Исследователи Красноярского научного
центра СО РАН совершили значительный шаг вперёд в создании оптических фильтров.
Они разработали принципиально новую конструкцию, использующую всего семь
чередующихся слоёв кварца и серебра, в то время как традиционные аналоги
требуют 20 и более слоёв. Эта инновационная комбинация материалов позволила
радикально уменьшить размеры фильтров без потери эффективности.
Конструкция с добавлением серебра обеспечивает высокую точность фильтрации
сигналов, позволяя точно выделять нужные цвета в видимом и инфракрасном
диапазонах. Благодаря этим фильтрам можно создавать более компактные и
эффективные оптические устройства для телекоммуникаций, спутниковой связи,
медицинской диагностики и спектроскопии.
Оптические фильтры — это устройства, которые
избирательно пропускают свет в определённых диапазонах длин волн (цветов).
Такие фильтры работают на основе многослойных структур и действуют как «сито»
для света, выделяя нужные части спектра и отсекая ненужные. Например, фильтр в
камере ночного видения пропускает инфракрасный свет, но отсекает видимый.
Традиционные оптические фильтры конструируют из множества тонких слоёв с
разными показателями преломления. Большая часть этих слоев составляют зеркала,
которые отражают лишний свет. Такие фильтры эффективны, но нанесение большого
количества слоёв сложно и дорого.
Учёные Красноярского научного центра СО РАН
предложили новый тип оптических фильтров, использующих чередующиеся слои
серебра и кварца. Это позволило создавать компактные и эффективные фильтры с
небольшим количеством слоёв и улучшенными характеристиками. Такие фильтры
способны точно выделять нужные цвета в видимом и инфракрасном диапазонах, что
повышает их точность и открывает новые возможности для оптических технологий,
телекоммуникаций и специальной аппаратуры.
В разработанных фильтрах кварцевые слои формируют
полосу пропускания и усиливают нужный свет. Тонкие слои серебра отражают
нежелательные участки спектра, заменяя традиционные многослойные
диэлектрические зеркала. Благодаря такой конструкции фильтры получаются
значительно компактнее: для достижения нужных характеристик требуется всего
семь слоев вместо 20 и более, как в классических аналогах.
Специалисты изучили характеристики предложенных
конструкций на примере нескольких фильтров. Каждый из них имел полосу
пропускания в области красного, зелёного или фиолетового цвета, а также в
инфракрасном диапазоне. Фильтры состояли из слоёв кварцевого стекла, окружённых
серебряными зеркалами. Эксперименты показали, что такие конструкции эффективно
пропускают заданные цвета и блокируют нежелательные частоты.
Разработка может стать одной из тематик
для планируемого в регионе научно-производственного кампуса. Интеграция
фундаментальных исследований с промышленными предприятиями позволит ускорить
внедрение таких фильтров в реальные устройства — от медицинских датчиков до
спутниковой связи.
«Современные оптические системы связи
требуют высокоселективных фильтров, которые эффективно пропускают нужные
частотные диапазоны и подавляют лишние сигналы. Мы смогли добиться
значительного снижения числа слоёв без потери селективности и качества фильтрации.
Особенно важно, что предложенная конструкция позволяет гибко управлять
параметрами полос пропускания, а также минимизировать паразитные сигналы», —
рассказывает один из соавторов работы Дмитрий Шабанов, младший научный
сотрудник молодежной лаборатории Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.
Специалисты выяснили, что у фильтров есть интересная
особенность: вдобавок к настроенному цвету они пропускают еще и невидимый
ультрафиолет. Это связано с тем, что электроны в серебряных слоях начинают
колебаться именно на этой частоте. В этот момент серебро становится
«прозрачным» для УФ-лучей и пропускает их.
Еще одним интересным преимуществом является
возможность гибкой настройки фильтра за счёт изменения толщины серебряных
слоёв. С их помощью можно сдвигать резонансные частоты и контролировать ширину
полосы пропускания. Это позволяет тонко настраивать фильтр под конкретные
задачи.
«Несмотря на то что серебро в оптическом
диапазоне имеет низкую добротность, связанную с потерями на поглощение, и
создает дополнительный пик пропускания в ультрафиолетовой области, конструкции
разработанных фильтров обладают сравнительно высокими характеристиками. Это
говорит об их перспективности при создании фильтров инфракрасного и видимого
диапазонов частот с относительными полосами пропускания от единиц до десятков
процентов. Разработанные фильтры сочетают простоту конструкции — минимум слоёв,
и высокую эффективность — отсутствие паразитных полос, но требуют оптимизации
для снижения потерь. Их ключевое преимущество — возможность тонкой настройки
под задачи инфракрасного и видимого диапазонов»,
— отмечает Борис Беляев, доктор технических наук, профессор,
заведующий лабораторией Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.
Результаты исследования опубликованы в журнале Известия высших учебных заведений. Физика. Материал
подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки
и технологий.
Источник: Красноярский научный центр СО РАН.