим порядком интерфе ренции спектральных полос 2 (рисунок 3, в).
В спектре пропускания мультиплекс-интерферометра не будут наблюдать ся одновременно две или более полосы его пропускания, если ширина полосы пропускания интерферометра с меньшим зазором на наименьшей длине волны рабочего диапазона мультиплекс-интерферометра 1 меньше минимальной об ласти дисперсии 2 второго интерферометра (рисунок 3, а, б).
Проведенные количественные оценки достижимых параметров рассматри ваемого устройства, в котором интерферометр с меньшим зазором имеет поря док q1 1, а регулируемый диапазон спектра 1 М 0, 4 0,8 мкм представле ны в таблицах 2, 3. Здесь R и T – коэффициенты отражения и пропускания зер кал интерферометра, n2 L2 – геометрическая толщина интерферометра с высо ким порядком интерференции, L1 0, 2 0,4 мкм – минимальная и максималь ная толщина перестраиваемого интерферометра с первым порядком интерфе ренции.
Таблица 2 – Расчетные спектральные параметры микромеханического перестраиваемого светофильтра (R = 0,9, T = 0,05) 1, М, М,, L1, M q y qx n2 L2 мкм q мкм мкм мкм мкм мкм q y 0,2 0,4 0,0134 0, 0,4 15 qx 0,4 0,8 0,0268 0, Таблица 3 – Расчетные спектральные параметры микромеханического перестраиваемого светофильтра (R = 0,97, T = 0,02) L1,, 1, M, M, M q y qx n 2 L 2 мкм q мкм мкм мкм мкм Мкм q y 0,2 0,4 0,00388 0, 0,4 51,5 20, qx 51, 0,4 0,8 0,00776 0, На рисунке 4 приведен расчетный график зависимости коэффициента про пускания перестраиваемого светофильтра в видимом диапазоне спектра от ве личины регулируемого зазора тонкого интерферометра, который изменяется от 0,2 мкм до 0,4 мкм. Величина зазора толстого интерферометра 6 мкм, энергети ческие прозрачность и коэффициент отражения каждого зеркала: T = 0,05 и R = 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 перестраи ваться в диапазоне длин волн (0,4–0,8) мкм (число переключаемых полос M = 15);
расчетная разрешаемая разность длин волн м (4,5 18) A0, разрешающая спо собность / 0,5 103, для светофильтра с металлодиэлектрическими зеркала ми расчетная разрешаемая разность длин волн м (0, 4 1,5) A0, разрешающая способность / 104 (число переключаемых полос M = 51,5).
Далее в диссертации рассмотрена термическая стабильность перестраи ваемых 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 зер кал в них с эквидистантными промежутками между зеркалами;
– разработаны элементы теории мультиплексных перестраиваемых интер ферометров;
показано существование эффекта переключения полос пропуска ния интерферометра при регулировании ширины межзеркального промежутка интерферометра с меньшим порядком интерференции и достижимость разре шающей силы до 104 с возможностью перестройки спектра пропускания в пре делах октавы;
– исследованы вопросы температурной стабильности микромеханических интерферометров и предложены методы уменьшения и компенсации темпера турных уходов положения линий пропускания спектров;
В третьем разделе диссертации представлены результаты исследований физико-технических основ получения зеркальных систем с регулируемыми воз душными эквидистантными нано- и микроразмерными промежутками.
Подробно описана конструкция и способ изготовления перестраиваемого светофильтра с интерферометром Фабри – Перо, рисунок 5. На первую пласти ну 1 с полированной поверхностью 2 наносят зеркальный слой 3 (рисунок 5,а), поверх которого наносят жертвенный слой 4 (рисунок 5, б). Поверх жертвенно го слоя наносят зеркальный слой 5 второй пластины (рисунок 5, в) в виде уча стка, не перекрывающего края жертвенного слоя. Поверх зеркального слоя на носят твердеющий материал 6 (рисунок 5, г), поверх полученной структуры на кладывают вторую пластину 7 (рису нок 5, д);
твердеющий материал между пластиной и зеркальным слоем под дав лением пластины и под действием своего поверхностного натяжения распределяет ся в виде слоя 8 равномерной толщины;
количество твердеющего материала долж но быть таким, чтобы материал не вытекал за пределы зеркального слоя 5. По завер шении процесса затвердевания слоя объединенную структуру, содержащую пластины и слои между ними, закрепляют в предназначенном для этого месте ко нечного устройства или его узла ( как ил люстрируется на рисунок 5, е), где 10 – держатель механизма перемещения пла Рисунок 5 – Способ изготовления стины в интерферометре Фабри – Перо.
перестраиваемого светофильтра На этом рисунке показан схематически механизм перемещения зеркала в котором движителем является пьезоэлектри ческий элемент 9, закрепленный на пластине 1 твердеющим материалом 11. За крепление держателя 10 производится твердеющим материалом 12 и 13. По следний этап – удаление жертвенного слоя 4, осуществляемое его испарением или растворением (рисунок 5, ж). После удаления жертвенного слоя между зерка лами 3 и 5 образуется зазор 14.
На рисунке 6 показана фотография макетного образца, изготовленного по описанному способу изготовления пере Рисунок 6 – Макетный образец страиваемого светофильтра с интерферо перестраиваемого светофильтра метром Фабри – Перо.
с интерферометром Фабри – Перо Получение воздушного промежутка удалением жертвенного слоя нагрева нием или растворением оказалось затрудненным малой величиной щели экви дистантного промежутка от 0,1 до 0,2 мкм при площади пластин 1 см2. При менялось также механическое отделение плёнки алюминия от жертвенного слоя;
после разделения зеркал маннит оставался на одном из зеркал. При меха ническом разделении между зеркалами интерферометра Фабри – Перо образо вывался клин, о его величине можно было судить по интерференционным по лосам (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 Al нужной толщины, рисунок 7. (слой Al снизу мембраны). Толщина нитроцеллюлозной пленки примерно 0,10–0,25 мкм.
Следующий этап: на стеклянную шайбу с зеркалом Al (рисунок 8) наносят каплю дистиллированной воды, затем сверху укладывают нитроцеллюлозную металлизированную плёнку на рамке. Два алюминиевых покрытия оказываются разделенными слоем воды (рисунок 9).
Рисунок 9 – Рисунок 8 – Капля Рисунок 7 – Нитроцеллю Нитроцеллюлозная дистиллированной лезная пленка на рамке металлизированная воды на зеркале Al с зеркальным напылением плёнка на шайбе с На просвет данная структура не имеет выраженных интерференционных картин, что говорит о малой толщине капиллярного слоя воды (менее 0,1мкм).
Последовательность последующих операций повторяет технологию, пояс няющуюся на рисунке 5, г-ж.
Выводы по третьему разделу.
– предложены и исследованы два метода получения воздушных эквиди стантных промежутков между зеркальными поверхностями пластин интерфе рометров при размерах промежутков от 0,1 до 0,3 мкм и площади пластин при мерно 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 за полнения. Обосновано использование капиллярных слоев жидкости для полу чения наноразмерных промежутков между плоскими поверхностями. Проведе на оценка влияния молекулярного притяжения между поверхностями, сближен ными до расстояний в еденицы нанометров и показана возможность саморазру шение и деформация зеркальных пластин интерферометров в таких условиях.
– разработана лабораторная технология получения зеркальных плёночных алюминиевых покрытий вакуумным напылением;
– разработанная лабораторная методика получения нанозазоров между зер кальными покрытиями базируется на капиллярном способе.
В четвертом разделе диссертации представлены описание методики экс периментальных исследований образцов перестраиваемых светофильтров и ре зультаты экспериментов.
Конструкция испытательного стенда для исследований в видимом диапа зоне 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 ( 1 – 2 ). Оптическая система содержит источник света 1 (излучающий во всем видимом диапазоне), конденсорную линзу 2, коллиматор 4 (фокусное расстоя ние - f1 ) и объектив 7 (фокусное расстояние – f 2 ), образующие изображение щели в плоскости фотоприемной матрицы (Ф.П). Кюветное отделение 5, пред назначено для установки исследуемого перестраиваемого микромеханического интерферометра Фабри – Перо или эталонного образца для калибровки стенда.
Для измерения значения спектральной полосы пропускания интерферо метра, обладающего разрешением RФ. П 103, испытательный стенд должен иметь разрешающую способность не менее 1104. Проведённые результаты рас чётов показывают достижимость такого разрешения при использовании ди фракционной решетки 1 000 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 зеркальны ми покрытиями полученные по технологии с использованием капиллярных сил.
Воздушный эквидистантный промежуток между зеркалами интерферомет ра с диаметром 1 см 2 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.
Пропускание светофильтра от напряжения Напряжение (В) 400 450 500 550 Длина волны (нм) Рисунок 11 – График зависимости перестройки средней длины волны полосы пропускания интерферометра низкого порядка от управляющего напряжения на пьезошайбу Пропускание интерферометра низкого порядка Пропускание (%) 400 450 500 550 600 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: R = 0,65 – отражение зеркал;
T = 0,32 – пропускание зеркал;
A = 0,03 – поглощение зеркал.
Эти значения свидетельствуют о том, что необходима доработка техноло гии нанесения зеркал.
Анализ полученных экспериментальных результатов позволяет сделать следующие выводы:
- созданы и исследованы макеты перестраиваемых интерферометров види мого диапазона спектра с пьезорегулированием межзеркальных эквидистант ных 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 по рядка долей октавы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Проведены исследования по созданию микромеханических перестраивае мых оптических фильтров и монохроматоров и получены следующие результаты:
– разработана расчётная модель учёта влияния на оптические параметры интерференционных приборов отклонений от плоскостности поверхности зер кал в них с эквидистантными промежутками между зеркалами;
– разработаны элементы теории мультиплексных перестраиваемых интер ферометров;
показано существование эффекта переключения полос пропуска ния интерферометра при регулировании ширины межзеркального промежутка интерферометра с меньшим порядком интерференции и достижимость разре шающей силы до 104 с возможностью перестройки спектра пропускания в пре делах октавы;
– исследованы физико-технологические проблемы получения регулируе мых воздушных эквидистантных микро- и наноразмерных промежутков между отражающими поверхностями интерферометра с апертурой около 1 см2;
на спо соб получения воздушных промежутков и устройств интерферометров с экви дистантными зазорами получены патенты;
– разработана конструкция, изготовлены и исследованы макеты перестраи ваемых интерферометров видимого диапазона спектра с пьезорегулированием межзеркальных эквидистантных микро- и наноразмерных воздушных проме жутков на созданном измерительном стенде. Результаты испытаний подтвер ждают в целом результаты теоретических исследований;
– исследованы вопросы температурной стабильности микромеханических интерферометров и предложены методы уменьшения и компенсации темпера турных 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 тонкоп леночных структурах / Д. В. Чесноков, Д. М. Никулин, В. В. Чесноков, А. Е. Чес ноков, В. С. Корнеев, С. Л. 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) Спо соб изготовления перестраиваемого светофильтра с интерферометром Фабри – Перо // В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, Д. М. Никулин, А. Е. Чесноков;
заяви тель 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) Ин терференционный 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, тепло физика, 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 со вещание по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники «Фо тоника–2008» (Россия, Новосибирск, 19–23 августа 2008 г.): тез. докл.– Ново сибирск: ИФП СО РАН, 2008. – С. 122.
7 Никулин, Д. М. Четырехзеркальный микромеханический перестраивае мый интерферометр Фабри – Перо / Д. М. Никулин, В. В. Чесноков, Д. В. Чес ноков // ГЕО-Сибирь-2009. Т. 5. Оптико-физические и теплофизические иссле дования, микротехника и нанотехнологии. Ч. 1 : сб. матер. V Междунар. научн.
конгресса «ГЕО-Сибирь-2009», 20–24 апреля 2009 г., Новосибирск. – Новоси бирск : СГГА, 2009. – С. 201–204.
8 Nikulin, D. M. Tunable interference colour filter in micromechanical perform ance / D. M. Nikulin, V. V. Chesnokov, D. V. Chesnokov // "9th Int. Symp. on Meas urement 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 per formance / D. M. Nikulin, V. V. Chesnokov, D. V. Chesnokov // Key Engineering Materials. – 2010. – Vol. 437. – P. 412–415.
11 Никулин, Д. М. Термостабильность перестраиваемых светофильтров на основе резонатора Фабри – Перо / Д. М. Никулин // ГЕО-Сибирь-2010. Т. 5.
Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехни ка, нанотехнологии. Ч. 2 : сб. матер. VI Междунар. научн. конгресса «ГЕО Сибирь-2010», 19–29 апреля 2010 г., Новосибирск. – Новосибирск : СГГА, 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», 19– 29 апреля 2011 г., Новосибирск. – Новосибирск : СГГА, 2011. – С. 12–18.
13 Никулин, Д. М. Интерференция света в воздушном эквидистантном за зоре / Д. М. Никулин // ГЕО-Сибирь-2011. Т. 5. Специализированное приборо строение, 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. Нику лин, Д. В. Кочкарев // ГЕО-Сибирь-2011. Т. 5. Специализированное приборо строение, 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 ха рактеристик 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. «Специа лизированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нано технологии» : сб. материалов в 2 т. Т. 1. – Новосибирск : СГГА, 2012. – С. 126– 131.