К странице сектора оптоинформационных технологий.

1. Была воспроизведена оптическая схема гиперспектральной аппаратуры (ГСА) COMIS корейского микроспутника STSAT3.

Согласно публикациям, корейская ГСА имеет массу около 5 кг и для спектрального диапазона 400–1050 нм обеспечивает формирование гиперспектральных изображений с пространственным разрешением в 30 метров (при высоте орбиты 700 км) и спектральным разрешением от 2 до 15 нм. В связи с рекордными массогабаритными характеристиками данная ГСА была выбрана в проекте в качестве базового прототипа, с которым впоследствии будут сравниваться разрабатываемые в проекте решения.

По материалам публикаций была в деталях восстановлена оптическая система корейской ГСА (рис. 1). Корейская ГСА содержит катадиоптрический объектив и изображающий спектрометр в конфигурации Оффнера. В качестве диспергирующих элементов в спектрометре используются две призмы со сложными криволинейными поверхностями. Для подтверждения рабочих характеристик оптическая система была внесена в программу Zemax для моделирования оптических систем.

Рисунок 1 — Оптическая схема гиперспектральной аппаратуры COMIS корейского микроспутника STSAT3

Результаты моделирования подтвердили высокие технические характеристики корейской ГСА. Было получено, что оптическая система близка к дифракционно-ограниченной в диапазоне длин волн 400–1100 нм. При этом модуль частотно-контрастной характеристики на частоте, соответствующей разрешению в 30 метров, превышает 0,6 (рис. 2). Спектральное разрешение системы изменяется от 2 нм при длине волны 400 нм до 15 нм при длине волны 1050 нм. Приведённая оценка спектрального разрешения получена для пикселя регистрирующей ПЗС-матрицы с размером 13 мкм. С использованием программы Zemax также было проведено исследование влияния ошибок позиционирования элементов схемы, погрешностей изготовления элементов и температурных деформаций на величину пятна рассеяния и частотно-контрастную характеристику. Результаты показали устойчивость системы к ошибкам линейного позиционирования в несколько микрон и ошибкам углового позиционирования в несколько десятых угловой минуты.

Рисунок 2 — Рассчитанная частотно-контрастная характеристика гиперспектральной аппаратуры COMIS при длине волны 750 нм. Разрешению 30 м соответствует пространственная частота 39 лин/мм

В качестве недостатка корейской ГСА следует отметить сильную нелинейность в изменении положения точки изображения при изменении длины волны. Данный недостаток связан с хроматическими аберрациями призм, используемых в качестве диспергирующих элементов спектрометра. По мнению исполнителей проекта, данный недостаток может быть устранён в варианте спектрометра, использующего в качестве диспергирующего элемента дифракционную решётку, выполненную на одном из зеркал спектрометра. Такая система позволит существенно расширить регистрируемый спектральный интервал и улучшить спектральное и пространственное разрешения системы.

2. Были разработаны программные средства для расчета многослойных структур, состоящих из непрерывных слоев с плоскими границами (многослойных интерференционных покрытий).

Программные средства основаны на численно устойчивом методе матрицы рассеяния (S-матрицы) и реализованы в среде программирования MATLAB. Реализованный метод позволяет эффективно рассчитывать спектральные фильтры, содержащие как диэлектрические, так и поглощающие изотропные и анизотропные материалы. Моделирование прохождения света через структуру производится с учетом оптически “толстых” некогерентных слоев, что позволяет строго учесть влияние подложки конечной толщины, на которую нанесено многослойное покрытие (спектральный фильтр). С использованием созданных программных средств были рассчитаны так называемые линейно изменяющиеся фильтры. Рабочая длина волны такого фильтра изменяется в направлении одного из измерений плоскости подложки, на которой он изготовлен. Линейно изменяющиеся фильтры основаны на брэгговских решетках с дефектом, представляющих собой две симметричные брэгговские решетки, разделенные дефектным слоем со специально выбранной толщиной. Спектр пропускания такой структуры содержит узкий пик пропускания, расположенный в фотонной запрещенной зоне брэгговской решетки и обусловленный возбуждением квазиволноводной моды, локализованной в дефектном слое. Положение пика пропускания определяется толщиной дефектного слоя, ширина пика пропускания (ширина полосы фильтра) — числом периодов в брэгговских решетках, ширина фотонной запрещенной зоны (рабочий диапазон длин волн фильтра) — материалами брэгговской решетки.

Для рассчитанных и исследованных на данном этапе примеров линейно изменяющихся фильтров ширина рабочего диапазона составляет 200–300 нм (были рассчитаны фильтры для диапазонов длин волн 500–700 нм и 700–1000 нм), ширина полосы фильтра — порядка 10 нм (ширина полосы является функцией рабочей длины волны фильтра и для рассмотренных примеров изменяется в диапазоне 5–20 нм). Для создания фильтра для ГСА, работающего в широком диапазоне длин волн, рассчитанные узкополосные линейно изменяющиеся фильтры необходимо использовать совместно с широкополосными фильтрами, отражающими излучение с длинами волн, находящимися вне запрещенной зоны используемых брэгговских решеток. В связи с этим также были рассчитаны указанные широкополосные фильтры, пропускающие излучение в диапазонах, соответствующих рабочим диапазонам линейно изменяющихся фильтров. Рассчитанные фильтры представляют собой многослойные структуры, выполненные из тех же материалов, что и линейно изменяющиеся фильтры. Толщины слоев широкополосных фильтров были найдены с помощью оптимизационной процедуры. В качестве примера на рис. 3 и 4 показаны линейно изменяющийся узкополосный фильтр для диапазона длин волн 500–700 нм, а также соответствующий широкополосный фильтр.

Рисунок 3 — Геометрия линейно изменяющегося фильтра для диапазона длин волн 500­700 нм (диэлектрические проницаемости материалов отмечены цветом и указаны в легенде рисунка, толщины слоев брэгговских решеток составляют 95 и 59 нм) (а), спектры пропускания брэгговской решетки с дефектом для различных значений толщины дефектного слоя (указаны в легенде рисунка в нм) в зависимости от длины волны в нм (б)

Рисунок 4 — Геометрия широкополосного пропускающего фильтра для диапазона длин волн 500–700 нм (диэлектрические проницаемости материалов отмечены цветом и указаны в легенде рисунка, толщины слоев от верхнего к нижнему составляют 98, 39, 173, 80, 138, 85, 144, 72, 165, 57, 173, 62 и 84 нм) (а), спектр пропускания фильтра в зависимости от длины волны в нм (б)

 Было показано, что путем непосредственного соединения рассчитанных широкополосных и линейно изменяющихся фильтров могут быть получены составные фильтры, осуществляющие узкополосную спектральную фильтрацию в диапазоне длин волн 500–1000 нм. Предложенный подход может быть использован для создания составных спектральных фильтров, работающих в более широком спектральном диапазоне.

3. Были разработаны программные средства для решения прямых и обратных задач расчета многослойных металлодиэлектрических структур нанофотоники из непрерывных слоев с периодическим профилем.

Прямая задача заключается в моделировании дифракции света на структуре, обратная — в расчете (нахождении геометрических параметров) структуры из условия оптимизации заданного критерия. Реализованные в среде MATLAB программные средства основаны на двух распространенных методах моделирования дифракции электромагнитного излучения на периодических структурах: методе фурье-мод (в англоязычной литературе — Fouriermodalmethod и rigorouscoupled-waveanalysis) и методе преобразования координат (C-method). Метод фурье-мод оптимален для моделирования структур, слои которых имеют кусочно-линейный профиль, отрезки которого параллельны осям координат (например, структур с т. н. меандровым профилем). Метод преобразования координат ориентирован на моделирование дифракционных структур с непрерывным профилем (например, синусоидальным). Для моделирования многослойных структур используется численно-устойчивый усовершенствованный алгоритм матрицы пропускания. С помощью созданных программных средств были рассчитаны и исследованы дифракционные структуры, состоящие из 1–3 непрерывных слоев с меандровым и синусоидальным профилем. Было показано, что на основе таких структур могут быть созданы спектральные фильтры с рабочим диапазоном длин волн шириной 300–400 нм (рассматривался видимый диапазон частот) и полосой пропускания 20–100 нм. Структуры указанного типа могут быть изготовлены путем напыления непрерывных металлических и диэлектрических слоев на синусоидальный или прямоугольный профиль в резисте, расположенный на подложке и созданный методом интерференционной или электронной литографии.