Всенаправленный узкий полосовой фильтр на основе металл-диэлектрик тонких пленок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Всенаправленный узкий полосовой фильтр на основе металл-диэлектрик тонких пленок

Мы показали, что металл-диэлектрик Фабри-Перо (FP) структуры могут проявлять всенаправленной передачи для р-поляризованного света, что означает, полоса пропускания не зависит от угла падения света.всенаправленный полосы пропускания происходит, когда сумма сдвиг фазы отражения на границе раздела металл-Spacer и распространения сдвига в Spacer регионе почти 2? для любого угла падения. Мы численно и экспериментально продемонстрировать такую всенаправленный узкой полосового фильтра в воздух / Ag / ZnS / Ag / структуры стекла. Кроме того, введем антибликовым покрытием с обеих сторон металл-диэлектрик структуры ПС. пропускания увеличится, очевидно, в то время как всенаправленный собственности остается прежним. © 2008 Оптическое общество Америки.

OCIS коды: 310.6845, 310.3915, 240,6680.

Введение

физический диэлектрик металл отражение

Тонкая пленка узкая полоса пропускания фильтров (НМБ), были широко использованы в различных областях, например, плотного спектрального мультиплексирования (DWDM) систем [1,2], флуоресценции / возбуждения [3], а также уборка лазерной линии. Есть много докладов упором на дизайн и изготовление узкие фильтры передачи, главным образом основаны на традиционных Фабри-Перо (FP) фильтра [4], руководствуясь резонансном режиме [5,6]. Прогулки резонансном режиме фильтр может иметь пропускную способность субнанометровой с очень высокой эффективностью при отражении и пропускания [5], но это требует двумерной структуры, и угловой терпимости мала по сравнению с традиционными FP фильтр (хотя она может быть увеличена дважды периодической решетке структуры [6]). Сосредоточение внимания на НМБ основана на традиционных FP фильтр, хорошо известно, что его оптические характеристики изменяется в зависимости от угла падения.

Особенно смещению центральной длины волны [4]. Это свойство было использовано для построения оптических перестраиваемых фильтров для телекоммуникационных [7] и микроспектрометров [8]. Однако, как угол падения отклоняется от нормального, пропускания на пике волны резко падает. Более того, если падающий свет расходящегося пучка, полная ширина на половине высоты (FWHM) из NBF будет расширять и максимальным коэффициентом пропускания будет уменьшаться [9]. Такой эффект имеет ограниченную приложений, когда широкий угловой вход или выход не требуется. Хотя хорошо продуманные коллимирующей системы могут быть добавлены перед NBF, свет ненулевой падения пучка будет по-прежнему вызывать перекрестные помехи и значительно ухудшить финального выступления. Таким образом, NBF, имеющих широкий угол инцидента принятия идеально подходит для многих приложений, таких как газ обнаружения и визуализации спектрометрии [10].всенаправленный NBF был предложен Кочергин [11], однако, она основана на макропористого массив кремния, и изготовление такого фильтра является довольно сложным.

Всенаправленный собственности в одномерных (1D) структуры, такие как 1D фотонных кристаллов, осуществляется только для отражения фильтры [11-13]. Насколько нам известно, (почти) всенаправленный NBF не сообщалось, как в 1D все-диэлектрик и металл-диэлектрических структурах.

Шин и др.. показали, что всенаправленный резонанса может произойти в геометрии металл-диэлектрик-металл (оба металла регионов полубесконечной) на частоте поверхностных плазмонов металл-диэлектрик с надлежащей конструкции [14]. Лю и Brongersma проверено экспериментально всенаправленный резонанс в свете структуры излучения, состоящий из непрозрачной Au, 90-нм полимера и 25nm Au тонкая пленка, соответственно [15]. Здесь мы впервые пересмотреть модели изучались в [14], а затем использовать полупрозрачная пленка металла по обе стороны слоя диэлектрика в форме металл-диэлектрик FP структуры фильтра. Как результат, эффект фазовой компенсации в геометрии металл-диэлектрик-металл остается неизменной, и всенаправленный NBF получается. Мы численно и экспериментально продемонстрировать такую всенаправленный узкая полоса фильтра в воздух / Ag / ZnS / Ag / структуры стекла. И мы также добавить просветляющих слоев в этой структуре, которая производит значительное улучшение прозрачности.

1. Теоретический анализ

Основная структура состоит из слоя диэлектрика, ограниченного двумя металлическими отражающих слоев; слой диэлектрика известен как Spacer слоя, как показано на рис. 1. Сначала, для простоты, мы считаем metaldielectric-металл (МДМ) конфигурации, в которой оба металла регионов полубесконечной, и выбрать потерь Друде модель для описания диэлектрической функции металлических слоев, ?₂ = 1-?p²/ ?² где ?p объемных плазменная частота металла. Оба металла и диэлектрика, как предполагается немагнитных (µ1=µ2=1). Поскольку свойства ТЕ режимах аналогичны тем, которые во всех-диэлектрик стеки, мы будем рассматривать только ТМ-мод (р-поляризации света). дисперсии МДМ структура показана на рис. 2.

Сосредоточение внимания на режимы во второй полосе, когда к ? стремится к бесконечности, ?k? Th (т. е. частотная дисперсия второй зоны в зависимости от K?) стремится к ?sp, что частота поверхностных плазмонов на границе металл-Spacer интерфейс. Этой частоте, оптических констант металла равна по величине и противоположны по знаку, что диэлектрической:

В этом случае, с надлежащей толщины слоя диэлектрика

частоты при к?=0 будет совпадать с ?sp, то вторая полоса дисперсии может стать почти полностью плоской [16].

Рис. 1. Геометрия металл-диэлектрик структуры F P.

?1 и ?2 являются отражением сдвига фазы на двух металлических Spacer-интерфейсов, соответственно, и я это оптическая толщина слоя Spacer.

Рис. 2. Дисперсии МДМ-структуры

Диэлектрические регионе воздуха и толщины ?sp = 4.частота и волновой вектор нормированы по ?p и Kp, где Кp = С/ ?p, С-скорость света в воздухе.штриховая линия света воздушных линий.черные сплошные линии представляют режимы, которые ограничены в диэлектрической области.

На основании [14], если уравнения. (1) и (2) выполнены, совокупные фазы отражения на границе раздела металл-Spacer интерфейсов (?1+?2) почти точно отменяет сдвиг фазы из-за распространения волны в направлении, перпендикулярном к интерфейсам в Spacer области (4?nd COS ? = ?, где ? является углом падения), что приводит к приближенной 2? сдвиг на каждом цикле для всех ?. Для S-поляризованного света, при увеличении угла падения, как сдвиг фазы на границе металл-Spacer интерфейсов и распространения сдвига фазы в увеличении слоя прослойки. Следовательно, эффект фазовой компенсации не может быть достигнута в этом случае.

В определенных длин волн, фазы и величины отражения на металлической пленки почти не меняются, как толщина пленки металла выше значения (около 50 нм для серебра в видимой области) [17]. Если мы выберем толстых пленок металлов, и в металл-диэлектрик структуру FP, эффект фазовой компенсации будет почти аналогично МДМ случае. В металл-диэлектрик FP фильтра, оно широко известно, что максимумы передачи имеет вид [4].

который точно выполняется в соответствии с обсуждения выше. В результате, такие структуры могут получить всенаправленный пропускания пик на длине волны ?sp = 2?c/?sp.

Рис. 3.

В оба конца фазового сдвига в реалистичной воздуха / Ag / ZnS / Ag / структуры стекла на ? = 474nm в зависимости от угла падения.пунктирная кривая совокупного фазы отражения в двух Ag / ZnS интерфейсов и пунктирная кривая показывает сдвиг распространения фазы в направлении нормали к границе в диэлектрике. полный отказ в оба конца сдвига представлена сплошной кривой.

Теперь мы покажем всенаправленный NBF в системе в присутствии материальный ущерб использованием реалистичного свойства материала для Ag и сульфида цинка (ZnS).численного расчета осуществляется коммерческими тонких программного обеспечения фильма (TFCalc, ПО (Программное обеспечение) Spectra, Портленд, штат Орегон), который основан на передаче матричный метод [4].оптических констант Ag взяты из Палик [18].оптической постоянной дисперсией ZnS показано в таблице 1, которая была экспериментально определяется фотометрическим методом для наших хранение образцов. Поскольку уравнения. (1), получим рабочую длину волны около 474 нм, то ddielectric ? 50 нм. Для получения узкой полосы пропускания, мы считаем Ag-ZnS-Ag (50 нм = 50 нм = 50 нм) структурой, нанесенной на подложку. подложки моделируется с помощью типа стекла, показатель преломления составляет примерно 1,52 для широкого диапазона длин волн падающего. Инцидент средой является воздух. рассчитывается фазовый сдвиг для структуры на рис. 3. Видно, что изменение фазового сдвига в Ag / ZnS интерфейсов является противоположным распространения фазы в слое ZnS Spacer как угла падения увеличивается от 0 ° до 90 °. Как результат, общий сдвиг фазы на каждом цикле почти 2? для всех углов падения, как показано сплошной линией, удовлетворяющих условию максимума пропускания на каждом углу падения. Если толщина металла увеличивается, сдвиг фазы отражения почти не меняется, как упоминалось выше, и, следовательно, эффект фазовой компенсации остается прежним. Однако, как пропускная способность и пропускание полосы пропускания будет уменьшаться.

Мы отличаться от угла падения и численно вычислить кривые пропускания этого образца, как показано на рис. 4 (а), где длина волны максимума полосы пропускания является 474nm, и полувысоте фильтра составляет около 24 нм. При увеличении угла падения, длина волны максимума полосы пропускания практически не меняется. Даже под углом 75 °, полоса пропускания сдвиги очень мало, что находится в резком контрасте с большим углом собственности зависимости от полосы пропускания в 1D все-диэлектрической периодической структуры и нормальный металл-диэлектрик FP фильтра. Так полосы пропускания на рис. 4 () действительно всенаправленный. пик пропускания при нормальном падении на 20%, и это немного отличается в инциденте углом 75 °.

Пропускания может быть увеличена путем добавления диэлектрических слоев на двух сторонах основной металл-диэлектрик [19]. Однако, полоса пропускания должна быть шире, чтобы достичь высшей передачи. точной методики расчета таких металл-диэлектрик фильтров может быть длительным и утомительным и часто просто предназначены методом проб и ошибок, поскольку они изготовлены [4]. Для простоты, мы добавим слой halfthickness Spacer как просветляющие (AR) покрытия на входе и выходе лица. пропускания увеличение очевидно, как показано на рис. 4 (б) [20].длина волны максимума сдвигов мало до 470 нм, пик пропускания при нормальном падении составляет более 40%, и, следовательно, FWHM также увеличивается до 43 нм. К счастью, пик волны практически не меняется, как угол падения меняется, и всенаправленный собственности стабильно поддерживается. Можно также отметить, что коэффициент пропускания и полушириной полосы пропускания уменьшается угол падения увеличивается в данном случае, это потому, что отражения возрастает по мере увеличения угла падения, а для металл-диэлектрик FP структуры без AR покрытие, отражения почти не меняется, как меняется угол падения.

Как показано на рис. 4 и 5, передачи резонанса также появляется около 320 нм в ультрафиолетовом диапазоне частот. Эта прозрачность не связано с расположением структуры, но это внутреннее свойство серебра, чтобы стать немного прозрачными на плазменной частоте (около 320 нм), при условии, что металлические пленки не слишком толстая.

Мы должны отметить, что выше набор параметров (Ag / ZnS стека), что может реализовать всенаправленный узкополосного фильтра не является уникальным. На практике, длина волны максимума и пропускную способность всенаправленный NBF могут быть настроены на других металлических и диэлектрических комбинации с соответствующими параметрами. Здесь мы обсуждаем диапазон перестройки всенаправленный NBF.

Рис. 4. Имитация кривые пропускания (a) всенаправленный FP фильтр и (б) с покрытием AR.

Согласно формуле. (1), можно видеть, что свойство почти всенаправленной передачи в фильтр высокой материала (металл), индекс конкретным. Серебро предпочтительным металлом для фильтров FP потому что он дает лучшие передачи в видимой части спектра, и других металлов, которые редко используются для такого рода фильтр. Для использования серебра для различных длин волн, необходимо найти правильный диэлектрического материала в соответствии с диэлектрической проницаемости серебра при определенной длине волны. Однако, величина диэлектрической проницаемости серебра резко возрастает с ростом длины волны в видимой области. Учитывая, диэлектрические материалы часто используются в оптических тонкопленочной технологии (показатель преломления обычно от 1,38 до 2,5), пик волны предлагается фильтр может быть настроен только между 380 и 480 нм. Кремния (Si) является хорошим кандидатом на высокой волны (около 630 нм), но, к сожалению, она представит чрезмерное поглощение в этом диапазоне длин волн.

Более того, если увеличение (уменьшение) толщины прослойки слоя, длина волны максимума полосы пропускания будет сдвиг. Для воздуха / Ag / ZnS / Ag / структуры стекла упоминалось выше, если толщина слоя ZnS изменения между 34 и 58 нм, длина волны максимума полосы пропускания будет сдвиг между 410 и 510 нм, соответственно, в то время как всенаправленный свойства почти стабильно сохраняется (смещение пика волны полосы пропускания, когда угол увеличивается от нормальных до 75 °, в течение 5 нм). После AR покрытия применяются, длина волны максимума полосы пропускания может варьироваться от 450 до 550 нм с соответствующей толщины слоя Spacer держать всенаправленный эффект. Однако, если толщина слоя Spacer далек от оптимального значения (50 нм в нашем случае), что вызывает очень большое смещение пика волны, всенаправленный собственности будет серьезно ухудшаться.

2. Экспериментальные результаты и обсуждение

Типичные оборудования, используемого для изготовления этих фильтров Balzers БАК 600 выпарной установки с 60 см из нержавеющей стали банку колокол, оснащенный двумя электронного пучка оружие с водяным охлаждением тиглей и две лодки молибдена. материала ZnS был помещен в промежуточных лайнера графита 4 см способность к электронно-лучевым испарением в то время как серебро был помещен в молибдена лодка для термического испарения. X-Y развертки может быть применен к электронным пучком, и она может быть скорректирована, чтобы увеличить фильма единообразия. Ag и ZnS фильмы были поочередно, нанесенной на подложку из стекла BK7 при комнатной температуре. вакуума давление было около 2:00 ? 10-3 Па при испарении. скорости осаждения Ag и ZnS были 1,5 и 0:5 нм = S, соответственно, и контролируется кварцевого датчика. Во время осаждения фильтры, монохроматического оптического мониторинга в передаче был использован для контроля толщины пленок. испарения каждый слой был остановлен трансфер по заранее оговоренной пропускания значение, т. е. метод триггерных точек. осаждения погрешностью менее 1 нм может быть получен с этой техникой.

Рис. 5.Измеренные результаты пропускания же структуру, как на рис. 4

После изготовления, пропускания измеряли по двухлучевой, двойного монохроматора спектрофотометра (Shimadzu UV-310), в спектральном диапазоне от 250 до 710nm с разрешением 0:5 нм.Глана-Томсона призму был вставлен в зондирующего света путь для получения р-поляризованного луча света.Образец был установлен на этапе, который можно вращать, чтобы отличаться от угла падения с точностью до 2 °.срабатывания системы было принято во внимание записи ссылка сканирования перед каждым запуском. 5 показаны измеренные кривые пропускания для р-поляризации с различными углами падения для воздуха / Ag / ZnS / Ag / структуры стекла.Длина волны в максимуме составляет около 478 нм, и смещение пика волны 5nm как угол падения меняется от нормальной до 75 °. В целом, экспериментальные и теоретические результаты согласуются хотя есть небольшое уменьшение пропускания и пропускная способность немного шире (около 27 нм) в связи с небольшим изменением толщины и оптических постоянных в процессе напыления. В частности, угол-свойство независимости от полосы пропускания почти поддерживается. Таким образом, мы экспериментально реализован всенаправленный NBF.

На рис. 5 (б) мы приводим экспериментальные результаты всенаправленный FP фильтр с половиной толщины ZnS AR покрытий на входе и выходе лица. Пик волны 472nm, пропускная способность составляет около 45 нм, и пик пропускания для нормального падения на 38%. Установлено, что всенаправленный свойства структуры с покрытиями AR менее чувствительна к изменению толщины спейсера, который позволяет нам проектировать узкой полосового фильтра с разными длинами волн пика только путем изменения толщины диэлектрических слоев.

Заключение

Мы предположили, что всенаправленный NBF может быть реализована в традиционной металл-диэлектрик структуры ПС. Основной физический механизм компенсации эффекта сдвига фазы отражения и распространения сдвига фазы с надлежащей конструкции. Мы численно и экспериментально продемонстрировать всенаправленный NBF в воздухе / Ag / ZnS / Ag / структуры стекла. Такие всенаправленный полосы пропускания может существовать в различных диапазонах длин волн с подходящими параметрами. всенаправленный NBF может значительно улучшить целом производительность системы во многих приложениях, которые требуют больших углах-независимых собственности, например, газ обнаружения и флуоресценции / возбуждения.

Эта работа была частично поддержана Национального фонда естественных наук Китая (NSFC), гранты 60608014, 10704055, 60708013 и, и Китай Докторантура финансирования, 20070421168.

Список литературы

1. CC Ли, Чэнь SH, CC Го, и CYWei, "Достижение произвольной пропускной способностью узкого полосового фильтра, Опт. 15 Express, 15228-15233 (2007).

2. Р. Уилли, "Достижение узкие фильтры полосовые, которые отвечают требованиям для DWDM," Thin Solid Films 398, 1-9 (2001).

3. Н.Д. Финкельштейн, WR Лемперт, Р. Майлз, "Narrowlinewidth полосы пропускания фильтра для ультрафиолетовых вращательного комбинационного изображений, Опт. Lett. 22, 537-539 (1997).

4. H.A. Маклеод, тонкопленочных оптических фильтров (Институт физики, 2001).

5. С. Tibuleac и Р. Магнуссон, "узкой линией полосовых фильтров с дифракционной слоев тонких пленок", Опт. Lett. 26, 584-586 (2001).

6. А.-Л. Fehrembach, А. Talneau, О. Бойко, Ф. Lemarchand, А. Sentenac, "Экспериментальная демонстрация узкополосный, угловые терпимо, поляризация независимой, двоякопериодических резонансной решеткой фильтра, Опт. Lett. 32, 2269-2271 (2007).

7. А. Френкель и С. Лин, "Несколько угол настроенный Эталон фильтры для оптических выбора каналов по длине волны уплотнением и оптических частот уплотнением прямого обнаружения системы передачи", Опт. Lett. 13, 684-686 (1988).

8. Г. Lammel, С. Швейцер, С. Schiesser, П. Рено ", перестраиваемый оптический фильтр пористого кремния в качестве ключевого компонента для спектрометра MEMS," J. Microelectromech. Syst., 11, 815-827 (2002).

9. Ю. Юн, Д. Янг, Д. Ким, Ю. Ео, Ф. Ри, "Спектры пропускания эталона Фабри-Перо фильтр для разошлись входных пучков," Фотон IEEE. Technol. Lett. 14, 1315-1317 (2002).

10. А. Piegari, Дж. Bulir, К. Sytchkova, "Переменная узкополосной передачи фильтры с широкой полосой отказа для спектрометрии из космоса. 2. Процесс изготовления ", Appl. Опт. 47, C151-C156 (2008).

11. В. Кочергин, всенаправленная светофильтры (Kluwer Academic, 2003).

12. Е. Yablonovitch, "Engineered всенаправленный SPECTA externalreflectivity от одномерной слоистой интерференционных фильтров, Опт. Lett. 23, 1648-1649(1998).

13. П. Хан и HZ Ван, "Критерий всенаправленный отражение в одномерных фотонных гетероструктуры", J. Opt. Soc. Am. 22 B, 1571-1575 (2005).

14. Х. Шин, М.Ф. Яник, SH Вентилятор, Р. Зия и ML Brongersma ", всенаправленная резонанса в геометрии металл-диэлектрик-металл", Appl. Phys. Lett. 84, 4421-4423 (2004).

15. Дж. Лю и ML Brongersma ", всенаправленная светового излучения с помощью поверхностных плазмонов поляритонов", Appl. Phys. Lett. 90, 091116 (2007).

16. EN Эконому ", поверхностных плазмонов в тонких пленках", Phys. 182 Откр., 539-554 (1969).

17. Борн М., Вольф Э. Основы оптики, 7-е изд. (Кембридж У. Press, 1999).

18. ED Палик, изд. Справочник оптических констант твердых тел (М., 1985).

19. PH Бернинг и А.Ф. Тернер, "Индуцированные передачи в поглощающих пленок применяется к полосовой фильтр дизайн", J. Opt. Soc. Am. 47, 230-239 (1957).

20. MJ Bloemer и М. Scalora, "пропускающий свойств Ag = MgF2 фотонной запрещенной зоны", Appl. Phys. Lett. 72, 1676-1678 (1998). 6290

Размещено на Allbest.ru