Введение к работе
Актуальность работы. *
Одной из актуальных проблем для решения целого ряда задач как закладной,, так и фундаментальной физики является теоретическая ізработка методов анализа и синтеза многослойных периодических руктур. Традиционно многослойные интерференционные структуры эименялись в просветлении оптики, при создании согласующих покрытий фильтрову при решении задач приема и преобразования сигналов, жации, радиометрии и т.п..
К настоящему времени достаточно хорошо развиты методы и обобщены їзультатьі, относящиеся к периодическим структурам, состоящим из язертьволновых, полуволновых или близких к ним по оптическим >лщинам слоев. Однако развитие, современной физики и техники, атенсивное освоение, например, такой области электромагнитного спектра, ж среднего и дальнего ИК диапазона, необходимость решения задач їагностики слоисто-неоднородных сред с периодом неоднородности гщественно меньше длины волны - все это делает необходимым эоведенне как аналитического, так и численного анализа свойств и їобенностей многослойных структур со сверхтонкими (существенно еньше длины волны) слоями.
В последние годы-появились работы, в которых была показана ззможность и разработан алгоритм синтеза такого класса структур, изучены і основные свойства и существенные, присущие лишь структурам такого іасса особенности.
С другой стороны, как известно, одно из важнейших направлений при япении задач формирования интерференционного покрытия связяно с хзрией, рассматривающей влияние вариаций как различных его физических фаметров (толщин слоев, показателей преломления, диссипации волновой зергии и ЇД-), так и характеристик и условий распространения волны юляризапии, угла падения, пространственных характеристик волновых рчков) на оптические характеристики системы. Зная эти зависимости
можно прогнозировать н управлять изменением свойств многих тис тонкослойных систем и определять оптимальный вариант формирован интерференционного покрытия. Теория малых изменений параметр достаточно полно развита для структур со слоями, кратными четверти дли) волны. Поскольку характерные свойства и особенности тонкослойн: интерференционных систем, о которых говорилось выше, позволи выделить их в особый класс структур, необходимость проведен: аналогичных исследований для этого класса структур определи актуальность данной работы.
; Дед, работы,
Цель работы состояла в аналитическом и численном иселедованї влияния вариаций различных физических параметров тонкослойна интерференционных структур, а также некоторых характеристик пространственных параметров волны на их оптические и спекгральнь свойства. В задачи работы входило:
-
Получить аналитические соотношения, позволяющие рассчитывав изменение оптических и спектральных характеристик ТИС при учете слабої поглощения в слоях, при вариации их толщин в показателей преломления.
-
На основании полученных соотношений провести анализ влияни вариаций различных параметров тонкослойных структур на их оптические спектральные характеристики. В частности, рассмотреть вопрос о возможно компенсации (т. е. сохранения неизменными оптических характеристик ТИ< и длин волн, на которых происходит согласование) малых варнаки показателей преломления слоев в помощью вариации толщин слоев.
3. Численно и на основании теоретических оценок рассмотрев
прохождение параксиального гауссова пучка через ТИС. Определить області
задач, в которых при синтезе ТИС необходим учет пространственны:
. характеристик волновых пучков.
4. Исследовать оптические и спектральные характеристики ТИС прі
наклонном падении на нее плоской волны для случая 8- и р-пояярвзаций
Из аналша полученных результатов выделить и сформулировать в рамхю
поставлеввой задачи основные особенности и свойства рассматриваемой:
класса структур.
Научная новизна работы.
Научная новизна работы определялась совокупностью полученных в ней іезультатов, связанных с тем, что впервые исследованы зависимости іптпческнх и спектральных характеристик ТИС, от вариации толщин и юказателсй преломления слоев, наличия малых потерь в слоях, от величины тла падения плоской волны, а .также рассмотрено прохождение юраксиальяого гауссова пучка через ТИС. Основные существенно новые «зулътаты состоят в следующем:
-
Получены соотношения, позволяющие рассчитывать изменения длин олн, на которых происходит согласование и оптических характеристик ТИС ля непериодических н периодических двухслойных и трехслойных, ТИС при илых отклонениях значении показателей преломления слоев от [ервоначально заданных.
-
Определены условия и аналитически установлена связь параметров труктуры с трехслойным периодом,, при которых вариация доказателен реломления слоев структуры не влияет на согласующую способность ТИС а дополнительном пике. . .
-
В аналитическом виде найден алгоритм,, но которому для онкослойных структур с трехслойным периодом может быть реализован ежим перестройки согласующей способности структуры за счет малых арнаций толщин ее слоев без изменения основной рабочей длины волны, гаределена величина происходящего при этом смещения длины волны ополннтельного пика согласования. Показано, что при малом изменении сех толщин слоев рассматриваемой ТИС, при определенном соотношении іежду вариациями толщин будет иметь место компенсация изменения оптасующей способности структуры.
-
Для ТИС с трехслойным периодом показана возможность омпенсации вариаций показателей преломления слоев структуры . с омошью изменения толщин двух или всех трех слоев в периоде."
-
Установлено, что и в случае наличия малых потерь в слоях ТИС эхраняется одно из ее основных фундаментальных свойств - независимость птических характеристик ТИС от числа периодов; в частности, нвариантность относительно их числа величины изменения согласующей іособности н длины волны, на которой происходит согласование.
-
Получен алгоритм, дающий возможность перестройки согласующей юсобности и длины волны, на" которой происходит согласование, .с эмощью изменения величины слабого поглощения в слоях.
-
В случае наклонного падения р-поляризованной волны для ТИС с їухелойньш периодом показана возможность согласования двух различных
сред, а также 'согласования одно'й среды при двух различных параметр одного из слоев на одной длине волны при одном и том же' угле падеї 0\
8. Найден аналитический алгоритм, позволяющий сіштезироа
структуры с угловой характеристикой, имеющей два абсолютных максим)
пропусканий для р-поляризованной волны.
9. На основании численного эксперимента и проведенного аналі
показано, что в случае прохождения параксиальных гауссовых пучков че]
ТИС, спектр пропускания структуры инвариантен относительно числа
периодов, начиная приблизительно с четырех периодов, для люб
возможных величин перетяжек в рамках рассмотренной модели. Кроме то
показано, что характеристики пропусканния и отражения рассматриваем
гауссовых пучков при-распространении через ТИС имеют-мало отличий
аналогичных характеристик для плоских волн.
Научная и практическая ценность работы.
Многие задачи фундаментальной и прикладной физики связаны изучением распространения или взаимодействия волн с неоднородны средами. Исследование такого рода процессов, обобщение основных свой и особенностей неоднородных сред, нахождение общих алгоритмов авалі и синтеза их структурных и.волновых характеристик позволит, с ода стороны, существенно расширить понимание физических процессов, г другой - найти новые, физически реализуемые решения многих приклада задач физики. К' задачам такого класса относятся и исследован: проводимые в настоящей работе.
Изучение'- влияния . вариаций параметров рассматриваем многослойных систем на условия распространения волн, очевиді существенно при практической реализации структур. В частности, для уче с целью дальнейшей компенсации, ошибок перепыления, неизбея возникающих при контроле толщин по максимуму пропускания, а также ; быстрой опенки возможных изменений характеристик структуры і небольших отличиях реальных показателей преломления и коэффициент; поглощения материалов, используемых в слоях, от теоретических значен этих параметров. С другой стороны, эти исследования представляют интс] для синтеза просветляющих покрытий с заданными характеристики поскольку на основе полученных зависимостей можно прогнозиров изменение оптических свойств данного типа многослойных систем. Ъ научный, так и практический интерес представляют также оптичесі характеристики ТИС при наклонном падении волны имеется возможно*
&
для р-поляризованной волны одновременного согласования одной структурой двух различных.сред, согласования одной и*;той.-же среды при двух различных параметрах одного из слоев, а также согласования излучения со средой при помощи слоя из'того же материала, что и подложка (или близкого к нему) при двух различных определенных углах падения. Кроме того, пользуясь полученными в работе соотношениями, " возможно осуществлять перестройку согласующей способности и рабочей длины волны ТИС, изменяя величину удельной проводимости в слоях, например, с помощью фотонакачки (при полупроводниковых материалах слоев).
В целом проведенные исследования по анализу и синтезу тонкослойных структур открывают новое перспективное направление для решения целого ряда задач ИК оптики, акустики, микроволновой радиофизики. Коме того, могут быть разработаны эффективные методы диагностики и изучения физических явлений в слоисто-неоднородных средах (параметр неоднородности существенно меньше длины волны), благодаря наличию аналитического аппарата, позволяющего проводить адекватный анализ амплитудно-спектральных характеристик такого класса неоднородных структур.
Положения, выносимые на зашиту.
При вариации толщин и показателей преломления слоев, а также при наличии слабого поглощения в слоях сохраняется одно из фуадамснталных свойств ТИС - независимость оптических характеристик системы от числа периодов.
Возможна перестройка согласующей способности и резонансной длины
волны тонкослойной системы с помощью изменения величины удельной
проводимости слоев, а также вариации толщин слоев, в соответствии с
полученными в работе соотношениями. . -:\-
В случае наклонного падения р-поляризованной волны для ТИС с одним, двухслойным периодом возможно хак согласование одной среды при двух различных параметрах одного из слоев, так и согласование одной структурой двух различных сред на одной длине волны при одном и том же угле падения в> О".
При определенном соотношении показателей преломления слоев и эбрамляющих сред: nL = /. п, = ^ (п2 - показатель преломления слоя, пимыкающего к подложке) алгоритм позволяет синтезировать структуры с угловой характеристикой, имеющей два абсолютных максимума хропусканияи для р-поляризованной волны.
5. При прохождении параксиальной волны основной моды через ТИС в большинстве случаев для исследования спектральных характеристик системы можно пользоваться моделью плоской волны.
Апробация результатов работы.
Основные результаты диссертации опубликованы в четырех печатных работах, докладывались и обсуждались на IV Всероскйской школе-семинаре "Волновые явления в неоднородных средах" (Красновидово, Моск. обл., 31 мая-5 июня 1994 г.), Международной конференции "Optical Interference Coatings", Tucson, AZ, June 1-5, 1992.
.... Объем и структура диссертации.
Похожие диссертации на Волновые свойства тонкослойных интерференционных структур с малыми потерями и вариациями параметров
