Разработка новых оптических фильтров, изготовленных из кварца и серебра, принадлежит ученым из Красноярска. В отличие от традиционных аналогов, требующих 20 и более слоев, инновационные фильтры состоят всего из 7 слоев. Использование серебра в конструкции обеспечивает высокую точность фильтрации сигналов, что позволяет с большой точностью выделять необходимые цвета в видимом и инфракрасном спектрах. Такие фильтры открывают возможности для создания более компактных и эффективных оптических устройств, применяемых в телекоммуникациях, спутниковой связи, медицинской диагностике и спектроскопии. Результаты исследования были опубликованы в журнале Известия вузов. Физика .
Оптические фильтры – это приборы, которые пропускают свет только в заданных диапазонах длин волн (цветов). Они основаны на многослойных структурах и функционируют как своеобразное «сито», выделяя необходимые компоненты спектра и блокируя нежелательные. К примеру, фильтр в камере ночного видения пропускает инфракрасный свет, исключая видимый. Традиционные оптические фильтры создаются из множества тонких слоев, отличающихся показателями преломления. Эти слои в основном являются зеркалами, отражающими избыточный свет. Такие фильтры обладают высокой эффективностью, однако нанесение большого количества слоев представляет собой сложный и дорогостоящий процесс.
Сотрудники Красноярского научного центра СО РАН разработали новый вид оптических фильтров, основанный на чередовании слоев серебра и кварца. Благодаря этому стало возможным создавать компактные и высокоэффективные фильтры с уменьшенным числом слоев и усовершенствованными параметрами. Новые фильтры позволяют с высокой точностью отбирать определенные цвета в видимой и инфракрасной областях спектра, что обеспечивает повышенную точность и расширяет возможности для применения в оптических технологиях, телекоммуникациях и при создании специализированного оборудования.
Кварцевые слои в разработанных фильтрах определяют полосу пропускания и усиливают необходимый свет. Слои тонкого серебра отражают нежелательные участки спектра, что позволяет заменить традиционные многослойные диэлектрические зеркала. Такая конструкция обеспечивает значительно меньшие размеры фильтров: для достижения требуемых характеристик достаточно всего 7 слоев, в то время как классические аналоги требуют 20 и более.
Характеристики представленных конструкций были исследованы экспертами, используя в качестве примера несколько фильтров. Каждый фильтр обладал полосой пропускания в красной, зеленой или фиолетовой области спектра, а также в инфракрасном диапазоне. В состав фильтров входили слои кварцевого стекла, обрамленные серебряными зеркалами. Проведенные опыты продемонстрировали, что эти конструкции позволяют эффективно пропускать необходимые цвета и подавлять нежелательные частоты.
Разработке может быть посвящена одна из тем планируемого в регионе научно-производственного кампуса. Объединение базовых научных изысканий с промышленными предприятиями создаст условия для более быстрого использования этих фильтров в практических приложениях, начиная от медицинских сенсоров и заканчивая системами спутниковой связи.
«Современные системы оптической связи нуждаются в фильтрах с высокой избирательностью, способных пропускать требуемые частоты и блокировать нежелательные сигналы. Нам удалось уменьшить количество слоев в фильтре, не ухудшив при этом его селективность и качество фильтрации. Предложенная конструкция позволяет гибко настраивать параметры полосы пропускания и минимизировать влияние паразитных сигналов», — рассказывает один из соавторов работы Дмитрий Шабанов, младший научный сотрудник молодежной лаборатории Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.
Анализ, проведенный экспертами, показал, что фильтры обладают уникальным свойством: помимо заданного цвета, они пропускают ультрафиолетовое излучение, невидимое для человеческого глаза. Это обусловлено тем, что электроны в серебряных слоях начинают колебаться на определенной частоте. В результате серебро становится «прозрачным» для ультрафиолета и позволяет ему проходить.
Благодаря возможности регулировки толщины серебряных слоев, фильтр обладает гибкими настройками. Это позволяет изменять резонансные частоты и контролировать ширину полосы пропускания, что обеспечивает точную настройку фильтра для решения конкретных задач.
«Хотя серебро характеризуется невысокой добротностью в оптическом диапазоне из-за потерь на поглощение и создает дополнительный пик пропускания в ультрафиолетовой области, разработанные фильтры демонстрируют хорошие показатели. Это указывает на их потенциал для создания фильтров инфракрасного и видимого диапазонов с полосами пропускания от единиц до десятков процентов. Разработанные фильтры отличаются простотой конструкции, включающей минимальное количество слоев, и высокой эффективностью, проявляющейся в отсутствии нежелательных полос, однако для уменьшения потерь требуется их оптимизация. Их основным достоинством является возможность точной настройки для применения в инфракрасном и видимом диапазонах», — отмечает Борис Беляев, доктор технических наук, профессор и заведующий лабораторией Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН.
Данный материал создан при финансовой поддержке гранта Министерства науки и инноваций Российской Федерации в рамках проведения Десятилетия науки и технологий.