Тонкая настройка света: кварц и серебро меняют будущее оптики
Красноярские ученые разработали новый тип оптических фильтров из кварца и серебра. Вместо 20 и более слоев, как в традиционных аналогах, новые фильтры используют всего 7 слоев. 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. Результаты исследования опубликованы в журнале Известия высших учебных заведений. Физика.
Оптические фильтры — это устройства, которые избирательно пропускают свет в определенных 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 слоев с разными показателями преломления. Большая часть этих слоев составляют зеркала, которые отражают лишний свет. Такие фильтры эффективны, но нанесение большого количества слоев сложно и дорого.
Ученые 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 слоев 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 7 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, зеленого или фиолетового цвета, а также в инфракрасном диапазоне. Фильтры состояли из слоев кварцевого стекла, окруженных 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 слоев 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 счет изменения толщины серебряных слоев. 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 слоев 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.
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.
Источник информации и фото: служба научных коммуникаций Красноярского научного центра СО РАН
Разместила: Ирина Усик