Введение к работе
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 слоев 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 отражаю-щими поверхностями интерференционных спектрометров с апертурой более 1 см ;
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 10 ;
впервые предложены и разработаны способы получения регулируемых эквидистантных микро- и наноразмерных промежутков между отражающими поверхностями интерферометра с апертурой около 1 см 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 СГГА.
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.
