Диэлектрическое зеркало

Зеркало из диэлектрических материалов

Инфракрасное диэлектрическое зеркало в зеркальном креплении

Диэлектрическое зеркало , также известное как зеркало Брэгга , представляет собой тип зеркала , состоящего из нескольких тонких слоев диэлектрического материала , обычно нанесенных на подложку из стекла или другого оптического материала. Тщательно выбирая тип и толщину диэлектрических слоев, можно спроектировать оптическое покрытие с заданной отражательной способностью на различных длинах волн света . Диэлектрические зеркала также используются для производства зеркал со сверхвысокой отражательной способностью: значения 99,999% или лучше в узком диапазоне длин волн могут быть получены с помощью специальных методов. В качестве альтернативы их можно заставить отражать широкий спектр света, например, весь видимый диапазон или спектр лазера на титане и сапфире .

Диэлектрические зеркала очень распространены в оптических экспериментах благодаря усовершенствованным технологиям, которые позволяют производить высококачественные зеркала недорого. Примерами их применения являются торцевые зеркала лазерных резонаторов , горячие и холодные зеркала , тонкопленочные светоделители , зеркала с высоким порогом повреждения и покрытия на современных зеркальных тенях и некоторых системах призм биноклей .

Механизм

Схема диэлектрического зеркала. Тонкие слои с высоким показателем преломления n ₁ чередуются с более толстыми слоями с низким показателем преломления n ₂ ​​. Длины путей l _A и l _B отличаются ровно на одну длину волны, что приводит к конструктивной интерференции.

Отражательная способность диэлектрического зеркала основана на интерференции света, отраженного от различных слоев диэлектрического стека. Это тот же принцип, который используется в многослойных антибликовых покрытиях , которые представляют собой диэлектрические стеки, разработанные для минимизации, а не для максимизации отражательной способности. Простые диэлектрические зеркала функционируют как одномерные фотонные кристаллы , состоящие из стека слоев с высоким показателем преломления , перемежаемого слоями с низким показателем преломления (см. схему). Толщина слоев выбирается таким образом, чтобы разности длин путей для отражений от различных слоев с высоким показателем преломления были целыми кратными длины волны, для которой разработано зеркало. Отражения от слоев с низким показателем преломления имеют ровно половину длины волны в разности длин путей, но существует разница в 180 градусов в сдвиге фаз на границе низкого и высокого показателей по сравнению с границей высокого и низкого показателей, что означает, что эти отражения также находятся в фазе. В случае зеркала при нормальном падении слои имеют толщину в четверть длины волны.

Цвет, передаваемый диэлектрическими фильтрами, меняется при изменении угла падающего света.

Другие конструкции имеют более сложную структуру, обычно создаваемую численной оптимизацией . В последнем случае можно также управлять фазовой дисперсией отраженного света ( чирпированное зеркало ). При проектировании диэлектрических зеркал можно использовать метод оптической матрицы переноса . Хорошо спроектированное многослойное диэлектрическое покрытие может обеспечить отражательную способность более 99% по всему спектру видимого света . ^[1]

Диэлектрические зеркала демонстрируют замедление в зависимости от угла падения и конструкции зеркала. ^[2]

Как показано на GIF , прошедший цвет смещается в сторону синего с увеличением угла падения. Что касается интерференции в среде с высоким индексом отражения, то это смещение в сторону синего определяется формулой ${\displaystyle n_{1}}$

${\displaystyle 2n_{2}d_{2}\cos {\big (}\theta _{2})=m\lambda }$,

где - любое кратное переданной длины волны, а - угол падения во второй среде. См. тонкопленочную интерференцию для вывода. Однако в среде с низким показателем преломления также есть интерференция. Наилучшая отражательная способность будет при ^[3] ${\displaystyle m\lambda }$ ${\displaystyle \theta _{2}}$

${\displaystyle \lambda _{\perp }/\lambda _{\theta }={\frac {cos(\theta _{2})+cos(\theta _{1})}{2}}\approx {\sqrt {1-{\frac {sin^{2}(\theta )}{n^{2}}}}}}$,

где - длина волны, прошедшая под перпендикулярным углом падения, и ${\displaystyle \lambda _{\perp }}$

${\displaystyle n={\sqrt {\frac {2}{n_{1}^{-2}+n_{2}^{-2}}}}}$.

Производство

Электронно -микроскопическое изображение куска диэлектрического зеркала размером около 13 микрометров, отрезанного от более крупной подложки. На нижнем крае видны чередующиеся слои Ta ₂ O ₅ и SiO _{2 .}

Технологии изготовления диэлектрических зеркал основаны на методах осаждения тонких пленок . Распространенными методами являются физическое осаждение из паровой фазы (включая осаждение испарением и осаждение с помощью ионного пучка ), химическое осаждение из паровой фазы , осаждение ионным пучком , молекулярно-лучевая эпитаксия , осаждение распылением и осаждение золь-гелем. ^[4] Распространенными материалами являются фторид магния ( n = 1,37) , диоксид кремния ( n = 1,45) , пентоксид тантала ( n = 2,28) , сульфид цинка ( n = 2,32) и диоксид титана ( n = 2,4) .

Полимерные диэлектрические зеркала изготавливаются промышленным способом путем совместной экструзии расплавленных полимеров ^[5] , а также методом центрифугирования ^[6] или нанесения покрытия погружением ^[7] в меньших масштабах.

Смотрите также

• Распределенный брэгговский отражатель
• Дихроичный фильтр
• Идеальное зеркало
• Фильтр ругата

Ссылки

1. Slaiby, ZenaE.; Turki, Saeed N. (ноябрь–декабрь 2014 г.). «Изучите отражательную способность диэлектрического покрытия для видимого спектра». Международный журнал новых тенденций и технологий в области компьютерных наук . 3 (6): 1–4. ISSN  2278-6856 . Получено 12 августа 2024 г.^{[ мертвая ссылка ]}
2. Apfel, JH (1982). «Фазовая задержка периодических многослойных зеркал». Applied Optics . 21 (4): 733–738. Bibcode :1982ApOpt..21..733A. doi :10.1364/AO.21.000733. PMID  20372527.
3. E, Huett (26 апреля 2022 г.). «Определение параметров 2D-плазмы с помощью отфильтрованных камер. Применение к режиму излучателя X-Point в обновлении ASDEX». Институт плазменной физики им. Макса Планка . doi : 10.17617/2.3379034.
4. Бертуччи, Симона; Мегад, Хеба; Додеро, Андреа; Фиорито, Серджио; Ди Стасио, Франческо; Патрини, Маддалена; Коморетто, Давиде; Лова, Паола (04 мая 2022 г.). «Мягкие золь-гель условия и высокий диэлектрический контраст: простой процесс получения крупномасштабных гибридных фотонных кристаллов для зондирования и фотокатализа». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 14 (17): 19806–19817. doi : 10.1021/acsami.1c23653. ISSN  1944-8244. ПМЦ 9073830 . ПМИД  35443778. 
5. Comoretto, Davide, ред. (2015). Органические и гибридные фотонные кристаллы. doi :10.1007/978-3-319-16580-6. ISBN 978-3-319-16579-0. S2CID  139074878.
6. Лова, Паола; Джусто, Паоло; Стасио, Франческо Ди; Манфреди, Джованни; Патерно, Джузеппе М.; Кортеккья, Даниэле; Сочи, Чезаре; Коморетто, Давиде (9 мая 2019 г.). «Цельнополимерные микрополости перовскита из метиламмония иодида свинца». Наномасштаб . 11 (18): 8978–8983. дои : 10.1039/C9NR01422E. hdl : 11567/944564 . ISSN  2040-3372. PMID  31017152. S2CID  129943931.
7. Руссо, Мануэла; Кампой-Килес, Мариано; Лашармуаз, Пол; Ференци, Тоби AM; Гаррига, Микель; Казери, Уолтер Р.; Стингелин, Натали (2012). «Однопоточный синтез полимерно-неорганических гибридов: на пути к легкодоступным, малопотерьным и высоконастраиваемым материалам и образцам показателя преломления». Журнал полимерной науки, часть B: полимерная физика . 50 (1): 65–74. Bibcode : 2012JPoSB..50...65R. doi : 10.1002/polb.22373. ISSN  1099-0488.

Внешние ссылки

• Быстрый код для расчета отражательной способности и дисперсии диэлектрического зеркала