Разработка и исследование перестраиваемых микромеханических интерференционных оптоэлектронных приборов для спектрального анализа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Никулин, Дмитрий Михайлович

• Никулин, Дмитрий Михайлович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Никулин, Дмитрий Михайлович

3.2.1. Жертвенный слой

3.2.2. Использование капиллярных сил

3.3. Получение зеркал

3.3.1. Требования к оптическим характеристи кам зеркальных покрытий

3.3.2. Обзор методов получения тонкопленочных металлических

зеркал

3.3.3. Обзор методов получения диэлектрических и металлодиэлектрических зеркал

3.3.4. Лабораторная технология получения дву хзеркал ьного интерферометра с микро- и наноразмерными промежутками

между зеркалами

3.4. Обсуждение результатов

4. Экспериментальный испытательный стенд и результаты измерений

4.1. Требования к конструкции и сп ытател ьн о го стенда

4.2. Испытательный стенд для исследования перестраиваемого

интерферометра в видимом диапазоне спектра

4.3. Результаты измерений

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование перестраиваемых микромеханических интерференционных оптоэлектронных приборов для спектрального анализа»

Введение

В настоящее время техника оптоэлектронных приборов и комплексов базируется, в основном, на использовании классических оптических элементов, что предполагает сборные конструкции систем, обладающие значительными массогабаритами. Однако, развитие в последние десятилетия микросистемной техники может предложить альтернативу классическим устройствам оптоэлек-троники.

Микросистемная техника развивается по нескольким направлениям, включающим микроэлектромеханические, микрооптоэлектромеханические, микрофлюидные и микропневматические системы и компоненты. Функциональные назначения микросистем различны, однако между ними имеется фундаментальное сходство, которое в «Перечне критических технологий РФ» определяется следующим образом: «сверхминиатюрные механизмы, приборы, машины с ранее не достижимыми массогабаритами, энергетическими показателями и функциональными параметрами, создаваемые эффективными процессами микро- и нанотехнологии».

Наиболее широко распространены оптические микросистемы в виде чипа с матрицей микрозеркал, угловым положением которых можно индивидуально управлять электрически; такие микросистемы являются основой компактных оптических проекторов изображений.

Значительную долю используемых в научных исследованиях и в промышленности оптических и оптоэлектронных устройств занимают спектральные приборы. Известен ряд попыток создания микроминиатюрных монохрома-то ров и спектрометров на принципах микромеханики, но создать устройства с параметрами, близкими к параметрам классических приборов, не удаётся. Трудно разрешимыми проблемами являются, кроме технологических, дифракционные ограничения при попытках обеспечить высокую разрешающую силу с верх м и н иатюрн ых спектральных устройств.

Настоящее исследование посвящено вопросам создания сверхминиатюрных спектральных микрооптоэлектромеханических систем (МОЭМС) с электрически перестраиваемым спектром оптического пропускания, выполняющих функции электрически перестраиваемых узкополосных светофильтров и моно-хроматоров. Диспергирующим элементом спектрального устройства выбран интерферометр Фабри-Перо с изменяемым воздушным промежутком между зеркалами, который практически лишен дифракционных ограничений и допускает максимально возможную миниатюризацию устройства с сохранением значения светосилы . Широкий диапазон перестройки спектра с изменением положения полосы пропускания, вплоть до октавы, обеспечивается нанотехноло-гиями изготовления МОЭМС .

В основе исследований и ожидаемых функциональных особенностей устройств лежит возможность создания методами нанотехнологии между протяжёнными поверхностями слоев многослойной тонкоплёночной структуры регулируемого эквидистантного воздушного промежутка шириной в нанометровом диапазоне размеров. Требование эквидистантности зазора заменяет собой в ряде случаев требование высокой плоскостности ограничи вающих его поверхностей. Величина зазора может быть порядка десятков и сотен нм при площади поверхностей, близкой величине используемой подложки.

Современные требования к оптическим поверхностям интерференционных устройств с высоким уровнем параметров обеспечиваются с большими технологическими сложностями - это плоскостность с допустимыми отступлениями от неё порядка десятых-сотых долей длины волны света при величине поверхности, определяющей светосилу оптического устройства, порядка единиц-десятков квадратных сантиметров.

Для получения эквидистантного нанозазора найдены нетрадиционные подходы, описываемые ниже; в нижнем диапазоне значений зазора возможно существенное влияние на расстояние между ограничивающими зазор реальными поверхностями их атомарных и структурных неровностей, что заставляет в исследованиях учитывать эти эффекты.

Возможность регулирования зазора по величине может достигаться пьезоэлектрическим, электростатическим или иным воздействием на граничащие с зазором структуры. Предлагаемый подход упрощает решение технологической части задачи создания микроприборов - анализаторов спектра.

Актуальность исследования обусловлена возможностью создания сверхминиатюрных спектральных устройств типа перестраиваемых светофильтров и монохроматоров в виде оптических микросистем с оптическими параметрами современных классических спектральных приборов подобного назначения.

Цель работы и задачи исследования

Разработка и исследование физико-технических основ оптических многолучевых интерференционных спектральных устройств микросистемной техники, электрически пересграиваемых по диапазону спектра порядка долей октавы. Решаются задачи:

- разработка элементов теории и методов расчёта оптических характеристик и температурной стабильности перестраиваемых в широком диапазоне спектра многолучевых интерферометров с эквидистантными промежутками, ограниченными имеющими отклонения от плоскостности зеркальными поверхностями;

- разработка ф и зи ко-техничес к и х основ получения регулируемых воздушных эквидистантных микро- и наноразмерных промежутков между отражающими поверхностями интерферометра с отношением апертуры интерферометра к вел ичине промежутка 104 -105;

- разработка методов электрического регулирования величины воздушных микро- и нанопромежутков между зеркалами интерферометров;

- создание и экспериментальные исследования макетов перестраиваем ых м и кромехан и чес ких многолучевых интерферометров.

Научная новизна

Научная новизна диссертационной работы заключается в создании физико-технических основ микрооптоэлектромеханических интерференционных перестраиваемых спектральных приборов.

При этом:

- впервые предложено в устройствах многолучевой интерференции для компенсации неровностей зеркал промежутки между зеркалами выполнять эквидистантными, что позволяет перестраивать интерферометр в диапазоне октавы; разработаны расчётные модели устройств,

- разработаны элементы теории перестраиваемых мульти п л екс-интерфе-рометров; показано существование эффекта переключения полос пропускания при перестройке интерферометра и достижимость разрешающей силы до 104;

- впервые предложены и разработаны способы получения регулируемых эквидистантных микро- и наноразмерных промежутков между отражающими поверхностями интерферометра с апертурой около 1 см2 и предложены методы обеспечения термостабильности интерферометров; на найденные решения получены патенты;

- разработаны конструкции и исследованы макеты перестраиваемых интерферометров видимого диапазона спектра с пьезорегулированием микро-и наноразмерных воздушных промежутков, создан измерительный стенд для исследования макетов.

Практическая значимость работы

1. Разработана лабораторная технология изготовления монохроматоров и перестраиваемых оптических фильтров видимого спектра для микросистемных устройств оптоэлектроники, применимая также при создании спектральных устройств ближнего ИК-спектра;

2. Разработана лабораторная технология получения наноразмерных регулируемых промежутков между полированными поверхностями для оптических устройств микрооптики и оптоэлектроники, основанных на эффектах оптического туннелирования через малые промежутки;

3. Разработанный испытательный стенд применим в лабораторном практикуме учебного процесса;

4. При выполнении законченной НИР «Стокер» (2005-2008 гг.) использованы разработанные соискателем в ходе исследований по диссертации технологии получения зеркальных покрытий и мембран.

Основные результаты исследования, выносимые на защиту

1. Разработка основ теории перестраиваемых оптоэлектромикромехани-ческих интерферометров и светофильтров на основе Фабри-Перо.

2. Разработка физико-технических основ функционирования перестраиваемого светофильтра, на основе использования мультиплекс-интерферометра, с возможностью перестройки светофильтра с низким порядком интерференции в пределах видимого диапазона спектра.

3. Лабораторная технология изготовления перестраиваемого светофильтра на основе интерферометра Фабри-Перо с эквидистантными промежутками между зеркалами интерферометра, имеющими отклонениями от плоскостности.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались и представлялись на: III, IV, V, VI и VII Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь» (Новосибирск, 2007 г., 2008 г., 2009 г., 2010 г., 2011 г. и 2012 г.), а также на научных семинарах и совещаниях кафедры физики СГГА.

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 13 научных работах и 2 патентах, в том числе: 2 работы опубликованы в ведущих рецензируемых журналах «Изв. вузов. Приборостроение» и «Письма в ЖТФ», соответствующих профилю диссертации и входящих в перечень изданий, определенных ВАК Минобрнауки РФ, 8 статей в материалах международных конгрессов и конференций.

1. Классификация и сравнительная оценка параметров диспергирующих устройств оптических спектральных приборов

1.1. Классификация фильтров оптического излучении и характеризующие их основные параметры

По виду спектральной характеристики фильтры разделяются на полосовые и отрезающие (рис. 1, а, б).

Рис. 1. Спектральные характеристики полосового (а) и отрезающего (б) фильтров [1]

Параметрами полосового фильтра являются прозрачность в максимуме Гтах, рабочая длина волны Х0, ширина полосы 5л. на половине максимальной прозрачности, прозрачность Тф за пределами полосы (фон) и контрастность, выражаемая отношением Гтах / Тф. Величина Х0/ЬХ, представляющая собой

добротность фильтра, в простейших случаях составляет 10^ 100. В применении к спектральным приборам величину Х0 / 8Х называют разрешающей способностью, разрешающей силой. Для средних и хороших по разрешению спектральных приборов типичны значения А,0 / бл,=103 -КЮ5, для спектральных приборов высокой разрешающей силы - 105 -ПО7. Методами нелинейной спектроскопии достигают разрешения еще на 5 ч-7 порядков выше. Во многих случаях фильтрующие устройства должны обеспечивать передвижение (сканирование) выделяемого участка 6л относительно спектра.

Для отрезающих фильтров (рис. I, б) кроме длины волны перехода от прозрачности к непрозрачности важной величиной является крутизна спектральной характеристики. Отрезающие фильтры широко используются для устранения мешающего коротковолнового излучения, а также в комбинации с другими фильтрами, например интерференционными.

По принципу действия фильтрующие устройства делятся на две группы. К первой группе относятся поглощающие (абсорбционные) фильтры. Действие фильтров второй группы основаны на дисперсии, отражении, рассеянии, дифракции, интерференции [1].

1.2. Тонкопленочные интерференционные фильтры [1]

Интерференционный тонкопленочный светофильтр состоит из нескольких чередующихся прозрачных слоев диэлектрика с большим и малым значениями показателя преломления (рис. 2).

SIS

Рис. 2. Интерференционный светофильтр: пример фильтра с семислойными диэлектрическими слоями [1]

На рис. 2 обозначены четвертьволновые слои с высоким В и низким Н показателем преломления, 2Н - полуволновый слой, В - стеклянная подложка и защитная пластинка. Диэлектрические слои будут обладать максимумом про-

X

зрачности для длины волны при выполнении условия: й1со8ф = ^,

ц = 1,2,3,..... (где п - показатель преломления вещества, /, - толщина слоя, д —

порядок интерференции, ср - угол преломления луча). Такой слой может служить фильтром с максимумами прозрачности при X = Х(), X = Х0 / 2, л = Х() / 3 и

т.д. соответственно для q= 1,2,3...

Для оценки оптической плотности А, многослойного покрытия и её изменения АА при добавлении новой пары слоев можно воспользоваться прибли-

В

, АА - 21g(—), где р - колли-Н

чества пар слоев покрытия. Кроме того, оптическая плотность покрытия зависит от порядка следования слоев: наибольшее значение А принимает в случае, когда покрытие начинается и заканчивается слоем с большим показателем преломления. По приведенной формуле можно оценить количество слоев фильтра, исходя из заданных характеристик.

Типичные интерференционные светофильтры в видимой области спектра имеют полосу пропускания шириной 1-2 нм [1].

1.3. Дифракционные фильтры

Дифракционные фильтры основаны на использовании спектральных свойств дифракционных решеток. Одномерные дифракционные решетки представляют собой пространствен ную пери од и ч ее кую в одном направлении структуру; плоская волна, прошедшая решетку, преобразуется в дискретный набор плоских волн, распространяющихся под разными углами относительно направления исходной волны [2].

Направления на главные максимумы дифракционной картины определяется уравнением: dsin8 = qX, где q - целое число (порядок дифракционного спектра); d - период решетки; 0 - угол, на который отклоняется длина волны -

I.

Решетка разлагает падающий на неё не монохроматический свет в спектр, т.е. обладает д и с пергиру ющим и свойствами. При использовании решетки в качестве светофильтра маской со щелью выделяют нужную часть спектра решетки.

женными формулами: А « 21g

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Никулин, Дмитрий Михайлович

2.7. Выводы

- разработаны основы теории интерференционных эффектов прохождения света через эквидистантные зазоры между зеркалами с нарушениями их плоскостности, показано, что обеспечение эквидистантности зазоров снижает требования к плоскостности интерферометров;

- разработаны основы: теории мультиплексных сканирующих интерференционных спектральных устройств, показаны достижимость полосы регулирования порядка октавы и разрешения до 104 с возможностью регулирования спектра путём переключения линий пропускания;

- исследованы вопросы термической стабильности микромеханических интерферометров и предложены методы уменьшения и компенсации температурных уходов положения линий пропускания спектров, в том числе, с использованием самокалибровки интерферометра;

3. Исследование технологических основ получений зеркальных систем с регулируемыми воздушными эквидистантными нано- и микроразмерными промежутками между зеркалами

3.1. Получение воздушных зазоров между плоскими элементами

Глава посвящена обсуждению физических и технологических проблем получения эквидистантных микро- и наноразмерных воздушных промежутков между протяжёнными поверхностями плоских подложек, в частности, между зеркалами интерференционных оптических устройств. Получение таких промежутков является важной задачей при разработках компонентов микросистемной техники типа оптических электроуправляемых спектральных фильтров.

В оптике и м и крое истем ной технике широко используются по крайней мере две технологии получения плоских воздушных промежутков между поверхностями плоских тел - с использованием жертвенного (удаляемого) слоя между поверхностями скрепляемых параллельно друг другу пластины и гонко-плёночного плоского слоя [47], и с использованием калиброванных прокладок, размещаемых между соединяемыми пластинами локально (например, при изготовлении интерферометров Фабри-Перо [48]. Вариантом последнего метода является технология изготовления на плоской поверхности одной пластины методом ионного травления плоской выемки с глубиной, равной необходимому промежутку, и соединение подготовленной пластины с другой плоской пластиной на «оптическом контакте» [40]. Жертвенный слой применяется при создании поверхностных микротопологий с нависающими или отделяемыми от подложки структурными элементами в технологиях микромеханики [47]. Получение промежутка с помощью прокладок - распространённый приём в оптике и механике.

Задача получения воздушного промежутка существенно усложняется при необходимости его выдерживания плоским по всей поверхности пластин с точностью до сотых и менее долей длины волны света, требующейся в оптических устройствах [40], так как трудоёмким является изготовление самих пластин с указанным значением плоскостности.

3.2. Исследованные технологические методы получения воздушных зазоров мезвду плоскими элементами

3.2.1. Жертвенный слой

Технология изготовления перестраиваемого мультиплекс-светофильтра с использованием жертвенного слоя показана на рис. 38 [43].

На поверхность подложки 1, на которой могут иметься нарушения плоскостности, наносят (рис. 38, а) последовательно вакуумным испарением зеркальный слой 2, жертвенный слой 4 и второй зеркальный слой 3. Затем поверх слоёв наносят каплю твердеющей эпоксидной смолы 5 и вторую пластину, которая также, как и первая, может иметь нарушения плоскостности. После затвердевания смолы жертвенный слой необходимо удалить (рис. 38, б), например, травлением; между зеркальными слоями остаётся эквидистантный воздушный промежуток 6, ширина которого равна толщине жертвенного слоя и везде одинакова, несмотря на неровности поверхностей пластин.

Рис. 38. Схема получения эквидистантного воздушного промежутка

Получение воздушного промежутка по рассмотренной простой схеме приводит к затруднениям при необходимой его величине 0,1 - 0,2 мкм и пло

1 2 г щади пластин ~1 см , так как удаление жертвенного слоя из узкой щели треоу-ет значительного времени.

На рис. 39, показана фотография макетного образца, изготовленного по предложенной технологии.

Рис. 39. Макетный образец

На рис. 40, показан макетный образец, после разъединения полированной поверхности 1 с зеркальным слоем 3, от пьезоэлектрического элемента 9.

Рис. 40. Образец после разъединения

Из рисунка видна, что зеркальный слой 5, приклеенный твердеющим материалом 6 к пластине 7, имеет хорошую зеркальность (не измерялась).

В экс пери ментальном. образце в качестве жертвенного слоя использовался маннит. Эксперименты с его растворением в воде и последующим удалением показали, что в качестве жертвенного слоя он не пригоден, т.к. при его растворении в воде и большой длительности процесса происходит полное окисление плёнок алюминия, это видно на рис. 41.

Рис. 41. Окисленная пленка алюминия

Чтобы избавиться от неприятных последствий процесса удаления манни-та, применялось механическое отделение плёнки алюминия от жертвенного слоя. После разделения зеркал, маныит оставался на одном из зеркале алюминия. При механическом разделении, между зеркалами интерферометра Фабри-Перо образовывался клин, о его величине можно было судить по интерференционным полосам (от 0,15 мкм до 1 мкм), при этом было замечено, что клин со временем увеличивался.

3.2.2. Использование капиллярных сил

На рис. 42. приведена схема устройства, при изготовлении которого получение эквидистантного промежутка между зеркальными покрытиями не требует применения жертвенного слоя.

Рис. 42. Получение воздушного промежутка между поверхностями с использо

Как и в первом случае, используется прозрачная пластина 1 с зеркальным слоем 3; на её поверхность наносят каплю жидкости, смачивающей зеркал ьванием капиллярных сил. ные слои, затем укладывают заранее подготовлен ну ю полимерную плёнку толщиной ~ 1 мкм с зеркальным покрытием с нижней стороны, поверх каплю эпоксидного клея 7 и вторую прозрачную пластину 2. На нижней пластине закреплён клеем 9 цилиндр 8, во внутреннюю полость которого входит верхняя пластина и также закрепляется клеем 9.

Объём наносимой капли жидкости необходимо выбрать таким, чтобы мениск 6, образованный на поверхности жидкости в промежутке между зеркалами, не вышел за пределы границ полимерной плёнки. При этом условии слой растёкшейся жидкости оказывается под отрицательным давлением (так как вогнутость мениска направлена в сторону воздуха), которое прижимает полимерную плёнку к нижней пластине, распластывая плёнку по всем неровностям поверхности. Затвердевание клея фиксирует «распластанное» положение полимерной плёнки. Для образования эквидистантного воздушного промежутка между зеркальными слоями необходимо удалить жидкость из капиллярного слоя и верхнюю пластину поднять на требуемую высоту (с помощью цилиндра 8, который может быть изготовлен из пьезокерамики). Давление внутри слоя жидкости между смоченными поверхностями относительно давления во внешней среде можно определить в соответствии с уравнением Лапласа - Юнга [49] как для мениска с ци л и н др и ч ее ко й симметрией:

Ар-а / R, (3.1) где Ар - разница давлений внутри жидкости и снаружи, а - поверхностное натяжение жидкости на границе с воздухом, R - радиус закругления поверхности мениска. При полном смачивании R = а / 2. Используем воду (а « 0,073Н / м); при ¿/=0,1 мкм получим для отрицательного давления в капиллярном слое значение Ар = 1, 46 МПа (14,6 агм), что подтверждает предположение о достаточности капиллярного давления для прижима полимерной плёнки.

Представляет интерес определение условий, су шествую щих в прослойках жидкости манометровой толщины. При сближении поверхностей тел, разделённых достаточно гонкой прослойкой жидкости или газа, между поверхностями возникают силовые взаимодействия, обусловленные существованием граничных слоев жидкости, внутри которых действуют поверхностные силы твёрдого тела, сказывается адсорбция молекул жидкости на поверхности и т.д. Силовое взаимодействие возникает при перекрытии граничных слоев и имеет характер расклинивающего. В работе [50] приведён обзор современных представлений о составляющих расклинивающего давления, в числе которых наличие двойного электрического слоя, изменение структуры жидкости, адсорбция низкомолекулярных веществ, и др.

Двойной электрический слой у границы раздела фаз формируется в случае использования растворов электролитов, имеет диффузионный характер; при сближении диффузионные приграничные атмосферы перекрываются, и если они имеют один знак, то поверхности отталкиваются. Для оценочных расчётов расклинивающего давления может быть применена формула [50]:

Пе = г, п}квТ А V еф, киТ ех

РЫ/АЬ (3.2) где к0 - обратный дебаевский радиус, к - толщина прослойки, с|>г - потенциал поверхности, кв - постоянная Больцмана, г - заряд электрона, Т - абсолютная температура раствора, п1 - концентрация ионов в растворе, - валентность иона. Приведённый в [50] график теоретической зависимости расклинивающего давления от величины прослойки позволяет оценить величину давления. Если используется водный однопроцентный раствор, содержащий одновалентные ионы, и при расчёте принять обычное значение потенциала поверхности, находящейся в электролите, ф, =50 мВ, то при сближении поверхностей до расстояний 2-4 нм расклинивающее давление достигнет 5000 Па, го есть, оказывается малым в сравнении с капиллярным давлением.

Адеорб ционн ая составляющая расклинивающего давления вызвана тем, что вследствие адсорбции молекул раствора на поверхности изменяется, во многих случаях увеличивается, их концентрация в граничном слое раствора; слои с изменённой концентрацией могут быть протяжёнными, их перекрытие при сближении поверхностей приводит к появлению раскли н ивающего давления. Для адсорбционной составляющей раскл инивающего давления в [48] приведена формула: г А

Па = з , (3.3)

Ут(к-8) где - концентрация растворённого вещества в объёмной фазе, - молекулярный объём растворённого вещества, И - толщина прослойки, 5толщина адсорбированного слоя, А8а - постоянный коэффициент. При условии к »5из формулы следует резкий кубический рост рас кл и н и ваю ще го давления с уменьшением расстояния между поверхностями.

Структурная составляющая раскл и ни вающего давления обусловлена тем, что вблизи межфазных поверхностей структура жидкостей отличается от структуры объёмной фазы. Структурную организацию жидкости трактуют как среднюю ориентацию осей молекул вдоль выделенного направления. При сближении поверхностей граничные слои перекрываются, что приводит к возникновению расклинивающего давления ЯД/?):

А кЛ

П,(Я) = К^схр -— , (3.4)

V ) где К55 - характеризует величину структурнь[х сил, а Я,55 - их дальнодействие.

Значения этих параметров изменяются в пределах 103 - 107 Па и 1 - 3 нм, соогвегственно. Подсчёт показывает, что при величине зазора в реальном нано-устройстве 10 нм рас к л и н и ваю шее давление может иметь значение не более 3,5-105 Па.

Сравнение составляющих рас кл и н и вающе го давления с капиллярным в жидкой прослойке показывает существенно большую величину капиллярного вплоть до величины зазора между поверхностями порядка единиц нанометра. Для молекулярно гладких поверхностей наименьшая физически достижимая величина зазора равна удвоенной толщине адсорбиро ван н о го поверхностями мономолекулярного слоя жидкости.

Реальные поверхности обладают той или иной степенью отклонений от плоскостности и шероховатостью. Например, в серийном оптическом производстве при изготовлении изделий по высшему классу точности допуск на отклонение формы поверхности зеркал точных приборов определяется числом колец интерференции ¿V =0,1 - 0,5 (0,05 - 0,25 мкм на диаметре порядка 10 см), шероховатость полированных поверхностей ./? = 0,05 - 0,025 мкм на базовой длине 0.8 мм [4]. Неровности реальных поверхностей твёрдых тел приведут к тому, что минимальная толщина прослойки определится размерами выступов, имеющихся на поверхности.

Приблизиться к минимальной толщине жидкой прослойки, равной удвоенной толщине ад сорб ирова н но го слоя, можно, если в качестве одного из соприкасающихся тел, как предложено выше, использовать пластичную тонкую (доли мкм) полимерную плёнку.

Для получения воздушной среды в капиллярном промежутке жидкость должна быть из него удалена, например, нагреванием и испарением. Эквидистантность воздушного зазора и его малая величина могут приводить к слипанию поверхностей под действием м еж м о л е кул я р н ы х сил. Основными силами, о п ре дел я ю щи м и взаимодействие между твёрдыми телами, являются межмолекулярные дисперсионные силы [50, 51]. В приведённом в [50] обзоре математических моделей межмолекулярного взаимодействия указывается на существование двух подходов к расчёту сил взаимодействия между твёрдыми телами: без учёта эффекта электромагнитного запаздывания отклика состояния одной молекулы на изменение состояния другой и с учётом этого запаздывания. Силы взаимодействия для этих случаев определяются формулами:

- без учёта запаздывания

3.5)

- с учетом запаздывания

3.6) где Ан и А[т - постоянные Гамакера, 5 - площадь поверхности приложения сил. Эффекты запаздывания становятся существенными, когда расстояние между поверхностями достаточно велико: где - длина волны характерной полосы поглощения конденсированной фазы принимается в случае любых метал л ич ее ки х поверхностей соответствующей ближней ул ьтрафиолетовой области, при этом к » 30 нм). X

Для сил без учёта запаздывания, когда к —, в работе [50] приведены значения постоянной Гамакера для некоторых тройных систем: металл - воздух - металл Аи =40 -10"20 Дж; силикат - воздух - силикат /Г, =7,9 -10 20 Дж; полимер - воздух - полимер Аи =6,4-10 20 Дж. Пересчёт дисперсионных сил на давление Р! 8, ими оказываемое на смежные поверхности тел в системе металл - воздух - металл, дает при величине воздушного промежутка 0,5 - 5 -10 нм значения 1,7-108 -1,7-103 - 2,1-104 Па, соответственно; для системы силикат - воздух - силикат при тех же значениях промежутка давление

В рассмогренном выше случае получения зазора в системе металл - воздух - металл с помощью капиллярной прослойки жидкости, толщина которой может доходить до удвоенной толщины адсорбционного слоя молекул /г«0,5 нм, расчётное притяжение поверхностей, обеспечиваемое дисперсионными си

2 тс'

3.7)

3,6-107 -3,6-КГ - 4-КГ Па. лами, может достигать значений, при которых поверхности монолитно сцепляются; в большей степени подходит для реальных структур оптических устройств с эквидистантными нанозазорами система силикат - воздух - силикат, в которой притяжение поверхностей существенно меньше и недостаточно для их сращивания.

Силы поверхностного притяжения при наноразмерных величинах воздушных промежутков между плоскими поверхностями деталей конструкции могут вызывать в конструкциях значительные упругие силы и деформации. Для примера рассмотрим конструкцию устройства, в котором стеклянный кубик со стороной а одной гранью закреплён неподвижно, а противоположная - металлизирована и является стороной воздушного капиллярного плоского промежутка. При воздействии на металлизированную грань притяжения со стороны воздушного промежутка кубик упруго деформируется ; величину деформации найдем, используя закон Гука:

QaF —-, (3.8)

SE» где Ею - модуль Юнга ( для стекла Ею = 0,5-10" Па [46]), 0 - доля поверхности грани кубика, обращенной к зазору и занятой плоскими участками с номинальными расстояниями от них до противоположной стороны зазора. Значение О зависит от технологий подготовки поверхностей и получения вакуумного промежутка. Подсчет для величин зазора 0,5 нм, 5 нм и 10 нм с использованием ранее полученных значений F / S при стороне кубика а=1 см и 0 =1 даёт значения Аа -3,4-Ю4 нм, 34 нм и 4 нм, соответственно, что превышает величину зазора или близко к его значению. Общая сила, действующая на кубик в рассматриваемых условиях, имеет значение порядка 106 - 10я -102 Н.

Из приведённого анализа и полученных расчётных данных видно, что при изготовлении оптических устройств с рабочими промежутками между поверхностями менее 5 - 10 им влиянием дисперсионных сил на поверхности, ограничивающие промежуток, пренебрегать нельзя. Величина дисперсионных

79 сил может быть достаточной для деформации конструкциейных элементов устройств и изменения величины промежутков.

33» Получение зеркал

3.3.1. Требования к оптическим характеристикам зеркальных покрытий

Из таблицы 2, видно, что для улучшения разрешающей способности ИФ1Т, важно учитывать значение И - коэффициента отражения зеркал. В интерферометрии используют три вида зеркал: металлические, диэлектрические и металлодиэлектрические.

3.3.2. Обзор методов получения тонкопленочных металлических зеркал

Металлы обладают коэффициентом отражения, близким к единице, только для излучения с длинами волн более 10—12 мкм. С уменьшением длины волны коэффициент отражения падает. В видимой и УФ-областях спектра проявляется внутренний фотоэффект, и ход кривых усложняется. Как видно из рис. 6, отражение серебра, например, имеет резкий минимум при л. = 316 нм (К = 4,2%), вызванный наличием полосы поглощения при X = 320 нм. Серебряные пленки могут даже служить сравнительно узкополосным светофильтром для X = 316 нм. В видимой области спектра серебряные зеркала имеют наилучший коэффициент отражения. Величины коэффициентов отражения металлических зеркал зависят от технологии их изготовления (пример приведен на рис. 43, а, б) [1].

Также, на величину коэффициента отражения металлов влияет чистота испаряемых металлов, скорость испарения, температура подложки, неровность напыляемой поверхности, метод испарения, угол испарения. Для оценки влияния некоторых из перечисленных факторов на отражение алюминиевых зеркал приведены таблицы 5-6 [52].

Рис. 43. Коэффициенты отражения от гладких поверхностей некоторых металлов в зависимости от длины волны. На кривых а) и б) показано влияние технологии изготовления алюминиевого зеркала на величину коэффициента отражения: в случае (1) зеркало напылено в высоком вакууме (10"6Тор), в случае (2) - сверхвысоком (10 5 Тор) [1]

Заключение

Проведены исследования по созданию микромеханических перестраиваемых оптических фильтров и монохроматоров и получены следующие результаты:

- разработана расчётная модель учёта влияния на оптические параметры интерференционных приборов отклонений от плоскостности поверхности зеркал в них с эквидистантными промежутками между зеркалами;

- разработаны элементы теории мультиплексных перестраиваемых интерферометров; показано существование эффекта переключения полос пропускания интерферометра при регулировании ширины межзеркального промежутка интерферометра с меньшим порядком интерференции и достижимость разрешающей силы до 1 (Г с возможностью перестройки спектра пропускания в пределах октавы;

- исследованы ф изи ко-тех но л о ги чес ки е проблемы получения регулируемых воздушных эквидистантных микро- и наноразмерных промежутков между отражающими поверхностями интерферометра с апертурой около 1 см~\ на способ получения воздушных промежутков и устройств интерферометров с эквидистантными зазорами получены патенты;

- разработана лабораторная технология технология получения наноразмерных промежутков;

- исследованы вопросы температурной стабильности микромеханических интерферометров и предложены методы уменьшения и компенсации температурных уходов положения линий пропускания спектров;

- разработана конструкция, изготовлены и исследованы макеты перестраиваемых интерферометров видимого диапазона спектра с пьезорегулирова-нием межзеркальных эквидистантных микро- и наноразмерных воздушных промежутков на созданном измерительном стенде. Результаты испытаний подтверждают в целом результаты теоретических исследований;

- разработаны основы лабораторной технологии изготовления монохроматоров и перестраиваемых оптических фильтров видимого спектра для микрооптических устройств о итоэлекгронники, применимые также при создании спектральных устройств ближнего ИК - диапазона спектра.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Никулин, Дмитрий Михайлович, 2012 год

Список литературы

1. Лебедева, В.В. Экспериментальная оптика / В.В. Лебедева. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1994. - 352 с.

2. Стафеев С.К., Боярский К.К., Башни на Г.Л. Основы оптики: Учебное пособие. - СПб.: Питер, 2006. - 336 е.: ил.

3. Электронный ресурс : httpi//physics.mipt.m/S_IV/Opt_man/5.9.pdf

4. Пат. №2 091 732 Российская Федерация МПК 6 G01J3/26 Перестраиваемый интерферометр Фабри-Перо // Богатова Г.А., Калинин Ю.А., Марков И.А., Перебейнос В.В., Чебуркин Н.В; заявитель и пате нтообл ад ате л ь: государственное предприятие-особое конструкторское бюро "Гранат"; заявл.07.04.1995; опубл. 27.09.1997;

5. Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. / Машиностроение., 1975 г., 312 с. с ил.

6. Справочник по лазерам. / Под ред. акад. A.M. Прохоров. В 2-х томах. Т.П. - М.: Сов. Радио, 1978.- 400 е., ил.

7. Техника и практика спектроскопии. Зайдель A.M., Островская Г.В., Островский Ю.И. (Серия «Физика и техника спектрального анализа»). Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука». М., 1976 г., 392 е., ил.

8. Шлишевский, В.Б. Теория и практика светосильной растровой спектроскопии [ Текст] : монография / В.Б. Шлишевский. - Новосибирск: СГГА, 2005. -264 е.: ил.

9. A.c. №359997 ""Мембранный модулятор света" приоритет от 7 апреля 1970 г.Чесноков В.В.

10. А.с.№363398 "Мембранный модулятор света" приоритет от 7 апреля 1970 г. Чесноков В.В.

11. Э.Г.Косцов, Состояния и перспективы микро- и наномеханики, Автометрия. 2009.Т.45,№>3, стр.29

12. Дж.Фрайден. Современные датчики. Справочник. Москва: Техносфера,

2005.-592 с. ISBN 5-94836-050-4

13. В. Halg, A silicon pressure sensor with a low-cost contactless interferomet-ric optical readout. Sensors Actuators A 30, 225-229,1992.

14. Dakin, J. P., Wade, C. A. and Withers, P. B. An optical fiber pressure sensor, SPIE Fiber Optics '87: Fifth International Conference on Fiber Optics and Optoelectronics, Bellingham, 1987, pp. 194-201.

15. Lee, С. E. and Taylor, H. F. Fiber-optic Fabry-Perot temperature sensor using a low-coherence light source. J. Lightwave Technol. 129-134,1991.

16. Wolthuis, R. A., Mitchell, G. L., Saaski, E., Haiti, J. C. and Afromowitz, M. A. Development of medical pressure and temperature sensors employing optical spectrum modulation. IEEE Trans. Biomed. Eng. 38, 974-980, 1991.

17. Электронный ресурс: www.fiso.com

18. J. Stone and L. W. Stulz, "Pigtailed high-finesse tunable fibre Fabry-Perot interferometers with large, medium and small free spectral ranges," Electronics Letters, vol. 23, no. 15, 781-782, Jul. 1987.

19. M. Miller and F. J. Janniello, "Fiber Fabry-Perot filter with passive temperature compensation and its application in a wavelength-division multiple-access computer network," OFC91 Technical Digest, 45.

20. K. Hsu, and R. Cormack, "Tunable optical filters for dynamic networks,'* Proceedings of 53rd Electronic Component and Technology Conference, pp. 776 -781, May 27-30, 2003.

21. http://wvvvv.physikinstrumente.com/tuiorial/, "Theory and Applications of Piezo Actuators and PZT NanoPositioning Systems," Provided by Physik Instrument (PI), GmbH & Co. KG.

22. K. Hirabavashi, H. Tsuda, and T. Kurokawa, "Tunable liquid-crystal Fabry-Perot interferometer filter for wavelength-division multiplexing communication systems," J. Lightwave Technol., vol. 11, no. 12, pp. 2033-43, 1993.

23. Sneh, К. M. Johnson, and J.-Y. Liu, "High-speed wavelength tunable liquid crystal filter," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 7, no. 4, pp. 379-381, 1995.

24. S. Matsumoto, K. Hirabavashi, S. Sakata, and T. Hayashi, "Tunable wave-

length filter using nano-sized droplets of liquid crystal," IEEE Photon. Techno). Lett., vol. 11, rio.4, pp. 442-444, 1999.

25. E. C. Vail, M. S. Wu, G. S. Li, L. Eng and C. J. Chang-Hasnain, "GaAs micromachined widely tunable Fabry-Perot filters," Electron. Lett., vol. 31, no. 3, pp. 228-229,1995.

26. T. Amano, F. Koyama, T. Hino, M. Arai, and A. Mastutani, "Design and Fabrication of GaAs-GaAlAs Micromachined Tunable Filter with Thermal Strain Control," J. Lightwave Technology, vol. 21, no. 3, pp. 596-601, 2003.

27. T. T. D. Tran. Y. H. Lo, Z. H. Zhu, D. Haronian, and E. Mozdv, "Surface micromachined Fabry-Perot tunable filter," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 8, no. 3, pp. 393-395,1996.

28. H. Alause, J. P. Malzac, F. Grasdepot, V. Nouaze, J. Hermann, W. Knap, "Micromachined optical tunable filter for long term stability gas sensors," I EE Proc.-Optoelectron., vol. 144, no. 5, 350-354, Oct. 1997.

29. P. Tayebati, P. Wang, D. Vakhshoori, and R. N. Sacks, "Microelectrome-chanical tunable filters with 0.47nm linewidth and 70nm tuning range," Electron. Lett, vol. 34, no. 1, 76-78, 1998.

30. L. Yuan; W. Jin; L. Zhou; Hoo, Y.L.; Demokan. M.S.; "Enhancement of multiplexing capability of low-coherence interferometric fiber sensor array by use of a loop topology," J. Lightwave Technol, Vol. 21, no. 5, May 2003, pp. 1313 - 1319

31. F. Sugihwo, M. C. Larson, J. S. Harris, "Micromachined widely tunable vertical cavity laser diodes," J. of Microelectromechanical Systems, vol. 7, no. 1, pp. 48 - 55, March 1998.

32. R. S. Tucker, D. M. Baney, W. V. Sorin, C. A. Flory, "Thermal noise and radiation pressure in MEMS Fabry-Perot tunable filters and lasers," IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 8, no. 1, pp. 88-97, 2002.

33. H. A. Macleod, "Thin-Film Optical Filters," 2nd Edition, McGraw-Hill Publishing Company, 1989, New York.

34. Y. Suemura, A. Tajima, N. Hennii, H. Morimura, and H. Takahashi, "An Adaptive Wavelength Tunable Optical Filter Employing an Angle-Tuned Interfer-

ence Filter and an Intelligent Digital Controller," J. Lightwave Technol., vol. 14, no. 6, 1048-55, June 1996.

35. Santec product data sheet, "Optical Tunable Filters OTF-610," from

www.santec.com.

36. D. Hohlfeld and H. Zappe, "A silicon-based tunable optical filter designed for low power consumption and fast thermal modulation," Optical MEMS 2002. Conference Digest. 2002 IEEE/LEOS International Conference on, 20-23 Aug. 2002, pp. 171 - 172.

37. L. Domash, M. Wu, N. Nemchuk, and E. Ma, "Tunable and switchable multiple cavity thin film filters," J. Lightwave Technol., vol. 22, no. 1, pp. 126-135, 2004.

38. Y. C. Chung, "Temperature-tuned ZnS eta!on filters for WDM systems," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 4, no. 6, 600-602, Jim. 1992.

39. Скоков, И.В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике / И.В. Скоков. - М.: Машиностроение, 1989. - 256 с.

40. Справочник технолога-оптика /М'.А. Окатов. Э.А. Антонов, А. Байго-жин и др.; Под ред. М.А. Окатова. СПб.: Политехника, 2004. - 679 с.

41. ГОСТ 2789-73

42. Жиглинский А.Г., Кучинский В.В. Реальный интерферометр Фабри-Перо. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1983.-176с., ил.

43. Пат. № 2 388 025 Российская Федерация МПК G02B 5/28 (2006.01) Способ изготовления перестраиваемого светофильтра с интерферометром Фаб-ри-Перо // В.В. Чесноков, Д.В. Чесноков, Д.М. Никулин, А.Е. Чесноков; заявитель и патентообладатель: сиб. гос. геодез. академ. (ГОУ В ПО СГЕА); за-явл.21.07.2008: опубл. 27.04.2010; Бюл.№ 12.

44. Губанова Л.А. Методические указания к лабораторным работам: по курсу "Технология оптических покрытий". - СПб: СПбГИТМО, 2003. - 62 с.

45. Чесноков, В.В. Интерференционные светофильтры с перестраиваемой полосой пропускания / В.В. Чесноков, Д.В. Чесноков, Д.М. Никулин // Изв. вузов. Приборостроение. - 2009. - Т. 52, № 6. - С.63-68.

46. Справочник по сопротивлению материалов. /Писаренко Г. С, Яковлев А. II, Матвеев В. В. - Киев: Наук, думка, 1988. - 736 с.

47. В. Варадан, К. Виной, К. Джозе. ВЧ МЭМС и их применение. М.: Техносфера, 2004. - 525 с

48. Оптика и атомная физика. Отв. ред Р. И. Солоухин. Новосибирск: Наука. Сиб. Отделение. 1983, - 383 с.

49. Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии. Учеб. для вузов- Л.: Химия, 1984.-368 с.

50. Рол дуги н В. И. Физикохимия поверхности: Учебник - монография /В.И Ролдугин - Долгопрудный: «Интеллект». 2008. - 568 с.

51. Зимон А.Д. Адгезия ныли и порошков. М.: Химия, 1976. - 431 с.

52. Holland L, Williams B.J. —J. Sel Instrum, v. 32, 1955, p. 287.

53. Фурман Ш.А. Тонкослойные оптические покрытия. Л, Машиностроение», 1977. 264 с. с ил.

54. Нагибина И. М. И нтерферен ци я и дифракция света. Л.: Машиностроение, 1974. 359 с.

55. Гугель, Б.М. Люминофоры для э л е к т р о в а ку у м н о й про м ы ш л е н н ости/ Б.М. Гугель.- М.: Энергия, 1967.

56. Хасс, Дж. Физика тонких пленок. Т.7/ Дж. Хасс, М.Х. Франкомб, Р.У. Гофман. - М.: Мир, 1977.

57. Никулин Д.М, Чесноков В.В., Чесноков Д.В. Четырехзеркальный микро меха н и чески й перестраиваемый интерферометр Фабри-Перо // ГЕО-Сибирь-2009. Т. 5. Оптико-физические и теплофизические исследования, микротехника и нанотехнол оги и. Ч. 1 : сб. матер. V Между нар. научн. конгресса «ГЕО--Сибирь-2009», 20-24 апреля 2009 г., Новосибирск. - Новосибирск : СГГА, 2009. - С.201--204.

58. Никулин, Д. М. Испытательный стенд для измерения спектральных характеристик перестраиваемых микромеханических интерферометров Фабри-Перо / Д. М. Никулин // Ингрэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. научн. конгр, 10-20 апреля 2012 г, Новосибирск : Междунар. научн. конф. «Специа-

лизированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, на-нотехнологии» : сб. материалов в 2 т. Т. 1. - Новосибирск : СГГА, 2012. - С. 126-131.