Filtr optyczny z metalowej siatki

Filtry optyczne z metalową siatką to filtry optyczne wykonane ze stosów metalowych siatek i dielektryka . Są one używane jako część ścieżki optycznej do filtrowania przychodzącego światła, aby umożliwić przepuszczanie interesujących częstotliwości, jednocześnie odbijając inne częstotliwości światła.

Filtry z siatki metalowej mają wiele zastosowań w dalekiej podczerwieni (FIR) i submilimetrowych obszarach widma elektromagnetycznego . Filtry te są używane w FIR i submilimetrowych instrumentach astronomicznych od ponad 4 dekad, w których służą dwóm głównym celom: pasmowo-przepustowe lub dolnoprzepustowe są chłodzone i wykorzystywane do obniżenia mocy równoważnej szumowi kriogenicznych bolometrów (detektory) poprzez blokowanie nadmiaru promieniowania cieplnego poza pasmem częstotliwości obserwacji, a filtry pasmowo-przepustowe mogą być użyte do określenia pasma obserwacji detektorów. Filtry z metalowej siatki mogą być również zaprojektowane do użytku pod kątem 45 ° w celu podzielenia przychodzącego sygnału optycznego na kilka ścieżek obserwacyjnych lub do użycia jako półfalówka polaryzacyjna .

linii transmisyjnych można zastosować do metalowych siatek, aby zrozumieć, jak działają i ogólne właściwości przepuszczania światła grup metalowych siatek zgrupowanych razem. Modelowanie właściwości tych siatek metalicznych pozwala na niezawodne wytwarzanie filtrów o pożądanych właściwościach transmisyjnych.

Teoria

Siatki pojemnościowe i indukcyjne stosowane w filtrach metalowo-siatkowych. g to rozmiar ogniwa, t to grubość, 2a to rozstaw elementów w siatkach pojemnościowych, a szerokość elementów w siatkach indukcyjnych.

W 1967 roku Ulrich wykazał, że właściwości transmisji optycznej siatki metalicznej można modelować, uznając siatkę za prosty element obwodu na linii przesyłowej w wolnej przestrzeni. Aby rozwinąć teorię siatek metalicznych, skupił się na właściwościach dwóch rodzajów struktury siatek: siatki metalicznej z kwadratowymi otworami; oraz siatkę metalowych kwadratów wspartych na cienkim podłożu dielektrycznym. Korzystając z metody linii transmisyjnej, modelował następnie zachowanie każdej z tych siatek jako indukcyjność skupioną (kwadratowe otwory) lub pojemność skupioną (wolnostojące kwadraty). Te dwa rodzaje siatek są powszechnie określane jako siatki indukcyjne lub pojemnościowe.

Teoria opracowana przez Ulricha w celu wyjaśnienia przepuszczalności światła przez metalowe siatki zawiera kilka założeń i idealizacji, które również tutaj zostaną wykorzystane do wyjaśnienia tej teorii. Teoria ta jest ważna dla cienkich oczek, tj poniższe równania zakładają, że siatka jest nieskończenie cienka, części metalowe doskonale przewodzą, a wspierająca warstwa dielektryczna w siatkach nie ma wpływu. Teorię elektromagnetyczną można następnie zastosować do opracowania modelu obwodu oscylacyjnego na modelu linii transmisyjnej, który dość dobrze wyjaśnia właściwości transmisyjne tych oczek, o ile długość fali światła jest większa niż rozmiar elementu metalicznego ( ).

Teoria elektromagnetyczna

Elektromagnetyczną teorię światła można wykorzystać do opisania, w jaki sposób światło padające na metalowe siatki pojemnościowe i indukcyjne będzie zachowywać się w transmisji, odbiciu i absorpcji.

Transmisja i odbicie

Jeśli padająca płaska fala promieniowania elektromagnetycznego uderzy w metalową siatkę dowolnego typu prostopadle do swojej ścieżki, rozproszy się, a jedynymi propagującymi częściami będą fala odbita rzędu zerowego i fala transmitowana rzędu zerowego. a stosunek ich amplitud gdzie współczynnikiem i to znormalizowana częstotliwość. Jeśli założymy, że fala padająca miała jednostkową amplitudę, możemy dodać falę padającą do transmitowanej fali rozproszonej, aby uzyskać całkowitą amplitudę transmitowanej fali: :

.

Ponieważ pomijamy straty, kwadrat amplitudy fal odbitych i transmitowanych musi być równy jedności:

.

Zespolone współczynniki odbicia i transmisji w płaszczyźnie zespolonej. Współczynniki indukcyjne znajdują się w górnej połowie okręgu, a składowe pojemnościowe w dolnej połowie.

Biorąc pod uwagę te dwie relacje, faza współczynnika odbicia i faza współczynnika transmisji można po prostu odnieść do przesyłanej mocy, , które można bezpośrednio zmierzyć w eksperymentach z metalowymi

Rozwiązanie tych równań pozwala nam znaleźć amplitudę fali rozproszonej na podstawie faz fal odbitych i przechodzących:

.

Wynikiem na płaszczyźnie punkcie / który znajduje się w górnej półpłaszczyźnie dla siatek indukcyjnych iw dolnej półpłaszczyźnie dla siatek pojemnościowych. Przy wszystkich częstotliwościach poza fazą .

Do tej pory teoria była ogólna – nie określono, czy siatka była indukcyjna, czy pojemnościowa. Ponieważ od , Babineta siatek pojemnościowych i Mówiąc zwięźle, zasada Babineta mówi, że jeśli zamienimy metalowe części siatki na szczeliny (tj. wykonamy komplementarną siatkę), to suma transmitowanej fali z pierwotnej struktury i dopełnienia struktury musi być równa oryginalnej fali padającej. Dlatego jeśli mamy komplementarne siatki pojemnościowe i indukcyjne,

.

Biorąc pod uwagę znalezione wcześniej zależności między falami odbitymi i transmitowanymi, oznacza to, że fala transmitowana w sieci indukcyjnej jest równa ujemnej fali odbitej w sieci pojemnościowej i odwrotnie, a także, że transmitowane moce dla sieci pojemnościowej i indukcyjnej suma do jedności dla jednostkowej fali incydentów.

.

za lub wymaga rozwiązania równań Maxwella na siatkach, które w ogólnym przypadku można rozwiązać tylko numerycznie. Jednak w siatce indukcyjnej metal jest ciągły, a zatem mogą istnieć prądy stałe. Biorąc pod uwagę graniczny przypadek , siatka indukcyjna musi odzwierciedlać całą padającą falę ze względu na warunki brzegowe pola elektrycznego na powierzchni przewodnika. Z powyższych zależności wynika zatem, że siatka pojemnościowa przepuści w tym przypadku całą falę padającą.

Ponieważ siatki wzajemnie się uzupełniają, równania te pokazują, że siatka pojemnościowa jest filtrem dolnoprzepustowym , a siatka indukcyjna jest filtrem górnoprzepustowym .

Wchłanianie

Do tej pory teoria rozważała tylko idealny przypadek, w którym siatki są nieskończenie cienkie i doskonale przewodzą. W zasadzie siatki o skończonych wymiarach mogą również pochłaniać część padającego promieniowania poprzez straty omowe lub straty w dielektrycznym materiale nośnym.

Zakładając, że głębokość poszycia metalu użytego w siatkach jest znacznie mniejsza niż grubość siatki, rzeczywista część impedancji powierzchniowej metalu wynosi \ gdzie jest metalu i jest skóry metalu Z odbitą falą , zmiana amplitudy pola magnetycznego w poprzek siatki wynosi z powodu prądów powierzchniowych po obu stronach siatki. siatki _

impedancję powierzchniową, moc jako Ponieważ jednak rzeczywisty zasięg metalu w siatkach jest różny między siatkami pojemnościowymi i indukcyjnymi a płaską blachą, musimy wprowadzić współczynnik, który jest stosunkiem powierzchni siatki do że z płaskiej blachy. Dla siatek pojemnościowych i dla siatek indukcyjnych . To modyfikuje rozpraszaną moc tak, aby wynosiła . . Korzystając z definicji głębokości skóry, chłonność bez jednostek, gdzie to moc padająca, z sieci to

.

mikrofalowego i podczerwonego bezmiarowa chłonność wynosi , ​​początkowe założenie że absorpcja mogła zostać zignorowana w tym idealnym modelu, była dobra. Straty dielektryczne również można pominąć.

Porównanie z pomiarami

W przypadku jednowarstwowych siatek metalowych prosta teoria, którą przedstawił Ulrich, działa całkiem dobrze. Funkcje _ można określić mierząc transmisję przez filtr, a fazy i można zmierzyć ustawiając ( ϕ \ omega) \ phi (\ jako funkcja separacji. Pomiary bardzo cienkich, prawie idealnych siatek wykazują oczekiwane zachowanie i charakteryzują się bardzo niskimi stratami absorpcyjnymi.

Aby zbudować filtry z metalowych siatek o pożądanych właściwościach, konieczne jest ułożenie wielu metalowych siatek razem i chociaż przedstawiona powyżej prosta teoria elektromagnetyczna działa dobrze dla jednej siatki, staje się bardziej skomplikowana, gdy wprowadza się więcej niż jeden element . Jednak filtry te można modelować jako elementy linii transmisyjnej, która ma łatwo obliczalne właściwości transmisyjne.

Model linii transmisyjnej

Model linii transmisyjnej z metalowych siatek jest łatwy w obsłudze, elastyczny i można go łatwo dostosować do użycia w oprogramowaniu do modelowania elektronicznego. Nie tylko radzi sobie z pojedynczą metalową siatką, ale można go łatwo rozszerzyć na wiele ułożonych w stos siatek.

Model teoretyczny

równolegle na linii transmisyjnej. Jest to odpowiednik 3 identycznych ułożonych w stos metalowych siatek. Pojedyncza siatka miałaby tylko jeden element.

W warunkach normalnego padania i elektryczne w poprzek metalowej siatki jest ciągłe, ale pole magnetyczne nie jest, więc admitancją 2 Y między dwiema liniami można wykorzystać do modelowania transmisji i odbicia od filtra metalicznego. Gdyby na przykład ułożyć trzy identyczne siatki, wówczas w linii przesyłowej byłyby równolegle trzy boczniki dopuszczenia. Korzystając z prostej teorii linii przesyłowych, współczynnik odbicia i współczynnik oblicza się jako i współczynnik transmisji

które oczywiście spełniają pierwotną zależność między współczynnikami transmisji i odbicia:

.

W bezstratnym obwodzie dopuszczenie staje się czysto urojoną podatnością , gdzie gdzie jest rzeczywistą funkcją . Ze względu na komplementarny charakter siatek wiemy również, że .

Aby obliczyć zachowanie idealnej metalowej siatki, wystarczy znaleźć Standardowym podejściem nie jest charakteryzowanie równoważnego obwodu przez tego parametryzowanie go wartościami , do i które powielają właściwości transmisyjne filtrów. Przy niskich częstotliwościach rozsądnym modelem jest zastąpienie bocznika w linii transmisyjnej kondensatorem o wartości i cewką indukcyjną o wartości oczek indukcyjnych, gdzie dla siatek uzupełniających . Jednak przy wysokich częstotliwościach model ten nie odzwierciedla poprawnie zachowania rzeczywistych siatek metalowych. Zmierzone transmisje są równe

.

Model dwuelementowy (plus rezystancja) dla pojemnościowych i indukcyjnych siatek metalowych. Te równoważne obwody odtwarzają właściwości transmisyjne siatek metalowych zarówno w granicach, .

Zachowanie transmisji w dwóch przypadkach granicznych można odtworzyć za pomocą modelu linii transmisyjnej, dodając dodatkowy element. Ponadto można uwzględnić, dodając kolejny . Przy impedancja . Zazwyczaj i muszą być na podstawie właściwości transmisyjnych siatek i oba zależą . Zawarty chłonności, co daje . Poniższa tabela podsumowuje wszystkie parametry, aby przejść od równoważnych parametrów obwodu do oczekiwanych współczynników odbicia i transmisji.

Która odnosi współczynniki transmisji i odbicia, długość fali i do znormalizowanej admitancji i parametrów obwodu przy użyciu tego 2-elementowego równoważny model obwodu.
Obwód pojemnościowy Obwód indukcyjny
}
Uogólniona częstotliwość
Znormalizowana dopuszczalność
Odbicie
Przepuszczalność
ϕ
φ
Chłonność

Prawdziwą mocą tego modelu jest możliwość przewidywania właściwości transmisyjnych wielu metalowych siatek ułożonych razem z przekładkami w celu utworzenia filtrów interferencyjnych. Stosy siatek pojemnościowych tworzą filtr dolnoprzepustowy z ostrym odcięciem częstotliwości, powyżej którego transmisja jest prawie zerowa. Podobnie stosy siatek indukcyjnych tworzą filtr górnoprzepustowy z ostrym odcięciem częstotliwości, poniżej którego transmisja jest prawie zerowa. Ułożone w stos siatki indukcyjne i pojemnościowe mogą być używane do tworzenia filtrów pasmowo-przepustowych.

Porównanie z pomiarami

Model linii transmisyjnej daje oczekiwaną transmisję pierwszego rzędu ułożonych w stos filtrów metalowej siatki; do modelowania przepuszczalności światła padającego pod kątem, strat we wspierających materiałach dielektrycznych ani właściwości transmisji, gdy jest dyfrakcją. Aby modelować te efekty, naukowcy wykorzystali podejście kaskadowej macierzy rozpraszania do modelowania strat dielektrycznych oraz inne narzędzia do modelowania, takie jak symulator struktury o wysokiej częstotliwości i analiza w trybie Floquet.

Produkcja

Produkcja filtrów z siatki metalowej rozpoczyna się od fotolitografii miedzi na podłożu, co pozwala na precyzyjną kontrolę nad parametrami i za , sol \ . Siatki metalowe są wykonane z cienkiej folii miedzianej na podłożu dielektrycznym, takim jak mylar lub polipropylen. Miedź ma dielektryk waha się od do .

Istnieją dwa sposoby tworzenia wielowarstwowego filtra z metalowej siatki. Pierwsza polega na zawieszeniu oddzielnych warstw w pierścieniach podtrzymujących z niewielką szczeliną, która jest wypełniona powietrzem lub próżnią między warstwami. Filtry te są jednak delikatne mechanicznie. Innym sposobem na zbudowanie wielowarstwowego filtru jest ułożenie arkuszy dielektryka między warstwami metalowej siatki i sprasowanie całego stosu na gorąco. Powoduje to, że filtr jest jednym solidnym kawałkiem. Filtry prasowane na gorąco są wytrzymałe mechanicznie, a po dopasowaniu impedancji do próżni wykazują prążki pasma przepustowego spowodowane Fabry'ego-Perota w leżącym poniżej materiale dielektrycznym.

Użyj w eksperymentach

Filtry te są używane w FIR i submilimetrowych instrumentach astronomicznych od ponad 4 dekad, w których służą dwóm głównym celom: filtry pasmowo-przepustowe lub dolnoprzepustowe są chłodzone i wykorzystywane do obniżenia mocy równoważnej szumowi bolometrów kriogenicznych poprzez blokowanie nadmiaru promieniowania cieplnego poza pasmem częstotliwości obserwacji, a filtry pasmowo-przepustowe mogą być użyte do określenia pasma obserwacji detektorów. Filtry z metalowej siatki mogą być również zaprojektowane do użytku pod kątem 45 ° w celu podzielenia przychodzącego sygnału optycznego na kilka ścieżek obserwacyjnych lub do użycia jako półfalówka polaryzacyjna.