Оптические элементы на основе явления нарушенного полного внутреннего отражения в интерференционных слоях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Нгуен Ван Ба

• Нгуен Ван Ба
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Нгуен Ван Ба

Обозначения и сокращения

Введение

Глава 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛНОГО ЯВЛЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ В ОПТИЧЕСКОМ ПРИБОРОСТРОЕНИИ

1.1. Явление полного внутреннего отражения и его использованиепри работе оптических элементов

1.2. Явление нарушенного полного внутреннего отражения и его использование в спектроскопии

1.3. Использование явления нарушенного полного внутреннего отражения в интерференционных нанослойных структурах

1.4. Выводы по главе

Глава 2. УЗКОПОЛОСНЫЕ СПЕКТРАЛЬНЫЕ СВЕТОФИЛЬТРЫ НА ОСНОВЕ НПВО

2.1. Упрощение конструкции узкополосных светофильтров

2.2. Поляризация излучения в светофильтрах на основе НПВО

2.3. Анализ зон гашения и контрастности фильтров на основе НПВО

2.4. Анализ относительной полуширины светофильтров на основе НПВО

2.5. Параметры, оказывающиеся влияние на положение максимума пропускания светофильтра на основе НПВО

2.6. Альтернативные варианты реализации светофильтров на основе НПВО

Выводы по главе

Глава 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НПВО В ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ НАНОСЛОЙНЫХ СТРУКТУРАХ ДЛЯ СОЗДАНИЯ СЕЛЕКТИВНОГО

ПОКРЫТИЯ

3.1. Селективное покрытие

3.2. Расчет конструкций селективного покрытия для устранения паразитных мод генерации в Nd:YAG слэб-лазерах

3.3. Использование БЮ2 в качестве диэлектрического слоя

3.4. Получение требуемого диэлектрического слоя комбинацией SiO2 и

ЛШз

Выводы по главе

Глава 4. АТТЕСТАЦИЯ СЛАБО-ПОГЛОЩАЮЩИХ

ПЛЕНКООБРАЗУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ

4.1. Аттестация пленкообразующих материалов на основе НПВО

4.2. Основные погрешности и методы их компенсации

Выводы по главе

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Обозначения и сокращения

ПВО - полное внутреннее отражение

НПВО - нарушенное полное внутреннее отражение

ИК - инфракрасное излучение

НС - начальная среда

КС - конечная среда

Д - тонкий слой, изготовленный из диэлектрика М - тонкий слой, изготовленный из металла

В - тонкий слой, изготовленный из материала с высоким (относительно слою Н) показателем преломления

Н - тонкий слой, изготовленный из материала с низким (относительно слою В) показателем преломления

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптические элементы на основе явления нарушенного полного внутреннего отражения в интерференционных слоях»

Актуальность работы

Тенденция развития современного приборостроения направлена на улучшение основных характеристик оптических приборов, расширение спектрального диапазона их работы, уменьшение веса, увеличение пропускания ряда оптических элементов, используемых в лазерных системах. Применяемые для коррекции физических свойств отражающих и преломляющих поверхностей оптических элементов интерференционные покрытия часто решают некоторые из перечисленных выше проблем.

Одним из направлений расширения применения интерференционных покрытий могут стать системы, в основу работы которых положено явление полного внутреннего отражения (ПВО). Использования явления ПВО при разработке фильтров, выделяющих узкий спектральный диапазон, позволит уменьшить полуширину области пропускания, повысить контрастность светофильтров, при этом конструкция светофильтров, вероятно, упроститься, что приведёт к упрощению технологии их изготовления.

Для уменьшения потерь при передаче энергии в некоторых лазерных системах активный элемент имеет специальную форму, благодаря которой увеличивается оптический путь генерируемого излучения внутри ее. В частности, некоторые активные элементы сделаны в виде слэба с гранями, расположенными под углом к падающему потоку. Оптический путь генерируемого излучения увеличивается за счет его зигзагообразного распространения внутри слэба при выполнении условия для ПВО. Однако, предельный угол ПВО на границе раздела слэб-воздух часто на много меньше угла падения генерируемого излучения на грани слэба, поэтому многие (нежелательные) излучения тоже испытывают ПВО внутри слэба и преобразуются в паразитных модах. Для устранения нежелательных паразитных мод на нерабочие грани слэба, возможно, нанесение

интерференционного покрытия, работа которого основывается не только на интерференции в слоях, из которых оно состоит, но на явлении полного внутреннего отражения. Такие систем должны значительно улучшить процесс передачи энергии. В настоящее время, это малоизученный вопрос, который требует детальной проработки.

Еще одна проблема состоит в потерях излучения в диэлектрических слоях, которыми часто пренебрегают в расчете. Однако, для узкополосных светофильтров, которые содержат в себе десятки интерференционные слои, даже незначительная потеря излучения в каждом слое может в итоге существенно искажать полученную спектральную характеристику. Показатель экстинкции пленкообразующих материалов часто измеряется спектрофотометрическим методом, но данный метод не используется для измерения показателей экстинкции ряд диэлектрических пленок из-за незначительных потерь излучения в них, обусловленной маленькими их толщинами. С помощью нарушенного полного внутреннего отражения можно (НПВО) усиливать потерю излучения в измеряемом слое, что и повысить шанс ее регистрировать.

Центральный решаемый вопрос данной диссертационной работы относится к исследованию и применению явления НПВО в тонких слоях для создания оптических элементов, на поверхностях которых сформированы тонкие слои. Использование явления НПВО в интерференционных системах позволит скорректировать ряд их характеристик, повысить интенсивность выделяемого излучения, минимизировать количество используемых интерференционных слоев, входящих в состав интерференционного покрытия.

Цель работы

Разработка новых типов оптических покрытий (фильтрующих и селективных) и метода определения показателей экстинкции плёнкообразующих материалов, работающие при нарушенном полном внутреннем отражении в тонких слоях.

Задачи

1. Провести расчет конструкции спектрального узкополосного светофильтра, имеющего схему, подробную интерферометру Фабри-Перо, и содержащий в себе три тонких слоя при происхождении НПВО в них.

2. Анализ влияния различных параметров на спектральные характеристики разработанного светофильтра.

3. Экспериментально реализовать узкополосный светофильтр, полученный в результате расчёта.

4. Разработать селективное покрытие для избирательного отражения падающего излучения по углам падения, работающего при происхождении НПВО в интерференционных слоях.

5. Определить конструкции селективного покрытия, предназначенного для подавления паразитных мод в слэб-лазерах.

6. Разработать метод определения показателей экстинкции тонких слоёв, изготовленных из диэлектрических материалов.

Методы исследования

Все поставленные задачи в работе были решены с использованием основных положений разных теоретических моделей, которые описывают спектральные характеристики интерференционных систем, работа которых основана на явлении нарушенного полного внутреннего отражения.

Проведено сравнение экспериментальных полученных результатов с расчетными.

Научная новизна

Разработан спектральный узкополосный светофильтр, основанный на использовании НПВО в тонких слоях, содержащий три интерференционных слоя и имеющий схему, подробную интерферометру Фабри-Перо.

Разработано селективное покрытие, которое избирательно отражает свет по углам падения и содержит в себе чередующиеся металлические и диэлектрические интерференционные слои, основанное на использовании нарушенного полного внутреннего отражения.

Разработан метод определения показателей экстинкции излучения слабо -поглощающих пленкообразующих материалов, основанный на усилении регистрации потерь в слоях за счёт многократного отражения и применения явления нарушенного полного внутреннего отражения

Основные положения, выносимые на защиту

Разработанный метод, основанный на использовании явления нарушенного полного внутреннего отражения, позволяет получать спектральные узкополосные светофильтры, построенные по схеме интерферометра Фабри-Перо. В их состав входит три слоя, светофильтры могут выделять узкий спектральный диапазон с полушириной менее 1 нм.

Разработанный метод позволяет получать конструкцию селективного покрытия, способного избирательно отражать излучение внутри оптического элемента, т.е. производить селекцию прошедшего излучения по углам. Интерференционное покрытие, работа которого основана на использовании нарушенного полного внутреннего отражения, состоит из чередующихся металлических и диэлектрических интерференционных слоёв.

Использование полученного метода определения показателей экстинкции слабо-поглощающих пленкообразующих материалов, основанного на усилении регистрации потерь в слоях за счёт многократного отражения и применения явления нарушенного полного внутреннего отражения, позволяет определять коэффициент поглощения с точность до 10-5, что на порядок, превышает ранее известные.

Значимость (теоретическая и практическая) работы

Получен образец узкополосного светофильтра, имеющий максимумы пропускания на разных длинах волн для s- и p- компонентов поляризации,

Получена конструкция селективного покрытия, которая используется для подавления паразитных мод в Nd:YAG слэб-лазерах, и гасит излучения, подающие на рабочие грани стержня в интервале углов от 00 до 580.

Показана возможность определения показателей экстинкции слабо-поглощающих пленкообразующих материалов, из которых сформирован интерференционный слой, что позволяет уточнять конструкции многослойных оптических покрытий.

Полученные в ходе выполнения диссертационной работы результаты были внедрены в учебный процесс на факультете фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО: в процессе изучения дисциплин «Формирование плёнок термическим испарением веществ в вакууме» и «Фотоника поверхности».

Достоверность и надежность полученных результатов

обеспечивается корректировкой поставленных задач, согласованием расчетных и экспериментальных данных, экспериментальных других авторов.

Личный вклад автор

В работе изложены результаты исследований, выполнены лично автором и соавторстве. Все результаты (составляющие научную новизну данной диссертации и выносимые на защите) полученные автором.

Публикации

Результаты работы опубликованы 12 научных трудах: из них 1 статья в издании, входящем в перечень ВАК, 3 статьи в журналах, включенных в международную базу данных цитирований SCOPUS и Web of Science, 1 патент на изобретение, 7 - в материалах конференций и сборниках тезисов докладов.

Структура и объем диссертационной работы

Работа имеет следующие основные части: введение, четыре главы, заключение и список использованной литературы, который состоит из 100 наименований. Основной текст диссертации (121 страниц) содержит 15 таблиц и 44 рисунков.

Глава 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛНОГО ЯВЛЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ В ОПТИЧЕСКОМ ПРИБОРОСТРОЕНИИ

Явление полного внутреннего отражения достаточно хорошо изучено в настоящее время [1]. Между двумя средами образуется некая граница раздела, свет падает на их границу из среды 1, а остальная - среда 2. Если показатель преломления среды 1 больше показателя преломления среды 2 и угол падения света (или излучения в целом) превосходит некий предельный угол ПВО, то происходит явление ПВО на данной границе раздела. При этом падающее излучение отражается полностью и значение коэффициента отражения равняется единице ине зависит от длины волны падающего излучения. В настоящее время явление ПВО находит применение во многих областях науки и техники, в том числе можно перечислять следующие: когерентная оптика (световоды, призмы и сенсоры), акустика (звуковые каналы), нелинейная оптика (переключатели и солитоны), и т.д.

1.1. Явление полного внутреннего отражения и его использованиепри

работе оптических элементов

Явление ПВО было впервые рассмотрено великим немецким математиком, астрономом, оптиком и астрологом Кеплером в начале XVII века. Кеплер (1571-1630) написал свою работу по оптике, названную «Дополнения к Вителлию», и книгу «Диоптрика», которые имели важную роль в становлении оптики как науки. Математическое обоснование явления ПВО дал голландский математик и физик Снеллиус (1591-1626), который провел многочисленные эксперименты по оптике и открыл закон преломления лучей в 1621 году. Отметим, что выдающиеся ученые Френель (1788-1827) и Ньютон (1643-1727) внесли огромный вклад в науку о преломлении и отражении света.

Если плоская электромагнитная волна падает на границу раздела двух сред (с разными оптическими плотностями), она разделяется на следующие волны: отраженную (обратно в первую среду) и проходящую (во вторую среду). Закон преломления лучей [2-4], сформированный Снеллиусом, может быть выражен в следующем виде:

пх Бтв = п2 б1п$2 , (1.1)

где первая среда имеет показатель преломления п1 и вторая - п2. Угол падения света составляет 01; а 02 - угол преломления света, (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1. Схема падения, преломления и отражения света на плоской

границе двух сред

В идеальном условии можно считать данные среды как непоглощающие, однородные и изотропные. Формулы Френеля для прошедшей и отраженной волн принимают следующие виды [5]:

2п соб в

п соб в + п2 соб в2

А ,

2п соб в

-1-1-А ,

п2 соб в + п соб в р

п СОБ в - п2 СОБ в Д п СОБ в + п2 СОБ в 4'

п2 СОБ в - п СОБ в д п2 СОБ в + п СОБ в Р'

где 1:Б - амплитуд коэффициент пропускания для компонента поляризации света, перпендикулярного плоскости падения (б- компонент), 1р - амплитуд

г

4

г

г

4

г

коэффициента пропускания для второго компонента поляризации света, параллельного плоскости падения (р- компонента); г8 - амплитуд коэффициента отражения для б- компонента и Гр - для р- компонента; лб, Ар - амплитуды падающей волны для б- и р- компонентов, соответственно. Впервые эти уравнения были получены Френелем в его теории, в которой свет рассматривается как колебания упругой среды [1]. Они пишутся обычно в следующей, более наглядной виде:

г =-2-1-А ,

2б1п & соб& ,

г =-2-1А ,

* ) *

г = tg(& -вг) ' tg(& +&2) ' ,

r =

s

sin(e + в2 )

При условии, что n2>ni, то вторая среда более оптически плотная, чем первая. В данном случае, учитывая равенство (1.1), имеем: n

sinв2 = —sinв, т.е. sinв2 < sinв,

П2

следовательно, для каждого угла падения излучения существует некий угол преломления 02, который принимает вещественные значения. Отсюда следует, что тригонометрические функции (присутствуют в уравнениях Френеля) являются вещественными. Следовательно, фазы падающей, прошедшей и отраженной волн либо равны между собой, либо их разность составляет значение п. Стоит отметить, что знаки ts и tp совпадают со знаками величин As и Ap, поэтому фаза прошедшей и фаза падающей волн равны. Фаза отраженной и фаза падающей волн отличаются друг от друга на п для обеих p- и s- компонентов.

Наоборот, в случае п2<п (первая среда оптически плотнее второй), величина 02 принимает вещественное значение лишь для некоторых углов падения света, для которых выполняется условие:

вшЗ <

п1

Это означает, что существуют некоторые углы падения света, при которых из закона преломления следует, что углы преломления не принимают вещественных значений. Предельный угол падения, в пределах которого угол преломления остается вещественным называется критическим 0кр (или предельный угол ПВО) и может быть определен из выражения:

п ■ П2

вт = агсБт—.

кр

П

В случае равенство угла падения света и предельный угол ПВО, справедливо равенство: Бт02 = 1, тогда угол преломления 02 = 90о. Это обстоятельство означает, что свет преломляется по направлению, касательному к поверхности раздела. Если угол падения света увеличивается (он превышает предельное значение ПВО), то во вторую среду свет не входит. Падающий свет полностью отражается обратно в первую среду (это и есть явление ПВО). На самом деле, во второй среде электромагнитное поле присутствует, равен нулю лишь поток энергии через границу раздела. При происхождении ПВО амплитуда прошедшей волны уменьшается с большой скоростью по мере проникновения излучения в материал, причем эффективная глубина проникновения близка к длине волны падающего света. Угол преломления принимает мнимое значение и может быть определен из выражения:

соБв2 = (бЬ2 вх- П), (1.2)

где для удобства обозначаем п = п2/п1 - отношение показателей преломления сред. Формулы Френеля для амплитуд отраженной волны б- и р- компонент теперь выглядят так:

sin в cos в - sin в. cos в ,

r =-1-1-2-2 A

p sin в cos в + sin в cos в p

sin в cos в - sin 0. cos в ,

r =_1_2_2_L ^

sin в cos в + sin в cos в

Учитывая выражение (1.2), выражения для определения амплитуд коэффициент отражения отраженной волны для p- и s- компонентов принимают следующий вид:

n2 cos в - ijsin2 в - n2 t

r =-1-v, 1 = A

p

V P '

sin2 в - n2

cos в - iy¡sin2 в - n2

= I As.

cos в + i'Vsin2 в - n2

Отсюда, нетрудно заметить, что |Гр| = |Ар| и |г3| = |Лб|, т.е. для каждого компонента интенсивности отраженного и падающего света (при происхождении ПВО) равняются. Явление ПВО применяется в решении разных задач в оптике, таких как:

• изготовлении поляризатора (ромб Френеля) [1];

• изменение направления распространения лучей с помощью призм [3];

• передача световой энергии по световодам (волоконная оптика) [5];

• экспериментальное измерение показателей преломления (по

предельному углу) с помощью рефрактометра [5];

• подсветка сеток оптических приборов, где на темном фоне получаются

светлые штрихи [5].

Фазы отраженной волны при полном внутреннем отражении могут быть определены из выражений:

8п Л/Бт2#- и2

1

2 n2 cos в

8 л/sin2 в - n2

tg 8 = -- 1

2 cos в

Следовательно, испытывают скачки фаз обе компоненты поляризации света, но их величина различна. Благодаря скачок фаза компонентов поляризации света падающий свет (линейно поляризованный) при ПВО становится поляризованным эллиптически. Далее обозначим 5 -относительная разность фаз, где 5 = 58 - 5р, тогда величина 5 может быть записана в следующем выражении:

Кроме того, изменение фазы при ПВО также может быть использовано для преобразования линейно поляризованного света в свет, который поляризован по кругу. В этом случае необходимо подбирать значения п и 01 так, чтобы относительная разность фаз 5 равнялась 90о.

Френель рассматривал два полных внутренних отражения в одном оптическом элементе, имеющего форму ромба, который изготовленн из стекла с определенным показателем преломления (п2 = 1,51). Показатель преломления воздух (окружающая среда) п1 = 1. Относительная разность фаз составляет значение 5 = 45о при следующих углах падения излучения: 01 = 54о37' или 01 = 48о37'. Значение 5 = 90о может быть получено в результате двух последовательных ПВО при одним из приведенных значений углов падения.

>

Рисунок 1.2. Схема ромба Френеля, изготовленного из стекла с показателем

преломления 1,51

Оптический элемент, позволяющий получить относительную разность фаз в 90о называется ромб Френеля, где используется стеклянный блок, показанный на рис. 1.2. Подробное изложение о Ромбе Френеля и его применении можно посмотреть в работах [6-8]. В случае, когда азимут падающего света (линейно поляризованного) отличается от величины 45о, Ромб Френеля позволяет получить эллиптически поляризованный свет. Аналогично, из падающего света (эллиптически поляризованного) можно также получать линейно поляризованный свет с помощью ромба Френеля.

Пример использования полного внутреннего отражения при создании отражательных призм показан на рисунке 1.3. Преимуществами отражательных призм, работающих на основе явления ПВО, по сравнению с плоскими зеркалами являются высокий коэффициент отражения (практически 100 %) и надёжность в конструкции [9, 10].

Рисунок 1.3. Схема распространения излучения в призмах, иллюстрирующая

явление полного внутреннего отражения

Полное внутреннее отражение используется для передачи электромагнитной энергии по световодам [11-13]. Световоды бывают плоскими и волоконными. Плоские световоды в свою очередь подразделяют на пленочные и канальные. Волоконный световод представляет собой тонкое

волокно цилиндрической формы, состоящей из сердцевины и оболочки, по которому осуществляется передача световых волн (рисунок 1.4). Показатель преломления сердцевины должен быть выше показателя преломления оболочки для обеспечения ПВО на их границе раздела. Прозрачный пластик и чистое стекло часто служат как материалы для изготовления сердцевины волокна. Диаметр сердцевины составляет небольшое значение, которое в большинстве случаев находится в пределе от 7^10 мкм для т.н. одномодового волокна, а для многомодового волокна ее диаметр составляет 50 или 62,5 мкм. Диаметр оболочки составляет от 100 до 1000 мкм и изготавливается из материала с специальными легирующими добавками, которые изменяют ее показатель преломления.

2

Рисунок 1. 4. Схема распространения излучения в световодах, иллюстрирующая явление полного внутреннего отражения, где сердцевина

(1) и оболочка (2)

Свет вводят в волокно так, чтобы угол падения превысил предельный угол ПВО на границе раздела сердцевина-оболочка для обеспечения ПВО на этой границе. При этом угол отражения равен углу падения и падающий свет полностью отражается от рассматриваемой границы раздела. Далее, световой луч распространяется зигзагообразно вдоль волокна. Световые лучи, падающие на границу под углом, меньшим предельного угла ПВО, проникают в оптическую оболочку и в дальнейшем затухают в ней. Согласно предназначению, оболочка волокна не переносит света, поэтому свет в ней быстро теряется. Необходимо ещё отметить, что при определенном угле

падения свет также преломляется на границе волокно-воздух. В этом случае распространение света будет соответствовать с законом Снеллиуса.

Явление ПВО часто применяется для распространения света вдоль оптического волокна. Однако, при этом учитываются только лучи, которые после каждого отражения пересекает центральную ось оптического волокна (другими словами, можно называть данные случи меридианными). Существуют и асимметричные лучи, которые движутся вдоль оптического волокна (и не проходят через его центральную ось). Траектория асимметричных лучей имеет форму спирали, накручивающейся вокруг центральной оси волокна. Данные лучи часто игнорируются в анализе волоконно-оптических процессов.

В самом простом понимании оптическое волокно используется для соединения электронных устройств. Связь через оптическое волокно может быть использовано, например, между компьютерами и их периферийными устройствами, между станком на автоматизированном заводе и его контроллером, или между разными телефонными станциями. Метод использования оптического волокна имеет ряд преимуществ относительно другим методам связи, например [12]:

• относительно широкая полоса пропускания;

• нечувствительность к электромагнитным помехам;

• достаточно низкие потери;

• незначительный вес;

• полная безопасность;

• малый размер;

• секретность.

В целом, основными причинами потери света в волоконном световоде являются отражение света на торцах, поглощение и рассеяние в сердцевине, а также потери при внутренних отражениях. Явление ПВО позволяет

уменьшать потерисвета при каждом внутреннем отражении, что приводит к улучшению качества передачи информации.

1.2. Явление нарушенного полного внутреннего отражения и его использование в спектроскопии

Нарушенное полное внутреннее отражение (НПВО) имеет место, когда коэффициент отражения от некоторой границы раздела (двух сред) составляет значение меньше единицы даже при выполнении условия ПВО на данной границе. Как было сказано, если свет падает из одной среды (более оптически плотной) на ее границу раздела с другой средой (менее оптически плотной), и при этом, угол падения света больше угла, который называется предельным углом ПВО, то возникает явление т.н. ПВО. Явление ПВО имеет особенности в том, что при его присутствии 100 % свет отражается, т.е. значение коэффициента отражения равняется единице и не зависит от длины волны падающего излучения [14, 15]. В некоторых случаях полное внутреннее отражение нарушается, например, когда одна из сред является поглощающей, или когда толщина второй среды сравнима с длиной волны падающего излучения.

Электромагнитная теория явления и нарушенное полное внутреннее отражение были изучены уже со времен Ньютона [5]. Ньютон заметил, что полное внутреннее отражение может быть нарушено, т.е. отражение становится меньше 100 %, не только когда рассматриваемый объект находится в контакте с отражающей поверхностью, но и когда он находится на некотором расстоянии от этой поверхности. Это положение можно демонстрировать на примере стакана с водой. Если смотреть сверху на пальцы, касающиеся поверхности стекла, то будет чётко видна картина кожного покрова. Данный пример указывает на то, что полное внутреннее отражение было нарушено в результате соприкосновения только на выступающих участках кожи, а не во впадинках, где контакт отсутствует. Это со всей очевидностью показывает, что электромагнитное поле проникает

на долю длины волны в оптически менее плотную среду с обратной стороны отражающей поверхности, и если некий объект находится достаточно близко к поверхности, чтобы взаимодействовать с этим полем, то полное внутреннее отражение нарушается.

Гоос и Хенхен показали, что при отражении световой пучок слегка смещается. Путь света вблизи отражающей границы раздела можно условно представить в виде смещенного и проникающего луча (рисунок 1.5), причем надо отметить, что подобное смещение уже фигурировало в представлениях Ньютона, поскольку он предполагал, что траекторией светового луча является парабола с вершиной, расположенной в оптически менее плотной среде. Дальнейшие исследования о Гоос-Хенхен смещении можно посмотреть в [16-21].

Рисунок 1.5. Схематическое представление пути светового луча в условиях полного внутреннего отражения. Э - смещение; ёр - глубина проникновения; п1 и п2 - показатели преломления сред, в которых распространяется

излучение

Естественно возникает вопрос, как свет может возвращаться обратно, если он уже вышел из оптически более плотной среды. Для объяснения этого положения Ньютон полагал, что свет притягивается плотной средой. Такое

Б

объяснение не верно и схематическое представление на рисунке 1.5 тоже не совсем верно. На самом деле в направлении нормальной прямой к поверхности раздела сред свет не распространяется и в среде с большим показателем преломления (по сравнению с остальной средой) возникает затухающее поле, распространяющееся за эту среду, причем его амплитуда уменьшается экспоненциально с удалением от границы раздела.

Для демонстрации существования затухающей волны было выполнено множество тонких экспериментов. Ещё Ньютон имел в виду её присутствие, когда он отмечал, что линзу не обязательно приводить в контакт с призмой, чтобы свет прошел через эту линзу. Затухающую волну можно также наблюдать при полном внутреннем отражении света от границы раздела водного раствора флуоресцеина и стекла. В этом случае можно видеть, что флуоресцирует только тонкий слой жидкости, примыкающий к поверхности стеклянной призмы, а остальная часть жидкости остается темной. Другой пример, если лезвие бритвы поместить вблизи поверхности полного внутреннего отражения, то её край будет освещен ещё до того, как она коснется поверхности.

Затухающая волна возникает из-за того, что по нормали к отражающей поверхности устанавливается т.н. стоячая волна. С помощью уравнений Максвелла можно показать, что стоячая волна является результатом суперпозиции падающих и отраженных волн. В условиях полного внутреннего отражения для более плотной среды продолжает сохраняться синусоидальное распределение амплитуды электрического поля, а для менее плотной среды амплитуда электрического поля стремится к нулю, т.е. имеется место затухающая волна (рисунок 1.6).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нгуен Ван Ба, 2019 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бoрн, M. Основы оптики / M. Бoрн, Э. Boльф. - 2-е изд., пер. с англ. - M.: Наука, 1973. - 720 с.

2. Бутиков, E.M. Оптика: учеб. пособие / E.M. Бутиков. - 3-е изд., доп. -СПБ.: Лань, 2012. - 608 с.

3. Moжарoв, r.A. Основы геометрической оптики / r.A. Moжаров. - M.: Издательский дом ЛOГOС, 2006. - 280 с.

4. Огафеев, C.K. Основы оптики / C.K. Огафеев, K.K. Бoярский, Г.Л. Бaшнинa. - 2-е изд., испр. и доп. - СПБ.: Лань, 2013. - 336 с.

5. Ландсберг, Г.С. Оптика: учеб. пособие / Г.С. Ландсберг. - 6-е изд., стереот. - M.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2003. - 848 с.

6. Веллюз, Л. Оптический круговой дихроизм / Л. Веллюз, M. Легран, M. Грожан. - пер. с англ. - M.: Мир, 1967. - 320 с.

7. Born, М. Principles of optics: Electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light / М. Вот. - 7th еd., - Cambridge: Cambridge university press, 1999. - 937 p.

8. Еdwаrd, С. Field guide to polarization / С. Еdwаrd. - SPIE: Society of photo optical, 2005. - 134 p.

9. Шрёдep, Г. Техническая оптика / Г. Шрёдep, X. Трайбep. - пер. с нем. -M.: Техносфера, 2006. - 424 с.

10. Маlacarа, D. Hand book of optical design / D. Маlacarа, Z. Маlacarа. - 2nded. - NY.: Магсе! Dеkkеr, 2004. - 522 p.

11. Никонoрoв, H.B. Материалы и технологии волоконной оптики: учеб. пособие / H.B. Никонoрoв, А.И. Сидоров. - СПБ.: СПБГУ ИТМО, 2009. -130 с.

12. Dоnаld, J.S. Technician's guide to fiber optics / J.S. Dоnаld. - 2nd ed. - NY.: Dеlmаr, 1993. - 180 р.

13. Nabeel, I.Z. The phenomenon of total internal reflection and acceleration of light in fiber optics / I.Z. Nabeel // International journal of computer applications. - 2014. - V. 107. - N. 2. - Р. 19-24.

14. Zhu, S. Frustrated total internal reflection: А demonstration and review / S. Zhu [et al.] // Am. J. Phys. - 1986. - V. 54. - N. 7. - Р. 601-607.

15. Kambiz, R. Investigation and application of the frustrated-total-internal-reflection phenomenon in optical fibers / R. Kambiz [et al.] // Appl. Opt. -1997. - V. 36. - N. 10. - Р. 2183-2187.

16. Snyder, A.W. Goos-Hanchen shift / A.W. Snyder, J.D. Love // Appl. Opt. -1976. - V. 15. - N. 1. - Р. 236-238.

17. Chen, Х. Energy flux and Goos-Hanchen shift in frustrated total internal reflection / Х. Chen [et al.] // Opt. Lett. - 2012. -V. 37. - N. 9. - Р. 1526-1528.

18. Yang, R. Giant positive and negative Goos-Hanchen shift on dielectric gratings caused by guided mode resonance / R. Yang, W. Zhu, J. Li // Optics Express. -2014. - V. 22. - N. 2. - Р. 2043-2050.

19. Ornigotti, М. Goos-Hanchen and Imbert-Fedorov shifts for airy beams / М. Ornigotti // Opt. Lett. - 2018. - V. 43. - N. 6. - Р. 1411-1414.

20. Zeng, Х. Tunable Goos-Hanchen shift from graphene ribbon array / Х. Zeng, M.A. Amri, M.S. Zubairy // Optics Express. - 2017. - V. 25. - N. 20. - Р. 23579-23588.

21. Santana, O. Weak measurement of the composite Goos-Hanchen shift in the critical region / O. Santana [et al.] // Opt. Lett. - 2016. - V. 41. - N. 16. - Р. 3884-3887.

22. HeMe^ B.M. Швый cnpaBo4Hrn химита и тeхнoлoгa. Aнaлитичeскaя химия / B.M. Heмeц и дp. - СПБ.: AHOHnO «MttpttceMb*», AHOHnO «Пpoфeссиoнaл», 2004. - T. 3. - 692 c.

23. Путилин, Э.С. Onra4ec^e шкрытия: Y4e6Hrn для By3oB / Э.С. Путилин, Л. A. Ty6aHoBa. - СПб.: Лaнь, 2016. -268 c.

24. Xacc, Г. Физита тонких nneHoK Г. Xacc. - nep. c aHra., ШД peд. B.C. XaH^oBa. - M.: Мир, 1967. - T. 1. -342 c.

25. Котлигав, E.H. Программа синтеза и анализа интерференционных покрытий FilmManager / Е.Н. ^тликов, Ю.А. Новикова, И.И. ^валенко // Программные и аппаратные средства. - 2015. -№ 3. - С. 51-59.

26. Frumin, L.L. Frustration of the total reflection by a hidden scatter / L.L. Frumin, A.V. №mykin, D.A. Shаpiro // Appl. Оpt. - 2017. - V. 56. - N. 3. -Р. 649-653.

27. Petrav, N.I. Frustrated-total-internal-reflection-based thin-film color separator / N.I. Petrav // Оpt. Lеtt. - 2007. - V.32. - N. 18. - P. 2744-2746.

28. Lоnghi, S. Resonant tunneling in frustrated total internal reflection / S. Lоnghi // Оpt. Lеtt. - 2005. - V.30. - N. 20. - P. 2781-2783.

29. Hull, J.R. Interference-inhanced frustrated total internal reflection / J.R. Hull, M.K. Iles // J. Оpt. Soc. Am. - 1980. - V. 70. - N. 1. - P. 17-28.

30. Ghаtаk, A. Temporal delay of а pulse undergoing frustrated total internal reflection / A. Ghаtаk, S. Banerjee // Appl. Оpt. - 1989. - V. 28. - N. 11. - P. 1960-1961.

31. Steеle, E.L. A laser output coupler using frustrated total internal reflection / E.L. Steele, W.C. Davis, R.L. Treuthart // Appl. Оpt. - 1966. - V. 5. - N. 1. -P. 5-8.

32. Spillman, W.B. Frustrated-total-internal-reflection multimode fiber-optic hydrophone / W.B. Spillman, D.H. McMahon // Appl. Оpt., - 1980. - V. 19. -N. 1. - P. 113-117.

33. Billings, B.H. A frustrated total reflection filter for the Infra-Red / B.H. Billings, M.A. Pittman // J. Оpt. Soc. Am. - 1949. - V. 39. - N. 12. - P. 978983.

34. Gerаsimоv, V.V. The excitation оf terahertz-range surface plasmons Ьу frustrated total internal reflection through the substrate / V.V. Gerasimov |et al.] // J. Оpt. Tech. - 2010. - V. 77. - N. 8. - P. 465-468.

35. Mamedov, R.K. ^mbined element for multiple frustrated total internal reflection / R.K. Mamedov // J. Оpt. Tech. - 2000. - V. 67. - N. 9. - P. 837839.

36. Харрик, H. Спектроскопия внутреннего отражения / H. Харрик. -пер. сангл. - подред. B.A. Никитина. - M.: Мир, 1976. - 330 с.

37. Beddows, D.C.S. Application оf frustrated total internal reflection devices to analytical laser spectroscopy / D.C.S. Beddows [et а!.] // Appl. Opt. - 2003. -V. 42. - N. 30. - Р. 6006-6015.

38. Mamedov, R.K. Methods and technology оf frustrated total internal reflection spectroscopy using thermoplastic glasses / R.K. Mamedov // J. Opt. Tech. -2004. - V. 71. - N. 10. - Р. 685-690.

39. Zhukova, E.V. Using frustrated total internal reflection spectroscopy to study color centers in crystals / E.V. Zhukova [et а!] // J. Opt. Tech. - 1999. - V. 66.

- N. 1. - Р. 46-49.

40. Volchek, B.Z. Study оf microporous membranes using frustrated total internal reflection spectroscopy / B.Z. Volchek ^t al.] // J. Opt. Tech. - 2003. - V. 70.

- N. 1. - Р. 22-24.

41. Сот!, I.N. Frustrated total internal reflection and application оf its principle to laser cavity design / I.N. СошЧ, F.K. Willisen // Appl. Opt. - 1964. - V. 3. - N. 6. - Р. 719-726.

42. Bеddows, D. Application оf frustrated total internal reflection devices to analytical laser spectroscopy / D. Bеddows [et а!] // Appl. Opt. - 2003. - V. 42. - N. 30. - Р. 6006-6015.

43. Сидоров, A.M. Модуляция излучения при нарушении полного внутреннего отражения c возбуждением волноводной моды / A.M. Сидоров // Журнал технической физики. - 2008. - T. 78. - № 6. - С. 59-63.

44. Macleod, H.A. Thin-Film Optical Filters / H.A. Macleod. - 3rd еd. - London: Institute оf Physics Publishing, 2001. - 641 р.

45. Xu, Х. Nonpolarizing beam splitter designed Ьу frustrated total internal reflection inside а glass cube / Х. Xu, J. Shao, Z. Fаn // Appl. Opt. - 2006. - V. 45. - N. 18. - Р. 4297-4302.

46. Shi, J.H. Designs оf infrared nonpolarizing beam splitters with а Ag layer in а glass cube / J.H. Shi, Z.P. Wang // Appl. Gpt. - 2008. - V. 47. - N. 14. - P. 2619-2622.

47. Billings, B.H. A birefringent frustrated total reflection filter / B.H. Billings // J. ОДО. Soc. Am. - 1950. - V. 40. - N. 7. - P. 471-476.

48. Azzam, RM.A. Polarizing properties оf embedded symmetric trilayer stacks under conditions оf frustrated total internal reflection / RM.A. Azzam, S.R. Pеrla // Appl. О^. - 2006. - V. 45. - N. 7. - P. 1650-1656.

49. Li, L. Optical coatings with ^ integral FTIR air layer / L. Li, J. A. Dobrowоlski // Optics Express. - 2010. - V. 18. - N. 4. - P. 3784-3792.

50. Blanckеnhagen, B.V. Practical layer designs for polarizing beam splitter cubes / B.V. Blanckenhagen // Appl. ОДО. - 2006. - V. 45. - N. 7. - P. 1539-1543.

51. Melnyk, A. Air gap resonant tunneling bandpass filter and polarizer / A. Melnyk [et а1] // ОДО. Lett. - 2016. - V. 41. - N. 8. - P. 1845-1848.

52. Уоung, L. Multilayer interference filters with narrow stop bands / L. Young // Appl. ОДО. - 1967. - V. 6. - N. 2. - P. 297-315.

53. ^lah, G.D. Narrow-bandpass interference filters for the far infrared / G.D. Holoh, N. Morrison // J. О^. Soc. Am. - 1977. - V. 67. - N. 7. - P. 971-974.

54. Closek, J. Narrow-band interference filters with unconventional spacer layers / J. Closek // Appl. О^. - 2000. - V. 39. - N. 1. - P. 135-140.

55. Piegari, A. Variable narrow-band transmission filters for spectrometry from space. 2. Fabrication process / A. Piegari, J. Bulir, A.K. Sytchkova // Appl. ОДО. - 2008. - V. 47. - N. 13. - P. 151-156.

56. Окатов, МА. Справочник технолога-оптика / МА. Окатов. - СПБ.: Политехника, 2004. - 679 с.

57. Мотовилов, O.A. Узкополосные интерференционные фильтры для ультрафиолетовой области спектра / O.A. Мотовилов // Оптика и Спектр. - 1967. - № 22. - С. 986-988.

58. Title, A.M. Drift in interference filters. 2: Radiation effects / A.M. Title // Appl. О^. - 1974. - V. 13. - N. 11. - P. 2680-2684.

59. Lin, N.X. Monitoring the narrow-band pass filter deposition by calculating refractive index in real-time / N.X. Lin [et al.] // Optical interference coating (OIC). - 2016. - Р. WC8.

60. Goldina, N.D. Dispersion properties of narrow-band meta-dielectric filters / N.D. Goldina // J. Opt. Technol. - 2007. - V. 74. - N. 6. - Р. 432-435.

61. Zhang, J.L. Omnidirectional narrow bandpass filter based on metal-dielectric thin films / J.L. Zhang [et al.] // Appl. Opt. - 2008. - V. 47. - N. 33. - Р. 62866290.

62. Jen, Y.J. Fabry-Perot based metal-dielectric multilayered filters and metamaterials / Y.J. Jen [et al.] // Optics Express. - 2015. - V. 23. - N. 26. - Р. 33008-33017.

63. Liang, Y. narrow-band wavelength tunable filter based on asymmetric double layer metallic grating / Y. Liang [et al.] // Optics Express. - 2015. - V. 23. - N. 11. - Р. 14434-14445.

64. Bogdanski, J. Novel narrow-band spectral interference filter with very high transmittance / J. Bogdanski [et al.] // OS A, CLEO, QELS. - 2010. - P. QThK5.

65. Lu, Z. Multiple narrow bandpass optical filters based on one-dimensional rugate photonic structures of two periodicities / Z. Lu // Optics Letters. - 2011. - V. 36. - N. 4. - Р. 573-575.

66. Denisyuk, Y. An optical narrow-band filter based on a Bragg grating recorded in a microchannel waveguide with a photopolymer / Y. Denisyuk [et al.] // J. Opt. Technol. - 2013. - V. 80. - N. 3. - Р. 193-196.

67. Enyo, Т. Fabrication of narrow band pass filters for Hyper Suprime-Cam in Subaru Telescope / Т. Enyo, Т. Wada // Optical interference coatings (OCI). -2016. - P. MC4.

68. Интepфepeнциoнный фильтр, oптичeский мoдyль и aнaлизиpyющee yстpoйствo: пaтeнт Ha изoбpeтeниe PФ № 2581742: MHK G02B5/28, G02F1/21 / C. Синто, K. Krnaxapa, зaявкa 2011130834/28, oпyбл. 20.04.2016.

69. Узкополосный оптический интерференционный фильтр: патент на изобретение PФ № 2536078: MDK G02B5/28 / ГТ. Микаелян, A.A. ^зырев, заявка 2013136627/28, опубл. 20.12.2014.

70. Pulker, H.K. Characterization оf Optical thin films / H.K. Pulker // Appl. Opt. -1979. - V. 18. - N. 12. - P. 1969-1977.

71. ^esnofov, V.V. Development of аn Interference Filter Model Based оп а Total-Internal-Reflection Resonator / V.V. ^esnotov, D.V. ^esnotov, A.S. Surneva // Optoelectronics, Instrumentation and Dаtа Processing. - 2015. - V. 51. - N. 2. - P. 205-211.

72. ^echner, W. Solid-state laser engineering / W. ^ech^r. -6rd еd. - NY.: Springer, 2006. - 765 р.

73. ^ечин, С.Г. ^ан^оны твердотельных лазеров c поперечной полупроводниковой накачкой / С.Г. Гречин, П.П. Hикoлаeв // Тактовая электроника. - 2009. - T. 39. - № 1. - P. 1-17.

74. Li, S. Laser-diode-pumped zigzag skb Nd: YAG master oscillator power amplifier / S. Li ^t а!] // ^inese optics express. - 2013. - V. 11. - N. 7. - P. 071402(1-4).

75. Liu, F. Interface and material engineering for zigzag slab lasers / F. Liu ^t а1] // Scientific reports. - 2017. - V. 7. - N. 16699. - P. 1-6.

76. Brawn, D.Q parasitic oscillations and amplified spontaneous emission in face-pumped tоtаl internal reflection lasers / D.C Brown [et а!] // Proceedings оf SPIE. - 1987. - V. 736. - P. 74-83.

77. Shin, J.S. Simulation оf the wavefront distortion and bеаm quality for а highpower zigzag skb laser / J.S. Shin ^t а!] // Optics Communications. - 2016. -N. 380. - P. 446-451.

78. Sridharan, A.K. Zigzag slabs for solid-state laser amplifiers: batch fabrication and parasitic oscillation suppression / A.K. Sridharan [et а!] // Appl. Оpt. -2006. - V. 45. - N. 14. - P. 3340-3351.

79. Sridharan, A.K. Yb:YAG master oscillator power amplifier for remote wind sensing / A.K. Sridharan, S. Saraf, R.L. Byer // Appl. Opt. - 2007. - V. 46. -N. 30. - Р. 7552-7565.

80. Aрхипов, ДА. Oптимизация рабочих характеристик твердотельного лазера c диодной накачкой для космических применений / ДА. Aрхипов и др. // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2015. - T. 12. - № 6. - С. 1000-1007.

81.Звeлто, O. Принципы лазеров / O. Звeлто. - пер. c англ. - 3-е изд. перераб. и доп. - M.: «Мир». - 1990. - С. 168-175.

82.Нгуен, B^. Фильтрующие покрытия та основе нарушенного полного внутреннего отражения / B^. Нгуен, ЛА. Губанова // Фундаментальные проблемы оптики «ФПО - 2016». - Сборник трудов. - 2016. - С. 316-318.

83.Нгуен, B^. Узкополосные светофильтры та основе явления нарушенного полного внутреннего отражения / Нгуен B^. // V Всероссийский конгресс молодых ученых. - Сборник трудов. - 2016. - T. 2. - С. 52-55.

84.Нгуен, B^. Узкополосные светофильтры - поляризаторы для ближнего инфракрасного диапазона спектра / B^. Нгуен, ЛА. Губанова // Oптический журнал. - 2016. - T. 83. - № 12. - С. 31-35.

85. Нгуен, B^. ^чтос^ые возможности контроля оптических параметров диэлектрических слоев в процессе формирования интерференционного покрытия / B^. Нгуен, ЛА. Губанова // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2016. - T. 19. - № 3. - С. 180187.

86.ГОСТ 14887-80. Клеи оптические. Типы. Издания. Государственный стандарт союза СССР. - M.: Издательство стандартов. - 1988.

87.Хoанг ЛЛ. Увеличение зоны просветления оптических деталей большой кривизны [Extending Ше antireflection zone оf highly curved optics] / ЛЛ. Хоанг, ЛА. Губанова, B^. Нгуен // Компьютерная оптика Computer Optics]. - 2017. - T. 41. - № 6. - С. 856-863.

88.Нгуен, В.Б. Селективное покрытие // Сборник трудов VI Всероссийского конгресса молодых ученых. - 2017. - C. 148-150.

89. Mahmoud, S. Structure and optical properties оf thin titanium films deposited оп different substrates / S. Mahmoud // Journal оf Materials science. - 1987. -N. 22. - Р. 3693-3697.

90.Нгуен, В.Б. Подавление паразитных мoд внутри Nd:YAG пластинчатого лазера селективным покрытием / В.Б. Нгуен, Л.А. Губанова, Т.Л. Хоанг // Оптический журнал. - 2018. - Т. 85. - № 1. - C. 65-70.

91.Нгуен, В.Б. Подавление нежелательных излучений в Nd:YAG слэб-лазерах селективным покрытием / В.Б. Нгуен, Л.А. Губанова // Сборник трудов Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2017».- 2017. - C. 279-281.

92.Котликов, E.H. Оптика лазеров: учебное пособие / Е.Н. ^тликов и др. -СПБ.: ГУАП, 2013. - 123 c.

93.Ефимов, A.M. Оптические свойства материалов и механизмы их формирования / A.M. Ефимов. - СПБ.: СПБГУИТМО, 2008. - 103 c.

94.вог§о§по, J.P. Determination оf the extinction coefficient оf dielectric thin films from spectrophotometry measurements / J.P. Borgogno, Е. Pelletier // Appl. Оpt. - 1989. - V. 28. - N. 4. - Р. 2895-2901.

95.Kotlikov, E.N. A spectrophotometry method for determination оf the optical constants оf materials / E.N. Kotlikov // J. Оpt. Technol. - 2016. - V. 83. - N. 2. - Р. 77-80.

96.Tompkins, H.G. Handbook оf ellipsometry / H.G. Tompkins, E.A. Irene. -NY.: Springer, 2005. - 891 р.

97^bassum, S. Determination оf dynamic variations in the optical properties оf graphene oxide in response to gas exposure based оп thin-film interference / S. Тabassum, L. Dong, R. Kumar // Optics Express. - 2018. - V. 26. - N. 5. - Р. 6331-6344.

98.Nguyen, V.B. Измерение показателя экстинкции диэлектрических пленок та основе спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения /

V.B. Nguyen, ЛА. Ty6aroBa // mcbMa в ЖTФ. - 2018. - T. 44. - № 16. - C. 89-95.

99.Marcos, L.R. Optimization of MgF2-depositon temperature for far UV Al mirror / L.R. Marcos, et al. // Optics Express. - 2018. - V. 26. - N. 7. - Р. 9363-9372.

100. Quijada, M.A. Enhanced far-ultraviolet reflectance of MgF2 and LiF over-coated Al mirrors / M.A. QuiJada, J.D. Hoyo, S. Rice // Proc. SPIE. - 2014. -V. 9144. - P. 91444G.