Vestnik of Don State Technical UniversityVestnik of Don State Technical UniversityВестник Донского государственного технического университета1992-5980530510.12737/10387МеханикаMechanicsМеханикаAngular selective light transmission characteristics of a grating optical filter Угловые селективные характеристики светопропускания решеточного оптического фильтраЗакируллин Рустам СабировичZakirullin Rustam Сабировичrustam.zakirullin@gmail.com31032015310320151515461https://zh-szf.ru/en/nauka/article/5305/view
Исследованы решеточные оптические фильтры с целью определения степени влияния геометрических параметров решеток на угловые характеристики светопропускания. Решетки образованы чередующимися пропускающими и по-глощающими полосами. Относительное расположение двух решеток обеспечивает угловую селективность светопропускания. Для достижения поставленной цели разработан графоаналитический метод, позволяющий рассчитывать угловую характеристику светопропускания фильтра в виде зависимости коэффициента светопропускания от угла падения лучей. Установлено влияние характеристического угла фильтра (данный угол определяет сдвиг решеток на входной и выход-ной поверхностях), шагов полос (шаг полос на каждой решетке равен суммарной ширине двух соседних чередующихся полос) и кратности шагов (отношение шагов полос входной и выходной решеток) на угловые характеристики светопропускания. В диапазоне углов падения от 0 до 60 характеристики фильтров на участках убывания и возрастания коэффициента светопропускания эквидистантны, линейны и практически симметричны относительно характеристических углов фильтров. При больших углах падения эквидистантность, линейность и симметричность характеристик нарушаются. Полученные закономерности необходимо учитывать при определении геометрических параметров фильтров, удовлетворяющих требуемым для конкретной остекленной кон-струкции и заранее заданным угловым характеристикам светопропускания. Целесообразно применение фильтра в областях, где требуется регулирование светопропускания при изменении угла падения лучей вследствие движения источника света и/или остекленного объекта друг относительно друга, прежде всего в архитектурном остеклении.
The grating optical filters are investigated to determine the degree of impact of the geometric grating parameters on the angular characteristics of the light transmission. The filter consists of a plane-parallel transparent substrate with thin-layer gratings on two surfaces. The gratings are formed by alternating transmitting and absorption bands. The relative position of two gratings provides angular selectivity of the light transmission. A graphic-analytical method is developed to determine the angular characteristic of the filter light transmission in the form of the dependence of the light transmission coefficient on the beams incidence angle. The effect of a filter characteristic angle (this angle determines a shift of the gratings on the input and output surfaces), fringe spacing (fringe spacing on each grating is equal to the total width of two adjacent alternating bands), and fringe ratio (relation of the fringe spacing of the input and output gratings) on the angular characteristics of the light transmission. The filter characteristics in the areas of decreasing and increasing transmittance are equidistant, linear, and symmetrical with respect to the characteristic angles of the filters in the range of the incidence angles from 0 up to 60. At large incidence angles, equidistance, linearity, and symmetry of the characteristics are violated. The obtained regularities should be considered when determining the geometrical parameters of the filters satisfying the required for the specified glazed construction and the preset angular characteristics of the light transmission. It is advisable to apply the filter in the areas where the light transmission control is needed at the change of the beams incidence angle due to the movement of a light source and/or a glazed object relative to each other, especially in architectural glazing
оптический фильтррешетка с чередующимися полосамиграфоаналитический расчетугловая характеристика светопропусканияoptical filtergrating with alternating bandsgraphic-analytical calculationangular characteristic of light transmission
Введение. Классические тонкопленочные многослойные фильтры [1] имеют оптически однородное в каждом слое покрытие поверхности прозрачной среды. Известны неоднородные покрытия с тонкими микропористыми рассеивающими пленками [2], а также с металлическими пленками с квадратными отверстиями размерами порядка длин световых волн [3]. В оптических фильтрах используются дифракционные решетки [4, 5] и фотонные кристаллы [6, 7]. Перспективы применения имеют наноструктурированные метаматериалы [8]. Перечисленные поверхностные и объемные неоднородности являются микро- и наноразмерными, поэтому расчет характеристик фильтров основан на методах физической оптики [9, 10]. Традиционные области применения оптических фильтров — аналоговая кино-, фото- и телевизионная техника, осветительные системы и другие — в последние десятилетия расширились до интерферометрии, спектроскопии, цифровой техники, волоконно-оптических систем связи, анализаторов структуры ДНК и геномов, лазерных систем и т. д. Среди всего многообразия оптических фильтров отсутствуют пропускающие только требуемую и предварительно рассчитанную часть падающего излучения в разных диапазонах углов падения. Разработка такого фильтра основана на новом способе регулирования направленного светопропускания, защищенном патентом Российской Федерации [11].
Macleod, H.-A. Thin-Film Optical Filters / H.-A. Macleod. - 4th ed. - Boca Raton : CRC Press, 2012. - 800 p.Macleod, H.-A. Thin-Film Optical Filters. 4th ed. Boca Raton : CRC Press, 2012, 800 p.Microporous phase-separated films of polymer blends for enhanced outcoupling of light from OLEDs / R. Liu [et al.] // Optics Express. - 2011. - Vol. 19. - P. A1272-A1280.Liu, R., et al. Microporous phase-separated films of polymer blends for enhanced outcoupling of light from OLEDs. Optics Express, 2011, vol. 19, pp. A1272-A1280.Yanzhong, C. Structured lens formed by a 2D square hole array in a metallic film / C. Yanzhong [et al.] // Optics Letters. - 2008. - V. 33. - P. 753-755.Yanzhong, C., et al. Structured lens formed by a 2D square hole array in a metallic film. Optics Letters, 2008, vol. 33, pp. 753-755.Fehrembach, A.-L. Phenomenological theory of filtering by resonant dielectric gratings / A.-L. Fehrembach, D. Maystre, A. Sentenac // The Journal of the Optical Society of America. - 2002. - Vol. A 19, № 6. - P. 1136-1144.Fehrembach, A.-L., Maystre, D., Sentenac, A. Phenomenological theory of filtering by resonant dielectric gratings. The Journal of the Optical Society of America, 2002, vol. A 19, no. 6, pp. 1136-1144.Plasmonic critical angle in optical transmission through subwavelength metallic gratings / Z. Wang [et al.] // Optics Letters. - 2011. - Vol. 36, № 23. - P. 4584-4586.Wang, Z., et al. Plasmonic critical angle in optical transmission through subwavelength metallic gratings. Optics Letters, 2011, vol. 36, no. 23, pp. 4584-4586.Multi-channel and sharp angular spatial filters based on one-dimensional photonic crystals / S. Jiang [et al.] // Chi-nese Optics Letters. - 2006. - Vol. 4, № 10. - P. 605-607.Jiang, S., et al. Multi-channel and sharp angular spatial filters based on one-dimensional photonic crystals. Chinese Optics Letters, 2006, vol. 4, no. 10, pp. 605-607.Wide-field-of-view narrow-band spectral filters based on photonic crystal nanocavities / W. Nakagawa [et al.] // Optics Letters. - 2011. - Vol. 27, № 3. - P. 191-193.Nakagawa, W., et al. Wide-field-of-view narrow-band spectral filters based on photonic crystal nanocavities. Op-tics Letters, 2011, vol. 27, no. 3, pp. 191-193.Cимовский, К. Р. О материальных параметрах метаматериалов / К. Р. Симовский // Оптика и спектроскопия. - 2009. - T. 107, № 5. - С. 766-793.Simovski, C.R. O material´nykh parametrakh metamaterialov. [Material parameters of metamaterials: a review).] Optics and Spectroscopy, 2009, vol. 107, no. 5, pp. 766-793 (in Russian).Mazilu, M. Modular Method for Calculation of Transmission and Reflection in Multilayered Structures / M. Mazilu, A. Miller, V. T. Donchev // Applied Optics. - 2001. - Vol. 40. - P. 6670-6676.Mazilu, M., Miller, A., Donchev, V.T. Modular Method for Calculation of Transmission and Reflection in Multi-layered Structures. Applied Optics, 2001, vol. 40, pp. 6670-6676.Periodic dielectric bars assisted enhanced transmission and directional light emission from a single subwavelength slit / Z.-B. Li [et al.] // Optics Letters. - 2006. - Vol. 14. - P. 8037-8042.Li, Z.-B., et al. Periodic dielectric bars assisted enhanced transmission and directional light emission from a single subwavelength slit. Optics Letters, 2006, vol. 14, pp. 8037-8042.Способ регулирования направленного светопропускания : патент 2509324 Рос. Федерация : 6 G02B 5/20, E06B 9/24, G02B 1/10 / Р. С. Закируллин. - № 2012130148 ; заявл. 17.07.12 ; опубл. 10.11.12, Бюл. № 31. - 3 с.Zakirullin, R.S. Sposob regulirovaniya napravlennogo svetopropuskaniya: patent 2509324 Ros. Federatsiya: 6 G02B 5/20, E06B 9/24, G02B 1/10. [Method of regulation for directional light: RF Patent no. 2509324: 6 G02B 5/20, E06B 9/24, G02B 1/10/] RF Patent, 2012 (in Russian).Закируллин, Р. С. Способ углового селективного регулирования направленного светопропускания / Р. С. Закируллин // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2013. - № 3 (85). - С. 17-22.Zakirullin, R.S. Sposob uglovogo selektivnogo regulirovaniya napravlennogo svetopropuskaniya. [Method of angular selective regulation for directional light.] Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2013, no. 3 (85), pp. 17-22 (in Russian).Закируллин, Р. С. Селективное регулирование направленного светопропускания по углам падения лучей / Р. С. Закируллин // Журнал технической физики. - 2012. - Т. 82, № 10. - С. 134-136.Zakirullin, R.S. Selektivnoe regulirovanie napravlennogo svetopropuskaniya po uglam padeniya luchey. [Selec-tive beam incidence angle control over directional light transmission.] Technical Physics, 2012, vol. 82, no. 10, pp. 134-136 (in Russian).Закируллин, Р. С. Расчет параметров оптического фильтра с угловым селективным светопропусканием / Р. С. Закируллин // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2013. - № 5 (87). - С. 54-58.Zakirullin, R.S. Raschet parametrov opticheskogo fil´tra s uglovym selektivnym svetopropuskaniem. [Parameters calculation of optical filter with angular selective light transmission.] Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2013, no. 5 (87), pp. 54-58 (in Russian).Zakirullin, R. S. Grating optical filter for pre-adapted angular selective regulation of directional light transmission / R. S. Zakirullin // 8th Iberoamerican Optics Meeting and 1th Latin American Meeting on Optics, Lasers and Applications. Proc. SPIE. - 2013. - Vol. 8785. - P. 15.Zakirullin, R. S. Grating optical filter for pre-adapted angular selective regulation of directional light transmission. 8th Iberoamerican Optics Meeting and 1th Latin American Meeting on Optics, Lasers and Applications. Proc. SPIE, 2013, vol. 8785, p. 15.Закируллин, Р. С. Интеллектуальное окно как оптический фильтр с угловым селективным светопропуска-нием / Р. С. Закируллин // Науч. вестник Воронеж. гос. архитектурно-строит. ун-та. Архитектура и строительство. - 2014. - Вып. 1 (33). - С. 11-19.Zakirullin, R.S. Intellektual´noe okno kak opticheskiy fil´tr s uglovym selektivnym svetopropuskaniem. [Intelligent window as an optical filter with angular selective transmission.] Scientific Herald of the Voronezh State University of Architec-ture and Civil Engineering. Construction and Architecture, 2014, iss. 1 (33), pp. 11-19 (in Russian).Закируллин, Р. С. Оптический фильтр с угловой селективностью светопропускания / Р. С. Закируллин // Оптический журнал. - 2013. - Т. 80, вып. 8. - С. 16-24.Zakirullin, R.S. Opticheskiy fil´tr s uglovoy selektivnost´yu svetopropuskaniya. [Optical filter with angular selectivity of light transmission.] Journal of Optical technology, 2013, vol. 80, iss. 8, pp. 16-24 (in Russian).