Интерферометры Фабри-Перо
Сканирующие интерферометры Фабри- Перо
Сканирующие интерферометры Фабри-Перо состоят из резонатора, образованного парой идентичных зеркал и разнесенных друг от друга на величину радиуса кривизны (см. рис. 1), который для обоих зеркал одинаков. Эта конфигурация также называется конфокальным резонатором и имеет свойство селекции мод. Вырождение мод с одинаковыми продольными и разными поперечными индексами происходит вследствие совпадения их резонансных частот.
Рисунок 1. Схема резонатора, состоящего из двух зеркал, разнесенных на некоторое расстояние
Вырождение мод значительно упрощает юстировку прибора, поскольку устраняется необходимость согласования индексов мод внутри резонатора. Конфокальные резонаторы имеют ряд преимуществ перед плоскопараллельными интерферометрами, поскольку невосприимчивы к угловому выравниванию.
Резонаторы Фабри-Перо сохраняют добротность и оптический фактор даже при повышении разрешающей способности. Плоско-параллельные резонаторы не обладают этим свойством, повышение разрешения неизбежно сопровождается снижением интенсивности и оптического фактора (оптический фактор определяется как излучение внутри телесного угла
Внутренняя вогнутая поверхность зеркал покрывается отражательным слоем, внешняя полностью матовая. Кривизна внешней поверхности соответствует кривизне внутренней, создавая так называемый линзовый эффект. В конфокальной системе зеркала разнесены на величину радиуса кривизны r (см. рис. 1).
Чтобы проследить принцип работы резонатора, проследим ход луча в резонаторе. Излучение попадает в резонатор под некоторым углом на высоте Н (отсчитывается от одной из стенок резонаторной полости). Доля прошедшего излучения проходит по траекториям 1, 2, 3 и 4, а затем снова попадает на траекторию 1. Цикл повторяется. Пунктирные линии, внешние по отношению к полости на рисунке 2, представляют часть излучения, отраженного при входе в резонатор, тогда расстояние, пройденное излучением туда и обратно равно mλ, где m – целое число, а λ – длина волны входного излучения. Приблизительная длина оптического пути L одного цикла в резонаторе может быть выражена как:
(1)
Рисунок 2. Путь внеосевого луча, проходящего в резонаторе
Резонанс и область свободной дисперсии
Для достижения максимального резонанса в интерферометре Фабри-Перо полный фазовый сдвиг за один полный проход излучения в резонаторе должен быть кратным 2π. В плоско-параллельной конфигурации резонатора Фабри-Перо, где расстояние туда и обратно внутри полости равно 2r, условие максимума резонанса выполняется, когда частота равна mc/2r (m – любое целое число, c – скорость света в воздухе, а r – расстояние между зеркалами. Следовательно, расстояние, или область свободной дисперсии между двумя пиками пропускания составляет
В конфокальном резонаторе Фабри-Перо нужно учитывать, что моды резонатора – Гауссовы. Принимая во внимание фазовый сдвиг Гауссовой моды в конфокальном резонаторе, можно показать, что резонансные частоты поперечных мод либо перекрываются, либо оказываются точно посередине между амплитудами продольных мод. Поэтому область свободной дисперсии конфокального резонатора составляет c/4nd.
Точный расчет круговой траектории
Поскольку фактическая длина оптического пути в конфокальном интерферометре Фабри-Перо зависит от высоты вхождения пучка Н, на практике важно учитывать входные параметры системы, апертуру и диаметр пучка. Все это напрямую влияет на условия резонанса.
Чтобы связать уравнениями разрешающую способность интерферометра и высоту Н, нужно принять во внимание сферические аберрации. В приближении 0 < H << r выражение длины оптического пути имеет вид:
(2)
Можно видеть, что с ростом диаметра входного пучка, второй компонент выражения (2) стремительно возрастает.
Добротность и разрешающая способность конфокального резонатора
Добротность резонатора – это способность интерферометра разрешать близко расположенные спектральные линии. Минимальное приращение частоты интерферометра, при котором спектральные линии можно рассмотреть отдельно, рассчитывается по критерию Рэлея: для разрешения двух близко расположенных линий равной интенсивности и симметричного контура необходимо, чтобы центральный максимум одной линии совпадал с первым минимумом другой (рис. 3).
Рисунок 3. Изображение двух спектральных линий Гауссового профиля, разрешенных в интерферометре:расстояние между резонансными пиками равно полной ширине на уровне половинной высоты (
Общая добротность интерферометра определяется отношением величины области свободной дисперсии FSR к полной ширине на полувысоте FWHM Δ резонансного
пика. Как видно из рис. 3, две линии, расстояние между резонансными пиками которых Δ, удовлетворяют критерию Рэлея. Так, разрешение системы равно Δ.
Полная добротность определяется выражением:
(3)
В процессе производства интерферометров поддерживается максимум полной добротности, чтобы можно было более точно отрегулировать длину резонаторной полости в конфокальной конфигурации. Также длину резонаторной полости можно настраивать по длине волны, однако этот способ менее точен.
Область свободной дисперсии и полная ширина на полувысоте показаны, соответственно, на рисунках 4 и 5. Показатель добротности 294 измерен с помощью лазера с распределенной обратной связью. Ширина спектральной линии не может считаться бесконечно малой по сравнению с разрешением резонатора, а потому истинное значение добротности составляет около 320, при условии ширины линии лазера 2 МГц.
Рисунок 4. Вид области свободной дисперсии интерферометра: получен с помощью лазера c распределенной обратной связью серии PRO8000 Thorlabs, система из интерферометра SA200-12B Thorlabs с областью свободной дисперсии 1.5 ГГц применяется для калибровки временной оси осциллографа, зная область свободной дисперсии интерферометра, коэффициент калибровки определяется подбором соответствия 1.5 ГГц – 20 мс между двумя пиками
Рисунок 5. Реальный сигнал лазера в масштабе: график является результатом свертки ширины спектральной линии лазера и добротности резонатора, с помощью откалиброванной временной шкалы осциллографа (рис.4) определяется полуширина на полувысоте сигнала для интерферометра: 0.068 мс
На добротность влияют многие факторы: коэффициент отражения зеркал FR, качество зеркальной поверхности Fq, а также качество излучения (главным образом диаметр пучка) и выравнивание зеркал. Для обратных величин получаем:
(4)
где для зеркал, коэффициент отражения которых близок к 1, эффективная добротность отражения зеркал рассчитывается как:
(5)
R – коэффициент отражения зеркала.
Хотя определение добротности отражения условно, уравнение (5) все же принимается как эффективная добротность отражения, когда другие факторы влияния пренебрежимо малы. В таких случаях основной вклад вносит источник излучения.
По формуле (5) проектируются отражающие покрытия в интерферометрах. Наименьшее значение FR должно быть более чем в 1.5 раза выше добротности отражения во всем рабочем диапазоне длин волн для конкретной модели. Это вносит поправку в первый член уравнения (4).
Второе слагаемое в формуле (4) содержит Fq – неровности зеркальной поверхности, которые вызывают симметричное уширение спектральной линии. Результатом этих неровностей является случайная зависящая от положения разница в длине пути, которая и расширяет форму линии. При производственном процессе изготовления зеркал резонатора гарантируется, что вклад от Fq пренебрежимо мал по сравнению с указанной полной добротностью.
Последний член в формуле (4) Fi – добротность освещения. Разрешение уменьшается при увеличении диаметра пучка или при смещении входного пучка. Когда добротность ограничена параметром Fi, форма линии будет выглядеть асимметричной. Асимметрия обусловлена разницей в длине пути между осевыми и внеосевыми пучками, что приводит к расхождению расстояний между зеркалами. В соответствии с условием максимального резонанса, примерное уменьшение длины пути пучка на расстоянии
Чтобы количественно оценить влияние длины пути на Fi, рассмотрим идеальный монохроматический входной пучок (дельта-функцию по длине волны с единичной амплитудой). Излучение попадает в резонатор Фабри-Перо вдоль оптической оси, пучок имеет радиус a.
Свет, поступающий в интерферометр в точке H = + e, где е бесконечно мал, но не равен нулю, будет лишь незначительно искажать начальный спектр.
Свет, попадающий в резонатор в точке H = + a вызовет значительный сдвиг в передаваемом выходном спектре, поскольку оптическая длина пути резонатора будет меньше на расстояние ~ a4/4r3
.Предполагая, что входной пучок имеет равномерное распределение интенсивности, передаваемый спектр будет иметь однородную интенсивность и уширение из-за изменяющейся длины оптического пути. В результате входная дельта-функция длины волны будет давать выходной пик с Δ = H4/4r3.
Предполагая, что только параметр Fi вносит значительный вклад в общую добротность, с помощью уравнения (3) можно рассчитать Fi для «идеального» входного пучка. Подставляя λ/4 вместо FSR и H4/4r3 вместо Δ получаем:
(6)
Подстановка четверти длины волны вместо FSR оправдана, учитывая, что полость расширяется на эту величину, чтобы произошел переход от одной продольной моды к следующей. Для входного луча с реальным спектральным распределением эффект от сдвига будет представлять собой сплошную серию смещенных линий. Следует отметить, что смещение всегда происходит в одном направлении, что приводит к расширению или асимметрии.
Итак, используя уравнение полной добротности, содержащее вклады FR и Fi, можно найти:
(7)
Заменой Fi и FR получаем:
(8)
Уравнение (8) используется для оценки (хотя и несколько завышенной) влияния диаметра пучка на общую добротность интерферометра Фабри-Перо. Завышение происходит, поскольку соотношение теоретических предположений с практическими данными неточно: во-первых, в теории диаметр пучка совпадает с диаметром зеркала, на практике же диаметр пучка обычно значительно меньше диаметра зеркала (это также помогает уменьшить сферическую аберрацию). Другое теоретическое предположение состоит в том, что пучок пережимается до бесконечно малого фокального пятна, но в реальности даже для монохроматического света минимальный размер пятна фокусировки ограничен дифракцией, а в случае многомодовых источников размер пятна сохраняется довольно большим и в фокусе.
Рисунок 6 представляет график уравнения (8) для двух конструкций резонатора (r = 50 мм и r = 7.5 мм). Графики были построены в предположении, что добротность отражения равна 300 – наиболее типичное значение для зеркал, используемых в интерферометрах Thorlabs.
Рисунок 6. Зависимость Ft(H), найденная для двух интерферометров Фабри-Перо Thorlabs: зеленая кривая соответствует резонатору 7.5 мм, синяя кривая – резонатору 50 мм
Спектральная разрешающая способность и оптический фактор
Спектральная разрешающая способность интерферометра – это количественная мера разрешающей способности интерферометра, удовлетворяющая расширенному критерию Рэлея. Спектральная разрешающая способность SR определяется формулой:
(9)
В уравнении (9) v – частота и λ – длина волны. Можно показать, как по этой формуле рассчитывается разрешающая способность конфокального интерферометра Фабри-Перо:
(10)
В уравнении (10) F – добротность интерферометра, r – радиус кривизны зеркал, а λ – длина волны. Однако для достижения максимального разрешения интерферометра непосредственно в режиме сканирования, апертура детектора должна быть бесконечно мала, когда апертура открывается достаточно широко, спектральная разрешающая способность начинает уменьшаться.
Спектральная разрешающая способность должна быть сбалансирована с оптическим фактором интерферометра. Оптический фактор интерферометра U является мерой, характеризующей насколько «расширен» пучок в оптической системе по размерам и направлениям.
Когда источником света является лазерный пучок, оптический фактор определяет меру допуска центрировки между интерферометром и лазерным пучком.
Математически оптический фактор описывается как произведение максимально допустимого расхождения телесного угла Ω и максимально допустимой площади апертуры A. Для конфокальной системы оптический фактор выражается как:
(11)
В уравнении (11) F – добротность интерферометра, λ – длина волны, а d – расстояние между зеркалами. Для правильного использования интерферометра спектральная разрешающая способность и геометрический фактор должны быть откалиброваны таким образом, чтобы достаточное количество света попадало в систему без значительного снижения разрешения интерферометра.
На практике основной компромисс для получения этого баланса заключается в увеличении апертуры зеркала до такой степени, пока спектральная разрешающая способность не уменьшится до 70% (0.7SR). При этом условии «идеальный» оптический фактор имеет вид π2λr/F , где r – радиус зеркала.
© Thorlabs Inc.
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ
Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators
Прогресс в области астрофизических приборов недавно ввели сверхпроводящие СВЧ – резонаторы для обнаружения инфракрасного света 1-.4 Сверхпроводящий резонатор реагирует на инфракрасное излучение с энергией Е = Нч> 2Δ (где Н постоянная Планка, V частота излучения и Δ является энергетическая щель сверхпроводящий). Когда резонатор охлаждают до температуры значительно ниже критической температуры сверхпроводник, это падающее излучение разрушает куперовских пар в объеме резонатора и генерирует квазичастичные возбуждения. Увеличение плотности квази- частичных возбуждений изменяет кинетическую индуктивность, и, таким образом, комплексное поверхностное сопротивление сверхпроводника. Этот оптический отклик наблюдается как сдвиг в резонансной частоте к более низкой частоте и снижение добротности резонатора. В канонической схеме считыванием для микроволновой коровьимкрестики детектор индуктивности (MKID), резонатор соединен с СВЧ-фидера и один контролирует комплексную передачу данных через этот фидером на одной частоте СВЧ-сигнала на резонанс. При этом оптический отклик наблюдается как изменение как амплитуды , так и фазы передачи 5(рисунок 1). Схемы мультиплексирования в частотной области способны считывать массивы тысяч резонаторами. 6-7
Для того, чтобы успешно разработать и осуществить приборы сверхпроводящего резонатора на основе свойства этих резонансных структур должны быть охарактеризована точно и эффективно. Например, прецизионные измерения свойств шума, показатели качества Q, резонансные частоты ( в том числе их температурной зависимости) и оптические свойства отклика сверхпроводящих резонаторов желательно в контексте физики устройства MKID, 8 квантовые вычисления, 9 и определения низко- т.еmperature свойств материалов. 10
Во всех этих случаях, измерение комплексных параметров рассеяния передачи цепи в желателен. Эта работа концентрируется на определении комплексного коэффициента передачи резонатора, S 21, амплитуда и фаза может быть измерена с помощью векторного анализатора сети (ВНА). В идеале, ВНА плоскость отсчета (или тестовый порт) будет подключен непосредственно к испытуемому устройству (ИУ), но криогенная установка обычно требует использования дополнительных линий электропередачи структур для реализации тепловой разрыв между РТ (~ 300 К) и холодный этап (~ 0,3 К в этой работе, см рис Юр 2). Дополнительные компоненты, такие как микроволновые направленных ответвителей, циркуляторы, изоляторы, усилители, аттенюаторы и связанных с ними соединительных кабелей могут быть необходимы для надлежащего подготовки, возбуждают, считывать и смещения устройства интереса.Фазовые скорости и размеры этих компонентов изменяется при понижении температуры от комнатной до криогенных температур, и, следовательно, они влияют на наблюдаемый отклик на калибровочном устройстве плоскости. Эти промежуточные компоненты , расположенные между прибором и влиянием устройства калибровки плоскости комплексного коэффициента усиления и должны быть надлежащим образом учтены в интерпретации измеренного ответа. 11
Теоретически, схема необходима, которая устанавливает измерения базовой плоскости, идентичной той, используемой в процессе калибровки, в ИУ. Для достижения этой цели, можно было бы измерить стандарты калибровки на нескольких прохладных переносов; Однако, это ставит ограничения на стабильность ВНА и воспроизводимости криогенной инструмента, которые трудно достичь. Для смягчения этих проблем можно было бы разместить необходимые стандарты в охлажденном тестовой среде и переключаться между ними. Это, например, аналогично тому, что находится в СВЧ-зондовых станций, Где образец и калибровки стандарты охлаждают до 4 К непрерывным потоком жидкости гелия или систему замкнутого цикла охлаждения. 12 Этот метод был продемонстрирован при температурах к югу от Кельвина , но требует с низким энергопотреблением, высокой производительности СВЧ – переключатель в тест группа интересов. 13
Процедура калибровки на месте Поэтому желательно на долю которого приходится инструментальной реакции передачи между опорной плоскостью ВНА и калибровочного устройства плоскости (рис Юр 2) и которая преодолевает ограничения методов , описанных выше. Этот криогенный метод калибровки, представлены и подробно обсуждаются в Катальдо и др. 11, позволяет охарактеризовать несколько резонаторы в диапазоне частот шириной по сравнению с шириной резонатора линии и расстоянием между ними резонатора с точностью ~ 1%. В данной статье основное внимание будет уделено деталям изготовления образца и прептовка процессы, экспериментальные испытательной установки и измерительных процедур , используемых для характеристики сверхпроводящего СВЧ – резонаторы с плоскими линейными геометрий. 11
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Исследование оптических характеристик многослойных структур управляемого резонатора Фабри Перо Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»
УДК 621.382.002 А.Е. Чесноков СГГ А, Новосибирск
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР УПРАВЛЯЕМОГО РЕЗОНАТОРА ФАБРИ – ПЕРО
Целью исследования является изучение оптических характеристик слоев, составляющих структуру управляемого резонатора Фабри – Перо, и определяющих разрешающую способность микромеханического резонатора на его основе. Х1 + -*4 sin2 V’ (1)
(1 – R)2 2
где R – коэффициент отражения; Т – коэффициент пропускания; ф –
разность фаз между соседними пучками падающего света; I0 – интенсивность
падающего пучка света.
Разность фаз определяется выражением:
Ф = — 2dn cos r. (2)
Л
где Л – длина волны излучения, d – расстояние между зеркальными слоями, n – показатель преломления среды между зеркалами, г – угол падения света.
При прохождении светового пучка через любой отражающий слой, часть его интенсивности поглощается этим слоем в соответствии с условием
T+R+A = 1, (3)
где А – коэффициент поглощения.
В качестве материала для получения полупрозрачных зеркал резонатора используется Al000. Для изготовления макетного образца фильтра использовалась, главным образом, технология вакуумного напыления (установки ВУ-1А и ВУП4 с интерференционным датчиком контроля толщины). Подготовка образцов производилась по стандартным для технологии интерференционных покрытий методикам [4]. В качестве материала жертвенного слоя при получении воздушного зазора между зеркалами использовался маннит [4], обладающий сравнительно низкими температурами плавления и кипения.
Для исследования оптических характеристик зеркальных покрытий на поверхности прозрачной стеклянной подложки изготавливалась трехслойная структура Al – маннит – Al. Алюминиевые слои были полупрозрачными, слой
маннита имеет толщину d = 215 нм. Спектральная характеристика измерялась с помощью спектрофотометра СФ – 46 и показана на рис.Т7ТЯ
где q – порядок спектра, Тср – коэффициент пропускания среды, R -коэффициент отражения зеркального покрытия.
В нашем случае q = 1.
Из выражения (3) видно, что ширина полосы пропускания может определяться двумя неизвестными параметрами – поглощением среды и коэффициентом отражения R.
Чтобы разделить влияние этих двух параметров был измерен спектр поглощения маннита (рис. 2).
х, пт
Рис. 2. Спектр поглощения маннита
Как видно из представленного спектра поглощения маннита во всем видимом диапазоне длин волн пренебрежительно мало, т. е. Тср ~ 1. Подставим в (3) экспериментальные найденные значения 5Х = 40 нм. Получим коэффициент отражения R = 0,74.
Обычное значение коэффициента отражения алюминиевого зеркального слоя [5], приготовленного нанесением в вакууме, составляет 0,85-0,9, то есть существенно больше полученной выше из спектральных характеристик величины. Одной из возможных причин малого значения R может быть ухудшение зеркальности слоя металла, наносимого на слой маннита, в связи с предполагаемой зернистостью слоя маннита.
Как нам представляется, проведенное исследование показывает возможность по измеренным спектральным характеристикам фильтров Фабри – Перо делать оценки о состоянии поверхности слоев структуры этих фильтров.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Чесноков Д.В. Исследование оптических характеристик управляемого микромеханического светофильтра / Д.В. Чесноков, А.Е. Чесноков // Материалы научно-технич. конф. СГГА «Соврем. проблемы геодезии и оптики». – Новосибирск, 2004. – С. 86-89.
2. Чесноков Д.В. Перестраиваемый миниатюрный монохроматор в микромеханическом исполнении для целей экспресс-анализа / Д.В. Чесноков, А.Е. Чесноков //
Материалы научно-технич. конф. СГГА «Соврем. проблемы геодезии и оптики». -Новосибирск, 2005. – С. 102-105.
3. Ландсберг Г.С. Оптика / Г.С. Ландсберг. – М.: Наука, 1976. – 928 с.
4. Скоков И.В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике [Текст] / И.В. Скоков. – М.: Машиностроение, 1989. – 238 с.
5. Фурман Ш.А. Тонкослойные оптические покрытия / Ш.А. Фурман. – Л.: Машиностроение, 1977. – 264 с.
© А.Е. Чесноков, 2007
Физическое материаловедение: новые материалы и структуры
В рамках направления “Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы” программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013 – 2020 годы ФИЦ “Красноярский научный центр СО РАН” реализует следующие бюджетные проекты:Проект
Физические основы развития новой элементной базы фотоники и СВЧ-электроникиКлючевые слова
связанные состояния в радиационном континууме, керровская нелинейность, резонатор Фабри-Перо, поверхностный плазмон-поляритон, бифотонные поля, запутанные состояния, нелинейный кристалл, тетраборат стронция, спонтанное параметрическое рассеяние, корреляционная функция, дифракционная решетка, комбинационное усиление, керровская восприимчивость, стоячая волна, жидкий кристалл, локальное поле, анизотропия поляризуемости, фотонный кристалл, сверхвысокие частоты, микрополосковый резонатор, магнитная пленка, высокотемпературный сверхпроводникЦель исследования
Исследования по распространению электромагнитного излучения оптического и СВЧ-диапазонов в фотонных структурах с нелинейными, электрически и магнитно управляемыми элементами проводятся с целью развития новой элементной базы для создания ультракомпактных многофункциональных устройств фотоники и СВЧ-электроники: лазерной ВУФ-спектроскопии с фемтосекундным временным разрешением, лазерных фотохимических и фотобиологических технологий, нанолитографии, информационных технологий (например, быстродействующих оптических логических элементов с субволновыми размерами, устройств передачи и управления модулированным оптическим излучением), фотонных устройств нанометровых размеров, новых электрически управляемых устройств радио- и оптоэлектроники (фильтров и зеркал, амплитудных и фазовых манипуляторов, приемо-передающих антенн с переключаемой плоскостью поляризации в двух ортогональных направлениях), систем связи и радиолокации с фазированными антенными решетками, полосно-пропускающих и режекторных фильтров и других элементов и устройств.
Актуальность
Развитию современных технологий микроэлектроники препятствуют фундаментальные проблемы. Размеры микросхем вплотную приближаются к квантовому пределу, где омические законы уже не работают. Тепловыделение из-за увеличения плотности микросхем вырастает до неприемлемой величины и на первый план выходит проблема охлаждения. С другой стороны, в современных информационно-телекоммуникационных системах перенос информации осуществляется главным образом оптическими волноводами (волоконная оптика), чьи характерные частоты на много порядков превышают частоты электронных процессоров. Очевидна идея совместить и перенос информации, и ее обработку оптическими системами. Таким образом, на сегодняшний день актуален поиск физических эффектов и оптических схем, открывающих принципиально новые пути для создания элементной базы электроники и информационных технологий. В этом контексте существенный интерес представляют собой технологии управления световыми потоками путем управления распределением плотности фотонных состояний в фотонно-кристаллических средах с нелинейными элементами структуры. Теоретической основой этому являются принципиально новые устойчивые решения нелинейных уравнений Максвелла, которые были бы немыслимы в линейных системах. Использование фотонно-кристаллических волноводных структур позволит добиться характерных частот работы оптических логических устройств порядка десятков и сотен терагерц. Фотонные кристаллы c оптоэлектронными, жидкокристаллическими и керровскими резонансными элементами предоставляют уникальные возможности для технической реализации контролируемого транспорта и преобразования светового излучения. Особый интерес в рамках указанной проблемы вызывают задачи построения микрорезонаторных устройств СВЧ-диапазона на основе фотонных кристаллов с функционально активными элементами на основе тонкопленочных магнитных структур. Актуальность и научная значимость решения данных задач обусловлена как необходимостью развития и уточнения фундаментальных представлений о влиянии структурных, размерных и интерфейсных эффектов на магнитные характеристики нанокристаллических тонких пленок и тонкопленочных структур, так и первостепенной важностью таких материалов для приложений микроэлектроники сверхвысоких частот, в частности, для создания новых конструкций электрически управляемых устройств: умножителей и смесителей частоты, фильтров, амплитудных и фазовых манипуляторов, используемых в системах связи, радиолокации, радионавигации и в специальной радиоаппаратуре.
Руководители проекта
|
Зырянов Виктор Яковлевич доктор физико-математических наук, профессор +7 391 2494510 |
|
|
Беляев Борис Афанасьевич доктор технических наук +7 391 2494591 |
Проект
Исследование новых оптических материалов и разработка фотонных структур на их основеКлючевые слова
фотонные кристаллы, локализованные оптические моды, оптические таммовские состояния, плотность фотонных состояний, топологическая фотоника, геометрическая фаза, связанные состояния в континууме, теория связанных мод, матрица переноса, метод конечных разностей во временной области, метод молекулярной динамики, теория функционала плотности, анизотропные, нелинейные и резонансные оптические материалы, двумерные материалы, металл-диэлектрический нанокомпозит, мягкая материя, хиральность, биообъект, фотосинтез, фотовольтаика, метаповерхность, терагерцевое излучение, трехмерная печать микроструктур, оптические соединения в центрах обработки данных, фотонные интегральные схемыЦель исследования
Разработка новых фотонных структур, придающих заданные пространственные, спектральные и поляризационные характеристики излучению оптического и телекоммуникационного диапазонов, использование новых молекулярных систем с экстремальными оптическими характеристиками: анизотропией, нелинейностью и резонансными свойствами. В первую очередь это двумерные материалы, металл-диэлектрические нанокомпозиты, мягкая материя, биологические ткани и природоподобные материалы. Будет изучаться распространение и локализация света, преобразование и передача его хиральных характеристик, обусловленных одномерным, двумерным и трехмерным упорядочением молекулярных систем, а также воздействие света на среду, например, при преобразовании энергии в солнечных батареях и фотосинтезе в клетках растений.В работе будут использованы методы компьютерного моделирования: матрица переноса, метод конечных разностей во временной области, метод молекулярной динамики, теория функционала плотности, теория связанных мод, метод разложения по плоским волнам, метод минимизации упругой энергии при упорядочении мягкой материи. В сотрудничестве с лабораториями ФИЦ КНЦ СО РАН будут использоваться экспериментальные методы: трехмерная печать микроструктур и базовые технологии изготовления наноструктур, спектроскопия комбинационного рассеяния, спектроскопия поглощения и люминесценции, рефрактометрия, электрооптика, магнитооптика, криогенные технологии электронной микроскопии. Полученные знания будут иметь научную значимость и потенциал для ответа на большие вызовы и промышленного освоения современных технологий фотоники, таких как создание фотонных интегральных схем и оптических соединений в центрах обработки больших объемов данных, а также природоподобных и экологически чистых технологий синтеза органических соединений, производства продуктов питания, создания искусственных биологических тканей и бионических устройств.
Актуальность
Развитие фотоники обусловлено доступностью и точностью изготовления сложных оптических структур на масштабе длины волны света. Миниатюризация в фотонике сочетается с совместимостью с человеческим зрением, быстродействием и энергоэффективностью устройств, c экономией материала при печати микроструктур. Фотонные структуры наполняют передовые области исследования от оптоэлектроники, волоконной и беспроводной передачи информации до квантового компьютера, от дисплейных технологий до получения изображений со сверхразрешением и оптической маскировки, от фотовольтаики до искусственного фотосинтеза.В силу инвариантности уравнений Максвелла, методы радиофизики успешно перенимаются при создании элементной базы фотоники: на смену колебательным контурам приходят микрорезонаторы, световоды, метаповерхности и метаматериалы с широко проектируемыми оптическими свойствами. Отклики вещества на воздействие полей оптического и СВЧ диапазонов имеют кардинальные отличия. В оптическом диапазоне материалы имеют меньшую диэлектрическую проницаемость, а магнитная проницаемость близка к единице. При оптическом отклике становится существенной нелинейность. В плазмонике для двумерных материалов и металл-диэлектрических композитов решающую роль играют скин-слой и масса электрона. Возникают аналогии с квантовой механикой и теорией твердого тела.
Принципы создания линз и призм смещаются от рефракции к дифракции, развиваются концепции фотонных кристаллов, оптических таммовских состояний, связанных состояний в континууме, фотонных топологических изоляторов.
Кроме микроструктур на масштабе длины волны создаются резонансные структуры на масштабе меньше длины волны – субволновые наноструктуры, метаповерхности. Это делает доступными новые степени свободы, увеличивая размерность пространства возможных конфигураций. Увеличение числа степеней свободы затрудняет поиск конфигураций, оптимальных в конкретном приложении. На первом этапе полезно ограничиваться простейшими симметриями, сокращающими избыточные степени свободы. На практике идеальные симметричные решения не реализуемы. Поэтому при большинстве типов деформаций, шумов и дефектов, возникающих вследствие несовершенства изготовления, целесообразно изучать сингулярности и топологические особенности. Топология проявляется как в структуре вещества, так и в структуре электромагнитного поля, его поляризации, зонной структуре поля в периодических средах. Поле составляет более динамичную субстанцию нежели вещество, и при взаимодействии поле перенимает структуру вещества и его топологические характеристики. Чтобы на практике определить условия существования и устойчивости определенных типов волн, необходимо описать область существования и границы перестраиваемости оптической моды при варьировании параметров фотонной структуры. Границы определяются разрушением топологического инварианта при открывании новых каналов рассеяния. Расширение диапазона вариации параметров позволяет говорить об управлении светом, что актуально для биологических структур и мягкой материи.
Руководитель проекта
|
Тимофеев Иван Владимирович доктор физико-математических наук +7 391 2494613 |
Проект
Разработка новых приборов для исследования перспективных материалов радиоэлектроники и создание устройств на их основеКлючевые слова
микрополосковый резонатор, тонкая магнитная пленка, сверхвысокие частоты, ферромагнитный резонанс, магнитометр, намагниченность насыщения, анизотропия, сканирующий спектрометр ФМР, высокотемпературный сверхпроводник, жидкий кристалл, петля гистерезиса, микроэлектроника, оптоэлектроника, мультислойные наноструктуры, магнитная антенна, ближнепольная магнитная связь, частотно-селективные устройства.Цель исследования
Разработка и создание новых приборов для научных исследований различных материалов, включая тонкие магнитные пленки, жидкие кристаллы, высокотемпературные сверхпроводники, фотонные кристаллы и метаматериалы на основе мультислойных нанокристаллических структур, перспективных для микроэлектроники, спинтроники и оптоэлектроники.Разработка и исследование частотно-селективных устройств для систем связи, радиолокации, радионавигации, специальной радиоаппаратуры. Создание систем ближнепольной магнитной связи. Теоретические и экспериментальные исследования микрополосковых структур, содержащих тонкие магнитные пленки, жидкие кристаллы, пленки высокотемпературных сверх проводников, нанокомпозиты. Разработка 3D моделей таких структур для их электродинамического анализа.
Тестирование и сертификация созданных приборов. Организация мелкосерийного производства разработанных приборов для их внедрения в заинтересованные лаборатории Институтов РАН, научно-исследовательских институтов и ВУЗов России. Подготовка технической документации на приборы, требующие серийного производства, для ее передачи на профильные предприятия России.
Актуальность
Разработка новых материалов для микроэлектроники и новых приборов для их диагностики всегда являются актуальными задачами, решение которых стимулируют новые подходы к созданию устройств микро- и наноэлектроники. Такие работы позволяют создавать, в частности, высокочувствительные магнитометры слабых квазистационарных магнитных полей необходимые для решения многих научно-технических задач, но в первую очередь, задач геомагнитометрии, связанных как с изучением геологического строения Земли и поиском полезных ископаемых, так и c археологическими исследованиями. Датчики слабых магнитных полей применяются в медицине, в охранной сигнализации и специальной аппаратуре, используемой, в том числе, в космических технологиях. Учитывая огромную потребность в таких устройствах, важно, чтобы они не только имели требуемую чувствительность, но и были просты в изготовлении, обладали приемлемыми массогабаритными и энергетическими характеристиками, а также высокой надежностью и относительно малой стоимостью при массовом производстве.В настоящее время исследователи активно изучают особенности распространения электромагнитных волн, падающих на слоистые конструкции из диэлектрических пластин, на границах раздела которых сформированы периодические структуры из полосковых проводников (2D решетки или сетки). Интерес к таким конструкциям обусловлен возможностью создания на их основе частотно-селективных поверхностей, служащих полосно-пропускающими фильтрами в диапазонах от миллиметровых до дециметровых длин волн.
Руководитель проекта
|
Боев Никита Михайлович заведующий лабораторией +7 391 2494591 |
Проект
Физико-химические основы получения наноструктурированных материалов (ситаллов, микросфер, пеносиликата) и оптически активных материалов со структурой инверсного опалаКлючевые слова
комплексная переработка, пеносиликат, оптически прозрачные
Ситаллы, фотонные кристаллы, наноструктурированные материалы
Цель исследования
Получение оптически прозрачных наноструктурированных материалов в том числе и инверсных опалов на основе техногенного, рудного и нерудного сырья, исследование их свойств. Разработка научно-практических основ получения
ультрапористых материалов (микросфер, пеносиликатов и других материалов), предназначенных для использования в качестве фильтрующих материалов для очистки газов, воды, отработанных масел. Исследование механизмов самораспространяющейся кристаллизации в массивных стёклах и их использование для создания функциональных
наноструктурированных материалов. Разработка метода получения наноструктурированных нитевидных кристаллов Al2O3.
Актуальность
В настоящее время у нас в стране и за рубежом для изготовления стеклокристаллических материалов прозрачных в видимой и инфракрасной области, используются стекла на основе силикатов сподуменового или муллитового состава, прошедшие высокотемпературную (до 1700°С) термообработку. Они требуют использования в качестве исходного сырья химически чистых (без вредных примесей красящих оксидов железа и марганца) и тугоплавких дорогостоящих оксидов. Высокая прочность, химическая и термическая стойкость силикатных материалов чрезвычайно осложняют их переработку. В этой связи, в настоящее время, одной из важнейших проблем, затрагивающей большой круг вопросов создания новых материалов с заданными свойствами, является разработка путей повышения реакционной способности силикатов и вовлечение в их ресурсную базу техногенных отходов, а также рудного и нерудного сырья. Новым направлением исследования является предлагаемый в проекте подход – повышение реакционной способности силикатных материалов (диэлектрическая
составляющая расплава) путём перевода их в рентгеноаморфное состояние. Исследование механизма самоподдерживающегося фазового превращения из аморфного в кристаллическое состояние в массивных стёклах является фундаментальной проблемой
создания наноструктурированных материалов. Решение такой задачи имеет принципиальное значение не только для физики твердого тела и кристаллохимии, но и для металлургии и материаловедения. Практическая реализация нового подхода позволит расширить номенклатуру сырья для получения наноструктурированных материалов с заданными свойствами.
Инверсные опалы представляют собой оптически прозрачные трехмерные периодические структуры (фотонные кристаллы) с регулярно расположенными сферическими порами субмикронного размера. Такие материалы, благодаря периодическому изменению коэффициента преломления, обладают разрешёнными и запрещёнными зонами для фотонов, аналогично полупроводниковым материалам, в которых наблюдаются разрешённые и запрещённые зоны для энергий носителей заряда.
Руководитель проекта
|
Павлов Вячеслав Фролович доктор химических наук заведующий лабораторией СКТБ “Наука” +7 391 2907403 |
В МФТИ создали квантовый чип со звуковым резонатором
«До нас никто не связывал кубит с резонатором на поверхностных акустических волнах в квантовом режиме. Были отдельно изучены резонаторы такого типа, но без кубита, и отдельно кубиты с поверхностно акустическими волнами, но бегущими, не в резонаторе. На объёмных резонаторах квантовый режим был показан, но дело далеко не пошло, возможно, из-за сложности производства. Мы же использовали однослойную структуру, которая делается с помощью существующих технологий», — рассказывает Алексей Болгар, научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ, в которой было выполнено исследование.
Рисунок. Схема чипа. Резонатор Фабри-Перо состоит из двух Брэгговских зеркал — каждое состоит из 200 параллельных полос (показаны жёлтым), отстоящих друг от друга на половину длины акустической волны. Длина волны равна 0,98 мкм, или 980 нм. В резонаторе находится кубит (трансмон) и два встречно-штыревых преобразователя — приёмник и излучатель. Сквид — часть трансмона, чувствительная к слабому магнитному полю. По рисунку авторов статьи, дизайнер — Елена Хавина, пресс-служба МФТИ
Учёные изучали взаимодействие сверхпроводящего кубита — трансмона — с поверхностными акустическими волнами в резонаторе. Трансмон ведёт себя как искусственный атом, то есть у него есть энергетические уровни, между которыми он может переходить (см. рисунок 1). Есть стандартный микроволновый подход: если на одном чипе с кубитом расположить микроволновый резонатор, который будет поддерживать и усиливать волну, то кубит может с ним взаимодействовать. Кубит может переходить в возбуждённое или основное состояние, поглощая из резонатора или излучая в него фотон с частотой, равной частоте перехода кубита. При этом резонансная частота самого резонатора изменяется в зависимости от состояния кубита. Таким образом, измеряя характеристики резонатора, можно производить чтение информации с кубита. Не так давно появилось новое направление, в котором вместо микроволнового излучения (фотонов) используется механическое воздействие (фононы) в виде акустических волн. Несмотря на то, что квантовоакустический подход развит далеко не так сильно, как микроволновый, у него есть много преимуществ.
Рисунок 2. Микроволновый чип. На квадратном участке — их всего семь — расположен кубит. Изогнутые линии — это микроволновые резонаторы, у каждого из них своя резонансная частота. Дизайнер: Елена Хавина, пресс-служба МФТИ
Скорость распространения акустических волн в 100 тыс. раз меньше скорости света, следовательно и длины волн во столько же раз меньше. Размер резонатора должен «подходить» под длину волны. В микроволновой квантовой системе длина волны будет составлять в лучшем случае около одного сантиметра. Для этого требуется большой резонатор, а чем больше резонатор, тем больше в нём оказывается дефектов, которые всегда присутствуют на поверхности чипа. Эти дефекты приводят к короткому времени жизни состояния кубита, что мешает производить масштабные квантовые вычисления и тормозит создание квантового компьютера. Мировые рекорды составляют порядка 100 микросекунд (0,0 001 секунды). В случае с акустикой длина волны составляет около 1 микрометра, что позволяет размещать высокодобротные резонаторы размером 300 микрон компактно на чипе.
Кроме того, из-за большой длины волны в микроволновый электромагнитныйрезонатор сложно поместить два кубита, которые бы взаимодействовали с ним на разных частотах. Поэтому в микроволновом случае для каждого кубита приходится делать отдельный резонатор (см. рисунок 2). В акустическом случае можно сделать несколько кубитов, немного отличающиеся по частоте перехода, и разместить их в одном механическом резонаторе. Таким образом, квантовый чип на звуковых волнах должен быть гораздо компактнее тех, что производят сейчас. К тому же акустодинамика может решить проблему чувствительности квантово-вычислительных систем к электромагнитному шуму.
Рисунок 3. Акустический чип. Размер всей системы соизмерим с размером квадратного участка на рисунке 2. Дизайнер: Елена Хавина, пресс-служба МФТИ
Авторы статьи использовали резонатор, который работает на поверхностных акустических волнах — это волны, как на поверхности моря, но возникающие на поверхности твёрдого тела. Собранный чип показан на рисунке 3. На пьезоэлектрическую подложку из кварца напыляется алюминиевая схема из трансмона, резонатора и двух встречно-штыревых преобразователей (ВШП). Один ВШП действует как излучатель, другой — как приёмник, между ними лежит пьезоэлектрик — материал, преобразующий электромагнитное воздействие в механическое и наоборот. На пьезоэлектрике возникает поверхностно-акустическая волна, которая бежит и запутывается между зеркалами резонатора. Внутри резонатора находится кубит (трансмон) с двумя энергетическими уровнями, ёмкость кубита тоже организована в виде ВШП. Целью исследования было показать, что он может взаимодействовать с резонатором, возбуждаясь и релаксируя, как квантовый объект. Измерения проводились в криостате, охлаждённом до десятков милликельвин.
Характерным эффектом для квантового режима является так называемое антипересечение, или квазипересечение, энергетических уровней (см. рисунок 4). Частотой перехода кубита можно управлять с помощью внешнего магнитного поля — для этого у трансмона есть СКВИД-магнетометр. Там, где частота резонатора совпадает с частотой перехода кубита, происходит расщепление в энергетическом спектре кубита: при одном значении магнитного потока имеются две характерных частоты перехода. Учёные пронаблюдали это явление в созданном ими чипе и доказали, что трасмон и акустический резонатор взаимодействуют в квантовом режиме.
Основная глобальная цель — показать, что явления и эффекты квантовой оптики работают на акустике. Кроме того, это альтернативный путь к созданию квантового компьютера. Хотя на микроволновых интерфейсах собирают уже по 50 кубитов и акустическим пока до этого далеко, у квантовой акустики много преимуществ, которые могут пригодиться в будущем.
Кроме сотрудников лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ, в работе принимали участие учёные из МИСиС, МГПУ, Лондонского университета.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и Министерства образования и науки РФ на технологическом оборудовании МФТИ.
ВОЗБУЖДЕНИЕ РЕЗОНАТОРА ФАБРИ–ПЕРО ЧЕРЕЗ ЗАПРЕДЕЛЬНЫЕ КОАКСИАЛЬНО-СЕКТОРНЫЕ ОТВЕРСТИЯ
Ю. В. Антоненко, А. В. Грибовский / Возбуждение резонатора Фабри–Перо…
_________________________________________________________________________________________________________________
25
частотно-селективные свойства резонатора Фабри–
Перо, образованного плоскими экранами конеч-
ной толщины с коаксиально-секторными отверс-
тиями. Выявлен и объяснен резонанс полного
прохождения плоской линейно поляризованной
электромагнитной волны через запредельные
коаксиально-секторные отверстия в зеркалах ре-
зонатора. Установлено, что в этом случае проис-
ходит очень сильная локализация электромагнит-
ного поля в объеме резонатора. Амплитуда электро-
магнитной волны в резонаторе на резонансной
частоте может достигать очень больших значе-
ний, ее величина при определенных условиях
может превышать амплитуду возбуждающего
поля более чем в 25 раз. Данные уникальные
свойства резонатора Фабри–Перо с коаксиально-
секторными отверстиями в зеркалах могут найти
применение в различных областях современного
приборостроения.
Библиографический список
1. Tronciu V. Z., Wünsche H. J., Wolfrum M., Radziunas M.
Semiconductor Laser under Resonant Feedback from a Fabry-
Perot Resonator: Stability of Continuous-Wave Operation.
Phys. Rev. E. 2006. Vol. 73, N 4. P. 046205(7).
2. Neumann N., Ebermann M., Kurth S., Hiller K. Tunable Infra-
red Detector with Integrated Micromachined Fabry-Perot Fil-
ter. J. Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS. 2008.
Vol. 7, N 2. P. 021004(9).
3. Ge Zhi-Chen, Zhang Wen-Xun, Liu Zhen-Guo, Gu Ying-Ying.
Broadband and High-Gain Printed Antennas Constructed from
Fabry-Perot Resonator Structure Using EBG or FSS Cover.
Microwave and Optical Technology Lett. 2006. Vol. 48, N 7.
P. 1272–1274.
4. Sauleau R., Coquet P., Matsui T., and Daniel J.-P. A New
Concept of Focusing Antennas Using Plane-Parallel Fabry-
Perot Cavities with Nonuniform Mirrors. IEEE Trans. Anten-
nas and Propagation. 2003. Vol. 51, N 11. P. 3171–3175.
5. Aref S. H., Latifi H., Zibaii M. I., Afshari M. Fiber Optic
Fabry-Perot Pressure Sensor With Low Sensitivity to Temper-
ature Changes for Downhole Application. Optics Communica-
tions. 2007. Vol. 269, N 2. P. 322–330.
6. Zvanovec S., Piksa P., Cerny P., Mazanek M., Pechac P.Gas
Attenuation Measurement by Utilization of Fabry-Perot Reso-
nator. The Second European Conference on Antennas and
Propagation (EuCAP): proc. (Edinburgh, 11–16 November
2007). EICC, Edinburgh, UK, 2007.
7. Власов С. Н., Паршин В. В., Серов Е. А. Методы исследо-
вания тонких диэлектрических пленок в миллиметровом
диапазоне. Журнал технической физики. 2010. Т. 80,
№ 12. С. 73–79.
8. Guérin N., Enoch S., Tayeb G., Sabouroux P., Vincent P., and
Legay H. A Metallic Fabry-Perot Directive Antenna. IEEE
Trans. Antennas and Propagation. 2006. Vol. 54, N 1.
P. 220–224.
9. Морозов А. Н. Применение интерферометра Фабри–Перо
для регистрации высокочастотных флуктуаций метрики
пространства–времени. Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана.
Сер. Естественные науки. 2012. № 5. С. 29–38.
10. Грибовский А. В., Кузьмичев И. К. Резонатор Фабри–
Перо, образованный двумя экранами с прямоугольными
отверстиями. Радиофизика и радиоастрономия. 2016.
Т. 21, № 1. С. 58–64.
11. Lytvynenko L. M. and Prosvirnin S. L. Wave Diffraction by
Periodic Multilayer Structure. Cambridge Scientific Publ.,
2012. 158 p.
12. Антоненко Ю. В., Грибовский А. В. Поляризационные и
частотно-селективные характеристики двойного экрана
конечной толщины с коаксиально-секторными отверстия-
ми. Радиофизика и радиоастрономия. 2012. Т. 17, № 3.
С. 276–281.
13. Грибовский А. В, Мангушина Ю. В. Характеристики
излучения активной ФАР из коаксиально-секторных вол-
новодов. Физика волновых процессов и радиотехнические
системы. 2010. Т. 13, № 2. С. 24–29.
REFERENCES
1. TRONCIU, V. Z., WÜNSCHE, H. J., WOLFRUM, M. and
RADZIUNAS, M., 2006. Semiconductor Laser under Reso-
nant Feedback from a Fabry-Perot Resonator: Stability of
Continuous-Wave Operation. Physical Review E. vol. 73,
no. 4, pp. 046205(7). DOI: 10.1103/PhysRevE.73.046205
2. NEUMANN, N., EBERMANN, M., KURTH, S. and
HILLER, K., 2008. Tunable Infrared Detector with Integrated
Micromachined Fabry-Perot Filter. J. Micro/Nanolithography,
MEMS, and MOEMS. vol. 7, no. 2, pp. 021004(9).
DOI: 10.1117/1.2909206
3. ZHI-CHEN GE, WEN-XUN ZHANG, ZHEN-GUO LIU and
YING-YING GU, 2006. Broadband and High-Gain Printed
Antennas Constructed from Fabry-Perot Resonator Structure
Using EBG or FSS Cover. Microwave and Optical Technology
Lett. vol. 48, no. 7, pp. 1272–1274. DOI: 10.1002/mop.21674
4. RONAN SAULEAU, PHILIPPE COQUET, TOSHIAKI
MATSUI and JEAN-PIERRE DANIEL, 2003. A New Con-
cept of Focusing Antennas Using Plane-Parallel Fabry-Perot
Cavities with Nonuniform Mirrors. IEEE Trans. Antennas
and Propagation. vol. 51, no. 11, pp. 3171–3175.
DOI: 10.1109/TAP.2003.818795
5. AREF, S. H., LATIFI, H., ZIBAII, M. I. and AFSHARI, M.,
2007. Fiber Optic Fabry-Perot Pressure Sensor with Low Sen-
sitivity to Temperature Changes for Downhole Application.
Optics Communications. vol. 269, no. 2, pp. 322-330. DOI:
10.1016/j.optcom.2006.08.009
6. ZVANOVEC, S., PIKSA, P., CERNY, P., MAZANEK, M.
and PECHAC, P., 2007. Gas Attenuation Measurement by
Utilization of Fabry-Perot Resonator. In: The Second European
Conference on Antennas and Propagation, EuCAP. EICC,
Edinburgh, UK, 11–16 November. DOI: 10.1049/ic.2007.1557
7. VLASOV, S. N., PARSHIN, V. V. and SEROV, E. A., 2010.
Methods of Research of Thin Dielectric Films in the Millime-
ter Range. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki. vol. 80, no. 12,
pp. 73–79 (in Russian).
8. NICOLAS GUÉRIN, STEFAN ENOCH, GÉRARD TAYEB,
PIERRE SABOUROUX, PATRICK VINCENT and HERVÉ
LEGAY, 2006. A Metallic Fabry-Perot Directive Antenna.
IEEE Trans. Antennas and Propagation. vol. 54, no. 1,
pp. 220–224. DOI: 10.1109/TAP.2005.861578
9. MOROZOV A. N., 2012. Fabry-Perot Interferometer for
Recording High-Frequency Fluctuations of Space-Time Met-
ric. Vestnik MGTU im. N. E. Baumana. Ser. Estestvennye
nauki. no. 5, pp. 29–38 (in Russian).
10. GRIBOVSKY, A. V. and KUZ’MICHEV, I. K., 2016. Fabry-
Perot Resonator Formed by Two Screens with Rectangular
Holes. Radiofizika i radioastronomiya. vol. 21, no. 1, pp. 58–
64 (in Russian).
11. LYTVYNENKO, L. М. and PROSVIRNIN, S. L., 2012.
Wave Diffraction by Periodic Multilayer Structure. Cam-
bridge Scientific Publ.
12. ANTONENKO, J. V. and GRIBOVSKY, A. V., 2012. Polari-
zation and Frequency-Selective Properties of a Double Screen
of Finite Thickness with Coaxial-Sector Aperture. Radiofizika
i radioastronomiya. vol. 17, no. 3, pp. 276–281 (in Russian).
Фотоника – научно-технический журнал – Фотоника
Для обеспечения равномерного распределения потока излучения поверхность делителя пучка выполнена оригинальным способом: на поверхности пластины методом микрообработки сформированы микропирамиды или V-образные канавки, расположенные с шагом 100–150 мкм. Узкополосные фильтры ИК-излучения помещены в кассету, имеющую форму усеченной четырехугольной пирамиды. Угол наклона граней микропирамид и сторон кассеты с фильтрами составляет 30°, что гарантирует падение отраженных лучей на поверхность фильтра под прямым углом. Перестраиваемый фильтр представляет собой микроэлектромеханическую систему (МЭМС, MEMS) с резонатором Фабри-Перо. Держатели зеркал резонатора имеют сравнительно большую толщину; один держатель неподвижен, а второй подвешен на пружинах с компенсирующими элементами. Регулирование воздушного зазора между зеркалами резонатора осуществляется электростатическим полем: управляющее напряжение подается между верхним зеркалом и электродом на нижнем держателе. Были изготовлены фильтры с коротким и длинным резонатором для спектральных диапазонов длин волн 5,0–3,7 мкм и 4,3–3,0 мкм соответственно. Пироэлектрические кристаллы покрыты слоем черного поглощающего материала и обладают плоской спектральной характеристикой. Датчики с делителем пучка позволяют анализировать состав газовой смеси по нескольким компонентам одновременно, тогда как датчики с перестраиваемым фильтром определяют содержание компонентов газовой смеси последовательно. ВведениеВ основе работы ИК-газоанализаторов лежит свойство газов селективно поглощать ИК-излучение определенных длин волн. Концентрация того или иного газа определяется путем измерения величины ослабления излучения с определенными длинами волн, которые соответствуют электронным переходам в молекулах обнаруживаемого газа. На рис.1 представлен спектр селективного поглощения ИК-излучения в диапазоне длин волн от 3 до 5 мкм для монооксида углерода, диоксида углерода, пропана, метана и оксида азота (I).
Методы анализа спектра излучения широкополосных излучателей с помощью оптических фильтров играют важную роль в задачах газового анализа в промышленности и медицине. Достаточно часто использование фотометров с оптическими фильтрами относят к числу недисперсионных методов анализа. Это не совсем верно, поскольку действие фильтров основано на явлении интерференции [2].
Схема газоанализатора (рис.2) включает: пробоотборную камеру, в которую закачивается исследуемая газовая смесь, источник ИК-излучения и датчик измерения количества поглощенного излучения. Пироэлектрические датчики находят широкое применение благодаря таким преимуществам, как возможность работы при комнатной температуре без охлаждения, высокой надежности, линейному характеру спектральной чувствительности и низким эксплуатационным затратам. Узкополосные фильтры ИК-излучения выбирают в зависимости от анализируемых веществ. Полоса пропускания фильтра намного шире отдельной линии поглощения и может составлять несколько процентов от центральной длины волны. Например, для измерения содержания CO2 обычно используют фильтр с центральной длиной волны 4,26 мкм и полосой пропускания от 90 до 180 нм (см. рис.1). Зачастую дополнительно используют сравнительный (эталонный) измерительный канал для компенсации погрешностей измерений, связанных с изменениями интенсивности излучения, создаваемого ИК-излучателем.
Для одновременного измерения концентрации нескольких компонентов в многокомпонентных газовых смесях разработано множество различных методов. Один из наиболее распространенных – фотометрический метод анализа с использованием диска со светофильтрами. Каждый фильтр пропускает излучение только с теми длинами волн, которые соответствуют спектру поглощения одного из компонентов газовой смеси. Фильтры поочередно устанавливаются на выходе пробоотборной камеры, и в результате формируется мультиплексированный сигнал, содержащий информацию о концентрации всех компонентов газовой смеси.
Тем не менее, метод анализа с использованием диска со светофильтрами имеет ряд недостатков, как то: большие размеры конструкции, высокое энергопотребление, чувствительность к механическим воздействиям и износ механических компонентов. Датчики с отдельными спектральными каналами лишены этих недостатков. Казалось бы, самое простое решение – поместить несколько приемников излучения в один корпус и получить многоканальный датчик. Однако при этом узкополосные фильтры будут расположены в одной плоскости. Следовательно, потребуется газовая кювета большего диаметра. Может возникнуть и другая проблема – неравномерность потока излучения, вызванная изменениями отражающей способности стенок кюветы или смещением источника излучения. Компания InfraTec предлагает два типа датчиков, конструкция которых исключает появление подобной проблемы. Это: многоканальный датчик со встроенным делителем пучка излучения и датчик с изменяемой полосой пропускания на основе перестраиваемого фильтра Фабри-Перо.
Многоканальный датчик
Принцип действия многоканального датчика со встроенным делителем пучка показан на рис.4. Проходящий через апертурную диафрагму поток ИК-излучения попадает на делитель пучка и разделяется на четыре части. Каждый отраженный пучок проходит через ИК-фильтр и падает на пироэлектрический приемник. Делители пучка представляют собой пластины, на поверхности которых методом микрообработки сформированы микроструктуры, расположенные с шагом 100 или 150 мкм для обеспечения равномерного распределения потока излучения. Поверхность делителей пучка позолочена. Фильтры установлены под определенным углом, чтобы отраженное излучение падало на них перпендикулярно. Такая конструкция предотвращает смещение кривой пропускания фильтра в область более коротких волн и исключает влияние противоположного фильтра.
В отличие от других многоканальных датчиков, у датчика с делителем пучка всего одна апертурная диафрагма, что позволяет использовать газовую кювету меньшего диаметра и, следовательно, пробы меньшего объема. Это в свою очередь ускоряет процесс обновления пробы газа и позволяет использовать сенсорные модули меньшего размера. Помимо четырехканальных датчиков с делителями пучка в виде четырехугольных микропирамид, компания InfraTec выпускает двухканальные датчики с делителями пучка с микроструктурой в виде V-образных канавок. На рисунках 5 (а) и 5 (б) представлены снимки поверхности делителя пучка в двухканальном и четырехканальном датчике, полученные с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ). Несмотря на то, что шаг расположения V-образных канавок и пирамид варьируется от 100 до 150 мкм, угол наклона граней всегда постоянный и составляет 30°. При изготовлении важно получить очень острые грани, чтобы минимизировать отклонения величины угла отражения от 30°.
На рис.6 показано пространственное распределение чувствительности отдельного канала датчика с разными типами делителей пучка. Измерения проводились путем сканирования апертуры 2,5 мм лазерным пятном диаметром 100 мкм. Слева на рисунке показано распределение чувствительности при использовании делителя пучка в виде структуры из пирамид размером 10 × 10 и кассеты с фильтрами с углом наклона сторон 30°. В центре показано распределение чувствительности при использовании делителя пучка в виде структуры из пирамид размером 4 × 4 и кассеты с фильтрами с углом наклона сторон 30°. Справа показано распределение чувствительности при использовании делителя пучка в виде одной четырехугольной пирамиды и кассеты с фильтрами с углом наклона сторон 15°. Делитель пучка в виде структуры из микропирамид размером 4 × 4 не обеспечивает требуемой однородности чувствительности, тогда как при использовании структуры из микропирамид размером 10 × 10 происходит надлежащее образование отдельных пучков излучения, что в свою очередь обеспечивает достаточную однородность чувствительности. По рисунку справа можно сделать заключение о полной непригодности конструкции с одной пирамидой и кассетой, в которой на фильтр дополнительно попадает часть отраженного излучения с противоположного фильтра. При таком распространении лучей возникают паразитные сигналы.
Датчик с перестраиваемым фильтром
Принцип действия датчика с перестраиваемым фильтром схематически показан на рис.7. Перестраиваемый фильтр представляет собой микроэлектромеханическую систему (МЭМС, MEMS) с резонатором Фабри-Перо. Держатели зеркал резонатора имеют сравнительно большую толщину; один держатель неподвижен, а второй подвешен на пружинах и может перемещаться по вертикали. Пластины с вытравленными элементами МЭМС и специальным покрытием соединяются непосредственно друг с другом или разделяются слоем фоторезиста SU-8. Такая конструкция имеет среднюю сложность изготовления. Регулирование воздушного зазора между зеркалами резонатора осуществляется электростатическим полем: управляющее напряжение подается между верхним зеркалом и электродом на нижнем держателе.
Перестраиваемый фильтр установлен над пироэлектрическим приемником, обладающим плоской характеристикой спектральной чувствительности (рис.8). Приемник и перестраиваемый фильтр заключены в корпус TO-8 с широкополосным оптическим фильтром. Широкополосный оптический фильтр пропускает только излучение с длинами волн, лежащими в диапазоне перестройки фильтра Фабри-Перо, и блокирует более высокие порядки интерференции и длинноволновое излучение.
Ключевым элементом перестраиваемого фильтра ИК-излучения является стандартный интерферометр Фабри-Перо, выполненный по технологии MEMS (МЭМС – микроэлектромеханические системы). Он представляет собой оптический резонатор, состоящий из двух параллельных зеркал, расположенных на расстоянии d друг от друга. Среда между зеркалами имеет показатель преломления n. Изменяя расстояние между зеркалами, можно регулировать положение полосы пропускания фильтра. На рис.9 схематически показан принцип действия резонатора и изображена зависимость пропускания интерферометра от длины волны λ.
Для перестройки фильтра между 5 мкм и 3 мкм требуется порядок интерференции m = 1 и изменение расстояния между зеркалами резонатора d приблизительно с 2 500 нм до 1 500 нм. Для полос пропускания 100–50 нм требуется точность (отношение FSR к FWHM) от 40 до 80 или отражательная способность зеркал от 92 до 96% соответственно.
Для создания широкополосных отражателей обычно используют распределенные брэгговские отражатели (РБО) [3]. Брэгговские отражатели получают чередованием слоев из материалов с низким (L) и высоким (H) показателем преломления. Оптическая толщина каждого слоя равна четверти длины волны (QWOT, Quarter-Wave Optical Thickness). Таким образом формируются периоды чередования LH (период РБО). Для того чтобы создать широкую зону с большим коэффициентом отражения в диапазоне длин волн от 3 до 5 мкм даже с малым периодом РБО, необходимо использовать тонкие пленки с максимально возможным отношением показателей преломления nH/nL. На рис.10 представлена зависимость коэффициента отражения брэгговских отражателей с разным числом периодов чередования от отношения показателей преломления nH/nL для опорной длины волны 3,5 мкм. Кроме того, для отражателя с периодом 2 показана зависимость ширины полосы пропускания (при коэффициенте отражения 90%) от отношения показателей преломления nH/nL.
Для изготовления отражателей в качестве материала с низким показателем преломления был использован диоксид кремния с показателем преломления 1,38 при длине волны 4 мкм, а в качестве материала с высоким показателем преломления был использован поликристаллический кремний с показателем преломления 3,33 при длине волны 4 мкм. Для получения слоев был использован метод химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ, CVD, Chemical Vapor Deposition). Большая величина отношения показателей преломления nH/nL, равная 2,41, позволила уже из двух пар слоев |LH|2 получить широкую зону с большим коэффициентом отражения для диапазона длин волн 3–5 мкм. Средний и максимальный коэффициенты отражения составили 95% и 96% соответственно [4].
При увеличении числа периодов РБО до трех средний и максимальный коэффициенты отражения увеличиваются до 98% и 99% соответственно, а характеристика зоны с высоким коэффициентом отражения принимает более прямоугольную форму (см. рис. 11). Однако при этом в структуре из трех пар слоев увеличивается шероховатость поверхности пленок, из-за чего заметно снижается производительность [5]. В связи с этим в качестве брэгговского отражателя была выбрана структура с двумя парами слоев |LH|2, а спектральный диапазон 3–5 мкм был разделен на два поддиапазона: 3,0–4,3 мкм и 3,7–5,0 мкм.
На обратную сторону пластины было нанесено просветляющее покрытие для уменьшения потерь на отражение и пульсаций в области с высоким коэффициентом отражения, вызванных многократными отражениями в кремниевой подложке. Как можно видеть на рис.12а, просветляющее покрытие с одним четвертьволновым слоем дает минимальный коэффициент отражения только при опорной длине волны. Многослойная структура, наоборот, увеличивает коэффициент пропускания в более широком диапазоне длин волн. В этой конструкции используется только четвертьволновый слой диоксида кремния в качестве первого слоя и тонкие пленки диоксида кремния и поликристаллического кремния, в которых выполняется условие nd << λ, для обеспечения среднего значения коэффициента отражения [6].
Трехслойное просветляющее покрытие на основе пленок высокой чистоты имеет средний коэффициент отражения 0,6% во всем спектральном диапазоне 3–5 мкм. Минимальный коэффициент отражения составляет 0,3%. На рисунке 12б также можно видеть, что вне области опорной длины волны многослойное просветляющее покрытие уменьшает амплитуду пульсаций и увеличивает коэффициент пропускания намного лучше, чем однослойное просветляющее покрытие.
Для достижения оптимальных условий интерференции фильтр Фабри-Перо изготовлен с применением технологии объемной микрообработки. Оправки обоих зеркал (неподвижного и подвижного) изготовлены из кремниевых пластин толщиной 300 мкм с высоким удельным сопротивлением. Неподвижный отражатель находится в центре и окружен управляющими электродами. Подвижный отражатель удерживается диагонально направленными пружинами, расположенными в углах внешней рамки. Было изготовлено несколько различных подвижных отражателей на пружинах для определения оптимальной конструкции с точки зрения максимального диапазона перестройки фильтра, минимального влияния силы тяжести на центральную длину волны и ширину полосы пропускания, минимального отклонения отражателей от параллельности под действием механических напряжений, а также невысокой сложности изготовления [7]. Конструкция с параллельными пружинами обеспечивает почти идеальное перемещение в вертикальном направлении. Но это только при отсутствии механических напряжений и деформаций в плоскости пластины. Напряжения в продольном направлении не компенсируются пружинами. Они приводят к деформации пружины в вертикальном направлении, как показано на рис.13.
Одним из вариантов решения данной проблемы является использование пружин с компенсаторами механических напряжений, как показано на рис.14а, б. T-образные компенсаторы способствуют уменьшению механических напряжений в продольном направлении, поскольку могут изгибаться в поперечном направлении. Преимуществами такой конструкции являются простота и надежность технологии, большая свобода выбора параметров конструкции и высокая точность изготовления пружин. Технология сухого травления позволяет изготавливать миниатюрные пружины с очень малой шириной прорезей. Следовательно, пружины будут занимать очень мало места даже в фильтрах со сложной конфигурацией, и для электростатического управления может быть использована большая площадь пластины. В сочетании с жидкостным травлением для регулирования толщины пружины можно с высокой точностью изготавливать конструкции требуемой массы.
Результаты измерения коэффициентов пропускания фильтров с коротким и длинным резонатором, представленные на рис.15, 16, подтверждают, что при использовании такой конструкции фильтра достигается высокий коэффициент пропускания и узкая полоса пропускания. Значения FWHM для фильтров с длинным и коротким резонатором составили, соответственно, 100±20 нм и 80±20 нм. Зависимость центральной длины волны от напряжения имеет вид стандартного графика функции квадратного корня. Уменьшение коэффициента пропускания во время перестройки фильтра происходит из-за отклонения подвижного отражателя от горизонтального положения, которое можно объяснить разной жесткостью пружин и неоднородностью электрического поля. Использование в конструкции фильтра пружин с компенсирующими элементами позволило добиться диапазона перестройки около 1300 нм при максимальном управляющем напряжении 27 В.
Сравнение пироэлектрических датчиков с несколькими фильтрами (многоканальных) и с перестраиваемым фильтром
Датчики обоих типов могут работать в схемах (режимах) с усилением тока, и с усилением напряжения. Соответствующие схемы представлены на рис.17. При идентичных основных условиях работы удельная способность обнаружения D* пироэлектрических датчиков в обоих режимах одинакова. Тем не менее, режим с усилением тока имеет некоторые преимущества, поэтому для датчиков с перестраиваемым фильтром данный режим является предпочтительным. АЧХ достаточно плоская вплоть до частоты среза, которая может лежать в диапазоне от 10 до 1000 Гц [8].
В многоканальных датчиках поток излучения, проходящий через апертурную диафрагму, разделяется на две или четыре части. Однако процессы разделения пучка излучения и спектральной фильтрации происходят одновременно. В датчиках с перестраиваемым фильтром спектральная фильтрация происходит последовательно, так как анализу подвергается весь поток излучения, проходящий через апертурную диафрагму. Узкополосные фильтры в многоканальных датчиках также основаны на конструкции фильтра Фабри-Перо. В них также используется резонатор с отражателями на основе четвертьволновых (QWOT) диэлектрических слоев. В отличие от перестраиваемого фильтра Фабри-Перо, узкополосные фильтры могут содержать несколько связанных резонаторов. Таким образом получается более прямоугольная характеристика пропускания, что в свою очередь обеспечивает лучшее согласование со спектрами поглощения отдельных газов.
Многоканальные пироэлектрические датчики лучше подходят для анализа смесей из нескольких известных газов. Типичными примерами успешного применения таких датчиков являются мониторы анестетических газов и аппараты для исследования функции легких. Датчики с перестраиваемым фильтром обеспечивают более высокий уровень эксплуатационной гибкости газоанализатора и позволяют проводить анализ сложных газовых смесей со смежными или перекрывающимися спектрами поглощения. При испытаниях датчиков были успешно измерены концентрации отдельных газов, таких как пары этанола и углекислого газа, и проведен анализ газовой смеси, содержащей метан, пропан и анестезирующие газы. Далее приведена сводная таблица сравнения многоканальных и перестраиваемых датчиков.
ЛИТЕРАТУРА
1. MolExplorer 3.6, Copyright 2006 PASTECH GmbH
2. Staab J. Industrielle Gasanalyse. – Oldenbourg, München und Wien, 1994.
3. Macleod H.A. Thin-Film optical filters. – IoP, Bristol and Philadelphia, 2001.
4. Kurth S., Hiller K., Neumann N., Heinze M., W.Dötzel, Geßner T. A tunable Fabry-Perot-Interferometer for 3–5 µm wavelength with bulk micromachined reflector carrier. – Proc. SPIE, 2003, v. 4983, 215–226.
5. Neumann N., Hiller K., Kurth S. Micromachined Mid-Infrared Tunable Fabry-Perot Filter. – Proc. 13th Int.Conf. on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, 2005, 1010–1013 Seoul, Korea, June.
6. Stockwell W.H. Coating design using very thin high- and low-index layers. – Appl. Optics, 1985, 24 (4), 457–460.
7. Neumann N., Ebermann M., Hiller K., Kurth S. Tunable infrared detector with integrated micromachined Fabry-Perot filter. – Proc. SPIE, 2007, v. 6466, 646606, p. 1–12.
8. Neumann N., Stegbauer H. – J., Sänze H., Gürtner M., Schneider F. Application of fast response dual-colour pyroelectric detectors with integrated op amp in a low power NDIR gas monitor. – Proc. 8th Int. Conf. for Infrared Sensors and systems, 2004, IRS2, 183–188, Nuremberg, Germany, May.
Характеристика мод высших гармоник в органических светодиодах с микрорезонаторами Фабри – Перо
Электролюминесценция микрополостных OLED
Эмиссия перпендикулярно микрополости
Показаны прямые спектры излучения микрорезонаторов OLED с пятнадцатью различными толщинами резонаторов от 99 до 362 нм на рис. 2. Спектр излучения OLED на основе ITO с излучателем \ (\ hbox {Alq} _3 \) показан (верхний спектр, сплошная черная линия) для справки. Полость толщиной 99 нм демонстрирует электролюминесценцию с пиком излучения при 488 нм и полной шириной на полувысоте (FWHM) 23 нм, по сравнению с полушириной примерно 100 нм для OLED без микрополости.По мере того, как полость становится все толще до 182 нм, пик излучения смещается в красную область в видимом спектре со сравнимой полушириной. Эти пики излучения представляют собой перекрытие моды резонатора \ (\ lambda / 2 \) со спектром люминесценции \ (\ hbox {Alq} _3 \). При толщине полости 182 нм пик резонансной моды лежит на длине волны 730 нм, на которой \ (\ hbox {Alq} _3 \) практически не имеет интенсивности люминесценции. Тем не менее, микрополость вызывает электролюминесценцию в этом диапазоне длин волн за счет резонансной связи с модой резонатора \ (\ lambda / 2 \).
Спектр резонатора 182 нм также демонстрирует широкополосный пик излучения с центром на 548 нм, отражающий спектр излучения в свободном пространстве \ (\ hbox {Alq} _3 \). Это излучение требует объяснения. Широкополосное излучение, вероятно, не присутствовало в микрополости, а было связано с краевыми эффектами. На некоторых (менее 20%) OLED-дисплеев с микрорезонаторами недостаточное контактное давление между теневой маской и подложкой во время испарения Al привело к появлению небольших сужающихся краев электрода. Несмотря на небольшую площадь, эти более тонкие зеркальные поверхности были более прозрачными и имели широкополосное излучение.Эта краевая утечка очевидна только в микрополости 182 нм, поскольку резонансное излучение сравнительно слабое. Устройство выглядит красным с тонкими оранжевыми линиями по краям пикселей.
Дальнейшее увеличение толщины резонатора позволяет напрямую прокачивать режимы \ (\ lambda \) и \ (3 \ lambda / 2 \). Микрополости толщиной от 230 до 304 нм демонстрируют резонансные пики моды \ (\ lambda \), охватывающие видимый спектр с FWHM между 9 и 13 нм. Самые толстые микрополости позволяют голубому хвосту спектра излучения \ (\ hbox {Alq} _3 \) накачивать моду \ (3 \ lambda / 2 \) и иметь расстояние от 324 до 362 нм между двумя отражающими зеркалами.Каждый из этих пиков излучения имеет FWHM примерно 7 нм.
Пиковая длина волны спектров нормального излучения и полная ширина пиков излучения показывают сильную взаимосвязь с толщиной резонатора. Как предсказано уравнением. (1) максимальная длина волны излучения моды резонатора показывает линейную зависимость от толщины резонатора, а наклон линейного тренда обратно пропорционален индексу моды \ (j = 1, \ 2, \) и 3. Больше Поэтому моды порядка менее чувствительны к изменениям толщины.Эту тенденцию можно увидеть на рис. 3а, где максимальная длина волны излучения, нормальная к структуре микрополости, представлена как функция толщины резонатора.
Рис. 3( a ) Пиковая длина волны излучения в зависимости от толщины. Пунктирная линия представляет идеальную классическую теорию уравнения. (1) с предполагаемым показателем преломления \ (n = 1,8 \), а сплошные линии включают глубину проникновения 40 нм и 27 нм в Ag и Al с использованием уравнения. (6). ( b ) Зависимость коэффициента качества от толщины микрополости.Пунктирные линии рассчитываются по формуле. (8) предполагая \ (R_1 \ times R_2 \ приблизительно 0,8 \) (см. Дополнительный рисунок S4).
Хотя общая тенденция, наблюдаемая на рис. 3а, соответствует идеальной классической теории, наши микрополости не представляют собой идеальные эталоны Фабри – Перо и демонстрируют некоторые отклонения от ожидаемого поведения. Как показывают рассчитанные внутренние электрические поля на рис. 1а, электрическое поле в каждой полости затухает в конечной области отражающих зеркал из Ag и Al. Длина затухания поля составляет значительную часть резонансной длины волны из-за чрезвычайно малого расстояния между зеркалами в микрополостях.Это приводит к отклонению от идеальной линейности и наклона, определенных в формуле. (1), особенно вблизи минимумов мод. Наши результаты указывают на асимптотическое поведение на нижних границах мод из-за связанной зависимости глубины скин-слоя и резонансной длины волны 28,29 . Эта взаимозависимость обусловлена непрерывностью электрического поля и его первой производной на границах раздела в соответствии с уравнениями Максвелла.
Режимы более высокого порядка также демонстрируют значительное сужение полосы пропускания с увеличением j .{1/4}} {1- \ sqrt {R_1R_2}} \ Bigg] \ end {align} $$
(8)
, что указывает на то, что добротность зависит только от индекса моды резонатора j и отражательной способности металлических электродов. На рисунке 3b показан коэффициент качества каждого из спектров OLED микрорезонатора, показанных на рисунке 1, в зависимости от толщины резонатора. Коэффициент качества показывает ступенчатую зависимость от индекса моды, а агрегированные данные показывают отношение \ (Q / j = 24,4 \ pm 3,3 \).
Электролюминесцентная спектроскопия с угловым разрешением
Излучение света с верхней поверхности микрорезонатора OLED демонстрирует сильную угловую зависимость, проявляющуюся как видимый сдвиг цвета под разными углами наблюдения. Электролюминесцентная спектроскопия с угловым разрешением (ARES) выявляет излучение OLED с микрорезонаторами под разными углами относительно нормального излучения, описанного выше. На рисунке 4 показаны экспериментальные и смоделированные данные ARES для трех микрополостей, представляющих резонансные режимы \ (\ lambda / 2 \), \ (\ lambda \) и \ (3 \ lambda / 2 \).{\ circ} \) угол излучения экспериментальных графиков представляет те же спектры, что и на рис. 2, для устройств с толщиной резонатора 113 нм, 282 нм и 362 нм.
Рис. 4Экспериментальные (справа) и смоделированные (слева) данные ARES для резонатора толщиной 113 нм, представляющего режим \ (\ lambda / 2 \), 282 нм, режим \ (\ lambda \), и 362 нм, \ (3 \ lambda / 2 \) режим.
Данные ARES отражают выход волноводных мод внутри микрополости в зависимости от угла излучения.Внутри микрополости распространяющиеся моды имеют резонансную длину волны, которая зависит от угла:
$$ \ begin {align} \ frac {j \ lambda _j} {2} = nd \ cos \ theta \ qquad j = 1, 2, 3, \ dots \ end {align} $$
(9)
, который сходится к формуле. (1) для резонансной моды перпендикулярно оси полости при \ (\ theta = 0 \). На рис. 4 показано смещение резонансного излучения в сторону более коротких волн с увеличением угла обзора. Выход света из микрополости определяется зависимыми от поляризации уравнениями Френеля с двумя значительными эффектами на спектры излучения под большими углами: отклонением от пропорциональности \ (\ lambda _j \ propto \ cos \ theta \) и ласточкой. {\ circ} \) по отношению к оси вращения угла обзора, как показано на дополнительном рисунке S3. .
Вычислительная модель, описанная в разделе «Вычислительное моделирование излучения OLED в микрорезонаторах», была использована для моделирования ARES-диаграмм устройств с микрорезонаторами, и результаты показаны в левой части рис. 4. Модель предсказывает все экспериментальные наблюдения, включая зависимость длины волны пика излучения, ширины полосы и поляризации от толщины резонатора и угла обзора. Эта модель представляет собой надежный инструмент моделирования для прогнозирования излучения от излучающих диполей, взаимодействующих с несколькими диэлектрическими и металлическими плоскостями, и будет сделана общедоступной по запросу.{\ circ} \) в первую очередь из-за перекрытия резонансной моды со спектром излучения в свободном пространстве \ (\ hbox {Alq} _3 \), который достигает максимума между 525 и 535 нм.
\ (\ hbox {Alq} _ {3} \) OLED может одновременно накачивать два режима резонатора. 2} \ end {выравнивается} $$
(10)
где V – потенциал взаимодействия, \ (E _ {\ mathrm {Ex}} \) и \ (E _ {\ mathrm {m}} \) – энергии фотонов экситона и резонатора, а \ (\ gamma _ {\ mathrm {Ex}} \) и \ (\ gamma _ {\ mathrm {m}} \) – соответствующие ширины линий 7,31 .Расщепление Раби может наблюдаться вблизи условия резонанса (\ (E _ {\ mathrm {Ex}} \ приблизительно E _ {\ mathrm {m}} \)), если выполняется условие скорости распада:
$$ \ begin {выровнено} 2 | V |> | \ gamma _ {\ mathrm {Ex}} – \ gamma _ {\ mathrm {m}} | \ end {align} $$
(11)
Сильная связь ранее наблюдалась в электролюминесценции от OLED, где эмиттер состоит из эмиттера красителя J-агрегата в многослойной сверхрешетке с полиэлектролитом, что приводит к высокоупорядоченным одномерным экситонам 32,33, 34 .Такая система демонстрирует сильное излучение и поглощение с минимальным стоксовым сдвигом и малой шириной линии, сравнимой с модой резонатора. В этой работе мы не видим свидетельств сильной связи. \ (\ hbox {Alq} _3 \) показывает стоксов сдвиг 840 мэВ, и поэтому наши резонаторы настроены далеко от состояния резонанса 35 . Кроме того, мы не считаем, что сильная связь наблюдалась бы при пропускании или отражении, если бы резонаторы были настроены на резонанс на пике поглощения 3,17 эВ \ (\ hbox {Alq} _3 \), поскольку ширина линии \ (\ hbox {Alq} _3 \) экситонный пик составляет примерно 500 мэВ.{\ circ} \). Устройства в режимах \ (\ lambda \) и \ (3 \ lambda / 2 \) излучают в 10 и 8 раз меньше света, потребляя при этом в 2,2 и 2,8 раза больше энергии по сравнению с устройствами в режиме \ (\ lambda / 2 \). Следовательно, КПД в \ (\ sim 22 \) раз ниже, поскольку омические потери в более толстых устройствах приводят к избыточному потреблению энергии в виде джоулева нагрева, как будет обсуждаться ниже. Сила дипольных эмиттеров и эффективность вывода сильно зависят от положения диполя в микрополости, которая является предметом продолжающихся исследований.{2} \).
Воспринимаемый цвет излучения
Цвет OLED-дисплеев с микрорезонаторами, воспринимаемый человеческим глазом, количественно определяется функциями согласования цветов CIE 1931. Координаты цветности x и y и общая яркость Y вычисляются из интегралов перекрытия функций согласования цветов со спектром излучения устройства. Координаты цветности для OLED с микрорезонаторами показаны на рисунке 6. На рисунке 6a показаны координаты цветности x , y для стандартного зеленого излучения от OLED на основе ITO \ (\ hbox {Alq} _3 \) вместе с нормальное излучение каждого из спектров микрорезонаторов, показанных на рис.{\ circ} \) приращения. Сплошной символ представляет нормальные цветовые координаты излучения, а открытые символы той же формы представляют спектры, измеренные под большими углами. Увеличение угла излучения приводит к тому, что координата цветности движется против часовой стрелки вокруг цветовой гаммы (общая тенденция, когда шум измерения вызывает некоторый разброс). Микрополость режима \ (\ lambda \) имеет красный / оранжевый цвет при прямом просмотре и становится оранжевым, желтым, а затем зеленым при увеличении угла обзора. Нормальное излучение из микрополости режима \ (3 \ lambda / 2 \) выглядит светло-голубым, который становится темно-синим, фиолетовым, пурпурным и затем красным по мере увеличения угла.Изменение цвета пурпурного и красного связано с описанной выше многомодовой накачкой. Гармонические режимы \ (j = 1, \ 2, \) и 3 микрополости могут использоваться для преобразования широкополосного зеленого излучения \ (\ hbox {Alq} _3 \) практически в любой цвет в гамме, в том числе вдоль линия пурпурных, но исключая темно-красные и фиолетовые углы.
Рисунок 6Цветовые координаты CIE 1931 воспринимаемого излучения из микрополостей ( a ) при нормальном падении с OLED на основе ITO \ (\ hbox {Alq} _3 \), обозначенным символом \ (\ otimes \) для справки и ( b ) микрорезонаторные светодиоды для режима \ (\ lambda / 2 \), режима \ (\ lambda \) и режима \ (3 \ lambda / 2 \), наблюдаемых под углами от \ (0 ^ { \ circ} \) в \ (70 ^ {\ circ} \).Нормальное излучение обозначается сплошным большим символом, а открытые символы той же формы обычно проходят против часовой стрелки вокруг цветовой гаммы с увеличением угла.
Рассеиваемая мощность
Накачка мод более высокого порядка излучением видимого света \ (\ hbox {Alq} _3 \) потребовала изготовления слоев OLED с аномально большой толщиной, в 3,5 или 4 раза превышающей оптимальную толщину (90–110 нм. ) для высокоэффективных устройств 18,36,37 . Толстые OLED-дисплеи требуют более высоких рабочих напряжений для управления той же плотностью тока.Кроме того, полупрозрачный алюминиевый электрод с верхним излучением имеет коэффициент пропускания порядка 1%, что требует более высокой плотности тока для достижения сопоставимой интенсивности излучения 38 . Комбинированные эффекты диктуют, что эти устройства работают с высокой мощностью, и большая часть управляющей электроэнергии идет на джоулева нагрев микрополости OLED 17, .
В стремлении к энергоэффективности современные OLED-устройства решают эту проблему нагрева за счет введения легирующих добавок в ETL и HTL, а также путем принятия мер для обеспечения оптимального согласования энергетических диапазонов за счет выбора материалов. 39 .Однако введение легирующих добавок или материалов с узкой запрещенной зоной приводит к значительным оптическим потерям в структуре резонатора. Хотя эти потери относительно невелики для освещения, в структуре микрополости свет взаимодействует с материалами в течение длительного времени. Таким образом, поглощающие потери умножаются и могут привести к резкому снижению эффективности вывода и увеличению до максимальной ширины линии в соответствии с нашим моделированием. Красные эмиттеры требуют работы при более низком напряжении, и ранее было продемонстрировано, что они накачивают второй режим резонатора (режим \ (\ lambda \)) при низкой плотности тока (0.{2} \)) с добротностью 30 40,41 . Эти устройства показывают очень высокую внешнюю квантовую эффективность из-за эффекта Парселла в микрополости 39 . Нелегированные слои ETL и HTL с широкой запрещенной зоной и зеленый цвет \ (\ hbox {Alq} _3 \) хорошо подходят для полной характеристики эффекта микрополости более высокого порядка во всем видимом диапазоне, но требуют более высокой мощности.
Плотность тока и удельная мощность трех типичных OLED с микрорезонаторами различной толщины показаны на рис.{2} \), что в 50–300 раз меньше, чем потребляемая мощность этих микрорезонаторных OLED 17 . Устройства с верхним излучением требуют, чтобы сама подложка действовала как теплоотвод (или соединялась с ним), и поэтому стекло нельзя использовать в качестве материала подложки. Наши OLED с микрорезонаторами были изготовлены на кремниевых подложках, теплопроводность которых примерно в 100 раз больше, чем у стекла, что позволяет подложке эффективно рассеивать избыточное тепло от микрополости во время работы с высокой мощностью 20,21 .{\ circ} \ hbox {C} \) на стекле. Равновесная температура в значительной степени не зависит от толщины микрополости, поскольку органические слои толщиной \ (<300 \) нм не составляют наибольшего теплового импеданса. Дополнительную информацию см. На дополнительном рисунке S6 и в соответствующем обсуждении. Кремний дает дополнительное преимущество планарности, поскольку меньшая шероховатость поверхности приводит к более равномерной толщине микрополостей. {2} \).{2} \) в течение более 2 минут с \ (<2 \% \) изменением плотности тока при заданном напряжении возбуждения и может безопасно храниться в атмосфере азота для повторного использования. Полная характеристика срока хранения и срока службы микрополостей выходит за рамки данной работы.
Рисунок 7Плотность тока (левая ось, сплошные и пунктирные линии) и плотность мощности (правая ось, линии с маркерами) в зависимости от приложенного напряжения для OLED с микрорезонаторами толщиной 113 нм (\ (\ lambda / 2 \)), 282 нм (\ (\ lambda \)) и 362 нм (\ (3 \ lambda / 2 \)), представляющие три резонансных режима.Дополнительный рисунок S5 показывает те же данные в логарифмической шкале.
Скромная шариковая ручка стала новым символом инновационной экономики Китая – Quartz
Китай стремительно рос в своем стремлении к большим внутренним инновациям, став мировым лидером в таких секторах, как производство на основе робототехники и потребительское программное обеспечение. Но одно из его последних достижений – в гораздо более простой области: шариковые ручки.
В январе китайский производитель стали Taiyuan Iron and Steel Co., также известная как Taigang, официально объявила (ссылка на китайском языке), что она разработала технологию производства футляров для наконечников из нержавеющей стали, используемых для изготовления высококачественных шариковых ручек. Этот подвиг показывает, насколько китайское правительство по-прежнему не уверено в том, что страна продолжает полагаться на иностранные технологии, и насколько далеко оно готово пойти, чтобы преодолеть это.
Китай производит около 40 миллиардов шариковых ручек ежегодно, но многие из них плохо работают. Отечественные производители, желающие производить ручки более высокого качества, должны импортировать футляры для наконечников из Японии и Германии, изготовленные из специальной нержавеющей стали.Согласно Taigang, 83-летнему государственному предприятию, базирующемуся в провинции Шаньси, это связано с тем, что в более совершенных ручках конусообразный футляр, который удерживает мяч, требует как специального сырья, так и специального оборудования (ссылка на китайском языке). Чтобы удовлетворить спрос, китайские производители ручек ежегодно импортируют более 1000 тонн необходимой стали.
В 2011 году Taigang и правительственные бюро выделили 60 миллионов юаней (8,6 миллиона долларов) на исследование технологий, необходимых для независимой разработки детали.Компания заявляет, что всерьез испытания начались в 2014 году (ссылка на китайском языке) и, наконец, завершились в прошлом году, когда набор ручек с наконечником 2,3 мм с превосходными наконечниками прошел окончательное испытание – способность писать на расстоянии 800 метров (875 ярдов). ) без перерыва. Компания будет поставлять футляры для чаевых Beifa, производителю ручек из города Нинбо в провинции Чжэцзян. Неясно, когда полученные ручки официально появятся на рынке и почему Taigang объявляет об этом сейчас.
Усилия Тайгана возникли не на пустом месте.Год назад в Китае разразился небольшой ажиотаж в СМИ (ссылка на китайском), когда премьер-министр Ли Кэцян, активный сторонник поддержки технологических инноваций, посетовал на то, что Китай производит 800 миллионов тонн стали в год, но по-прежнему импортирует специальный тип нержавеющей стали, необходимый для Сделайте лучшие чехлы для чаевых.
Он часто повторял этот момент во время публичных выступлений, добавляя, что ручки с деталями отечественного производства уступают иностранным. Шариковая ручка стала мощным символом предполагаемых недостатков экономики и технологических возможностей Китая.«Это реальная ситуация, с которой мы сталкиваемся, – сказал Ли на встрече с экономистами в декабре 2015 года. – Мы не можем делать шариковые ручки с функцией плавного письма».
В прошлом году государственное СМИ CCTV транслировало часовую программу, в которой рассматривалось, почему Китай не может самостоятельно производить качественные корпуса наконечников для шариковых ручек.
Новости об «инновациях» Тайгана в последние дни вызвали волну в китайском Интернете. Статья о компании в государственном СМИ People’s Daily собрала более 10 000 комментариев и 20 000 репостов в Weibo, китайской социальной сети в стиле Twitter.«Ух ты, мне никогда не приходило в голову, что я использовал шариковые ручки, полагаясь на зарубежные технологии!» написал один пользователь (ссылка на китайском).
Правительство Китая неоднократно подчеркивало важность сохранения конкурентоспособности своих отечественных технологий по сравнению с зарубежными альтернативами. Хотя это обычно проявляется в финансировании НИОКР для Интернета и полупроводниковой промышленности, шариковая ручка оказалась более полезным символом для захвата воображения простых китайцев.
Но это не единственное, что публичные деятели о пешеходной продукции поддержали во имя поддержки инноваций. В марте прошлого года генеральный директор Xiaomi Лэй Цзюнь появился на ежегодном китайском политическом собрании «Две встречи», чтобы сетовать на то, что японские рисоварки превосходят отечественные. Через несколько недель его компания анонсировала рисоварку с Wi-Fi.
Бейфа и Тайган говорят, что изготовление качественных гильз для наконечников в Китае позволит сэкономить около 15 миллионов долларов в год. Но даже комментарии Бейфы предполагают, что решение было больше политическим, чем финансовым.
«Честно говоря, Китай не был неспособен разработать эту технологию», – сказал Beijing News генеральный директор Beifa Чжан Сюэлянь (ссылка на китайском языке). «Этот тип стальной детали требует [для изготовления] специальной стали. Рынок для него невелик. Он понадобится только компаниям, производящим наконечники для ручек ».
Дополнительная информация от Эхо Хуанга.
Заказы на производственные технологии в США составили 377,6 миллиона долларов в феврале 2021 года, что на 17,8% больше, чем в январе 2021 года, и на 34.Увеличение на 2% по сравнению с февралем 2020 г.
СКАЧАТЬ ПРЕСС-РЕЛИЗ
Маклин, Вирджиния (12 апреля 2021 г.) – Заказы на производственные технологии в США составили 377,6 млн долларов в феврале 2021 г., что на 17,8% больше, чем в январе 2021 г., и на 34,2% больше, чем в феврале 2020 г. , согласно последнему отчету о заказах на производственные технологии в США, опубликованному AMT – The Association For Manufacturing Technology. Общая сумма с начала года до даты составила 698,2 миллиона долларов, что на 22,4% больше, чем за первые два месяца 2020 года.
«Февраль стал четвертым месяцем подряд по сравнению с прошлым годом прироста заказов на производственные технологии, что свидетельствует о том, что недавний рост, вероятно, является началом устойчивого восстановления после рецессии 2020 года», – сказал Дуглас К. Вудс, президент AMT. «В феврале произошло удивительное увеличение заказов от нефтегазовой отрасли, несмотря на беспорядки, связанные с погодными условиями в Южно-Центральном и Юго-восточном регионах, которые обычно являются движущей силой этого сектора. Производители медицинского оборудования заметно увеличили заказы в феврале, вероятно, в результате увеличения пропускной способности больниц, что позволило отложить плановые процедуры.
«Об увеличении потребительского спроса во всей экономике свидетельствует увеличение общих расходов. В январе 2020 года, до отключения из-за пандемии, общие потребительские расходы составляли почти 15 триллионов долларов. После падения во время пандемии потребительские расходы в начале 2021 года восстановились, превысив докандемический уровень.
«Из обсуждений, которые мы провели с производителями, кажется очевидным, что компании, которые были более оптимистичны в своих прогнозах, сохранили свои запасы на более высоком уровне и больше инвестировали в капитальное оборудование, а те, кто нашел способы сократить свои цепочки поставок до гарантировать, что они смогут выполнять заказы, идущие в ногу со спросом, и обеспечили феноменальные цифры февраля.”
# # #
Отчет о заказах на производственные технологии в США (USMTO) основан на совокупности фактических данных, представленных компаниями, участвующими в программе USMTO. В этом отчете, составленном AMT – The Association For Manufacturing Technology, представлены региональные и национальные U.С. заказывает данные отечественных и импортных станков и сопутствующего оборудования. Анализ заказов на производственные технологии является надежным опережающим экономическим индикатором, поскольку обрабатывающая промышленность вкладывает средства в капитальное металлообрабатывающее оборудование для увеличения производственных мощностей и повышения производительности.
AMT – Ассоциация производственных технологий представляет базирующихся в США поставщиков производственных технологий – передового оборудования, устройств и цифрового оборудования, от которого производство в США зависит, чтобы быть продуктивным, инновационным и конкурентоспособным.Компания AMT, расположенная в городе Маклин, штат Вирджиния, недалеко от столицы страны, выступает в качестве рупора отрасли для ускорения темпов инноваций, повышения глобальной конкурентоспособности и развития передовых производственных кадров будущего. Обладая обширным опытом в области отраслевых данных и аналитики, а также полным набором международных бизнес-операций, AMT предлагает своим участникам беспрецедентный уровень поддержки. AMT также проводит IMTS – Международную выставку производственных технологий, главное событие производственных технологий в Северной Америке.www.amtonline.org
IMTS – Международная выставка производственных технологий – крупнейшая и самая продолжительная выставка производственных технологий в США, которая проводится раз в два года в McCormick Place в Чикаго, штат Иллинойс. IMTS 2020 будет проходить с 14 по 19 сентября. IMTS входит в число крупнейших мировых выставок. Признанный одной из выдающихся площадок в мире для внедрения и продажи производственного оборудования и технологий, IMTS привлекает посетителей из всех уровней отрасли и более чем из 117 стран.IMTS 2018 был самым большим по количеству регистраций (129 415), чистым квадратным футам выставочной площади (1 424 232 кв. Фута), стендам (2 123) и компаниям-участникам (2563). IMTS принадлежит и управляется AMT-The Association for Manufacturing Technology. www.IMTS.com
Описание процесса нанолитографии с помощью пера для нанопроизводства
Аннотация
Нанолитография с погружным пером (DPN) – это гибкий процесс нанопроизводства для создания двумерных наноразмерных элементов на поверхности с помощью «окрашенного» кончика.Хотя для создания двумерных наноэлементов с использованием DPN можно использовать множество комбинаций чернил и поверхности, этот процесс еще не охарактеризован для обеспечения высокой производительности и высокого качества производства. Следовательно, в настоящее время невозможно (i) предсказать, возможно ли изготовление детали в рамках ограничений желаемой скорости и качества и (ii) выбрать / спроектировать оборудование, подходящее для желаемых производственных целей. Здесь мы количественно оценили скорость обработки, срок службы инструмента и качество функций для записи строки DPN, связав эти производственные показатели с параметрами процесса / системы.Основываясь на этой характеристике, мы обнаружили, что (i) из-за теоретических и практических ограничений существующей технологии скорость обработки не может быть увеличена более чем примерно в 20 раз по сравнению с типичной скоростью ∼1 мкм2 / мин, (ii) срок службы инструмента для точной записи линий ограничивается 1–5 мин, и (iii) чувствительность ширины линии к параметрам процесса уменьшается с увеличением скорости записи. Таким образом, мы делаем вывод, что для высокопроизводительной и высококачественной системы нам необходимо (i) распараллеливание или модификация процесса для повышения производительности и (ii) точные приспособления для быстрой смены инструмента.Мы также пришли к выводу, что контроль процесса при высокоскоростной записи менее строг, чем при низкоскоростной записи, тем самым предполагая, что DPN занимает свою нишу в высокоскоростной записи узких строк.
Отдел
Массачусетский Институт Технологий. Отдел Машиностроения; Массачусетский Институт Технологий. Лаборатория производства и производительностиЖурнал
Журнал производственной науки и техники
Цитата
Саха, Сураб К.и Мартин Л. Калпеппер. «Характеристика процесса нанолитографии с помощью пера для нанопроизводства». Журнал производственной науки и техники 133, вып. 4 (2011): 041005. © 2011, ASME
Версия: окончательная опубликованная версия
.