RU2265870C1

RU2265870C1 - Mirror

Info

Publication number: RU2265870C1
Application number: RU2004108099/28A
Authority: RU
Inventors: О.А. Займидорога (RU); О.А. Займидорога; И.Е. Проценко (RU); И.Е. Проценко; В.Н. Самойлов (RU); В.Н. Самойлов
Original assignee: Займидорога Олег Антонович; Проценко Игорь Евгеньевич; Самойлов Валентин Николаевич
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2005-12-10
Also published as: RU2004108099A

Abstract

FIELD: optical industry.

SUBSTANCE: mirror can be used when producing optical reflecting systems in lasers and experimental physics. Mirror has transparent dielectric base. Metal coating is applied onto the base. Coating has to nanoparticles, for example, silver nanoparticles, which have plasma resonance at electromagnet radiation frequency. The mirror intends to reflect the radiation. Linear dimensions are far smaller than the radiation wavelength. Nanoparticles are applied uniformly onto surface of the base to cover 15% of its area. Thickness of mirror is reduced to minimal size; size of spot of reflected radiation in focus is reduced.

EFFECT: reduced thickness of mirror; improved precision.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области оптики, в частности к системам отражения электромагнитного излучения, в том числе избирательного по частоте, и может быть использовано при создании оптических отражающих систем в лазерах, например, полупроводниковых, в экспериментальной физике и др.The invention relates to the field of optics, in particular to systems for the reflection of electromagnetic radiation, including frequency selective, and can be used to create optical reflective systems in lasers, for example, semiconductor, in experimental physics, etc.

Известно зеркало Брэгга для оптических отражающих систем полупроводниковых лазеров [1]. Недостатком указанного зеркала является его относительно большая толщина, что ограничивает снизу наименьший размер полупроводникового лазера.Known Bragg mirror for optical reflective systems of semiconductor lasers [1]. The disadvantage of this mirror is its relatively large thickness, which limits the bottom of the smallest size of a semiconductor laser.

Широко также известны зеркала, включающие прозрачное стеклянное основание и нанесенное на указанное основание покрытие из металла (никель, хром, серебро), в частности зеркало Манжена [2], выбранное в качестве прототипа данного изобретения. Недостатком указанного изобретения также является его относительно большая толщина, а также невозможность избирательного по частоте отражения падающего электромагнитного излучения и относительно большой размер пятна отраженного излучения в фокусе.Mirrors are also widely known, including a transparent glass base and a coating of metal (nickel, chrome, silver) applied to said base, in particular the Mangin mirror [2], selected as a prototype of the present invention. The disadvantage of this invention is its relatively large thickness, as well as the inability to selectively reflect the incident electromagnetic radiation and the relatively large spot size of the reflected radiation in focus.

Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков и существенное уменьшение предельно возможной толщины зеркала при избирательном по частоте отражении падающего электромагнитного излучения и уменьшении размера пятна отраженного излучения в фокусе.The aim of this invention is to remedy these disadvantages and significantly reduce the maximum possible thickness of the mirror with selective frequency reflection of the incident electromagnetic radiation and reduce the size of the spot of reflected radiation in focus.

Указанная цель достигается в предлагаемом зеркале за счет того, что в известном зеркале, состоящем из прозрачного диэлектрического основания и нанесенного на указанное основание металлического покрытия, указанное покрытие представляет собой наночастицы металла, например серебра, имеющие плазменный резонанс на частоте электромагнитного излучения, для отражения которого предназначено указанное предлагаемое зеркало, и линейные размеры много меньше длины волны указанного излучения, нанесенные равномерно на поверхность указанного основания так, что покрывают до 15 процентов ее площади.This goal is achieved in the proposed mirror due to the fact that in the known mirror, consisting of a transparent dielectric base and a metal coating deposited on the specified base, said coating is a metal nanoparticle, such as silver, having a plasma resonance at the frequency of electromagnetic radiation, for reflection of which it is intended the specified proposed mirror, and linear dimensions are much less than the wavelength of the specified radiation, applied evenly on the surface of the specified main Bani so that cover up to 15 percent of its area.

Сущность заявляемого изобретения изложена в нижеследующем описании.The essence of the claimed invention is set forth in the following description.

На фиг.1 представлено схематическое изображение предлагаемого зеркала в сечении, где:Figure 1 presents a schematic representation of the proposed mirror in cross section, where:

1 - диэлектрическое, например, параболическое основание зеркала апертуры r,1 - dielectric, for example, parabolic base of the mirror aperture r,

2 - наночастицы металла, например серебра.2 - metal nanoparticles, such as silver.

На фиг.2 представлена зависимость коэффициента отражения κ (в относительных единицах) предлагаемого зеркала от длины волны падающего электромагнитного излучения λ в мкм.Figure 2 shows the dependence of the reflection coefficient κ (in relative units) of the proposed mirror on the wavelength of the incident electromagnetic radiation λ in microns.

На фиг.3 представлена зависимость выраженного в единицах длины волны отраженного электромагнитного излучения радиуса пятна р указанного излучения на полувысоте его мощности в фокусе предлагаемого зеркала от радиуса апертуры указанного зеркала r, выраженного в единицах длины его фокусного расстояния.Figure 3 shows the dependence of the reflected electromagnetic radiation in units of the wavelength of the spot radius p of the specified radiation at half maximum power in the focus of the proposed mirror on the aperture radius of the specified mirror r, expressed in units of its focal length.

Отражение электромагнитного излучения в предлагаемом зеркале происходит следующим образом:The reflection of electromagnetic radiation in the proposed mirror is as follows:

Электромагнитные волны, падающие на поверхность указанного зеркала с нанесенными на нее наночастицами металла (в частности - серебра) (см. Фиг.1), вызывают колебания свободных электронов указанных наночастиц. Поскольку возбуждение указанных колебаний имеет резонансный характер на частоте плазменного резонанса, определяемой природой материала, формой и размерами указанных наночастиц и природой материала указанного диэлектрического основания, то происходит преимущественно переизлучение (отражение) соответствующего узкого участка спектра длин волн падающего на зеркало электромагнитного излучения. Остальное электромагнитное излучение проходит через зеркало практически без отражения и поглощения.Electromagnetic waves incident on the surface of the specified mirror with deposited metal nanoparticles (in particular silver) (see Figure 1), cause oscillations of free electrons of these nanoparticles. Since the excitation of these oscillations is resonant in nature at the plasma resonance frequency, determined by the nature of the material, the shape and size of these nanoparticles, and the nature of the material of the indicated dielectric base, re-emission (reflection) of the corresponding narrow portion of the wavelength spectrum of electromagnetic radiation incident on the mirror occurs. The rest of the electromagnetic radiation passes through the mirror with virtually no reflection and absorption.

Произведя вычисления поляризуемости сферической наночастицы серебра, находящейся на поверхности стекла (SiO₂), и учитывая, что коэффициент отражения падающего на зеркало электромагнитного излучения пропорционален квадрату указанной поляризуемости, находим зависимость указанного коэффициента отражения к от длины волны указанного излучения λ. Эта зависимость имеет вид резонансной кривой с максимумом при λ=0.41 мкм (см. Фиг.2). Полуширина кривой оказывается равной около 10 нм.After calculating the polarizability of a spherical silver nanoparticle located on the glass surface (SiO ₂ ), and taking into account that the reflection coefficient of the electromagnetic radiation incident on the mirror is proportional to the square of the indicated polarizability, we find the dependence of the specified reflection coefficient k on the wavelength of the specified radiation λ. This dependence has the form of a resonance curve with a maximum at λ = 0.41 μm (see Figure 2). The half-width of the curve is equal to about 10 nm.

Отраженное от поверхности предлагаемого зеркала излучение представляет собой результат интерференции дипольного излучения наночастиц металла (серебра). Расчеты показывают (см. Фиг.3), что размер пятна излучения в фокусе рассматриваемого параболического зеркала быстро уменьшается с увеличением радиуса его апертуры (примерно, как l/r²), а интенсивность в максимуме соответственно возрастает.The radiation reflected from the surface of the proposed mirror is the result of interference of the dipole radiation of metal nanoparticles (silver). The calculations show (see Figure 3) that the size of the radiation spot at the focus of the parabolic mirror under consideration rapidly decreases with increasing radius of its aperture (approximately, like l / r ² ), and the intensity at the maximum increases accordingly.

Пример реализации предлагаемого зеркала:An example of the implementation of the proposed mirror:

На полированную стеклянную поверхность (SiO₂) параболической формы наносится слой полимера (полистирола) толщиной 30-40 нм. На указанный слой полимера равномерно, центрифугированием из раствора, наносятся наночастицы серебра диаметром 20-30 нм. Процесс нанесения контролируется и прекращается, когда указанные наночастицы серебра покрывают 10-15% указанной параболической поверхности. Далее полученный гетерослой, состоящий из полистирола и нанесенных на него наночастиц серебра, нагревается до температуры выше температуры стеклования полистирола. При этом указанные наночастицы погружаются в слой полистирола, где и закрепляются при остывании указанного гетерослоя. Таким образом, полученное зеркало отражает с коэффициентом, близким к единице, электромагнитное излучение в диапазоне длин волн 0,40-0,41 нм и при этом пропускает без поглощения все другие участки спектра. Полученное зеркало имеет толщину отражающего слоя порядка 40 нм, что существенно меньше минимальных толщин отражающих слоев всех известных зеркал.On a polished glass surface (SiO ₂ ) of a parabolic shape, a layer of polymer (polystyrene) 30-40 nm thick is applied. Silver nanoparticles with a diameter of 20-30 nm are applied uniformly to the indicated polymer layer by centrifugation from a solution. The application process is monitored and terminated when said silver nanoparticles cover 10-15% of said parabolic surface. Next, the resulting heterolayer, consisting of polystyrene and silver nanoparticles deposited on it, is heated to a temperature above the glass transition temperature of polystyrene. Moreover, these nanoparticles are immersed in a polystyrene layer, where they are fixed during cooling of the specified heterolayer. Thus, the resulting mirror reflects with a coefficient close to unity, electromagnetic radiation in the wavelength range of 0.40-0.41 nm and, at the same time, passes through all other parts of the spectrum without absorption. The resulting mirror has a reflective layer thickness of the order of 40 nm, which is significantly less than the minimum thickness of the reflective layers of all known mirrors.

ЛитератураLiterature

1. "Handbook of Semiconductor Lasers and Photonic Integrated Circuits" ed. Y.Sucmadsu and A.R.Adonis, London, 1994, p.510-515.1. "Handbook of Semiconductor Lasers and Photonic Integrated Circuits" ed. Y.Sucmadsu and A.R. Adonis, London, 1994, p. 510-515.

2. Л.Мартин, "Техническая оптика", ФМ, Москва, 1960, стр.315.2. L. Martin, "Technical Optics", FM, Moscow, 1960, p. 315.

Claims

A mirror consisting of a transparent dielectric base and a metal coating deposited on the specified base, characterized in that said coating is a metal nanoparticle, for example silver, having a plasma resonance at the frequency of electromagnetic radiation, the said proposed mirror is intended to reflect, and the linear dimensions are much smaller wavelengths of the specified radiation, applied evenly on the surface of the specified base so that cover up to 15% of its area.