Filtros ópticos de banda angosta hechos con multicapas dieléctricas producidas por DC Magnetrón Sputtering

Abstract

Las películas delgadas no metálicas altamente reflectante, como los óxidos de silicio/niobio, tienen una alta reflectancia en la región de longitud de onda visible. Cuando se combinan estas películas alternadamente, es posible, a través de efectos de interferencia, inducir la transmisión en ciertas regiones de longitud de onda especifica. Por lo que, estos materiales forman componentes útiles para el diseño de filtros de corte de longitud de onda larga con una amplia región de rechazo. El presente trabajo de investigación comprende la simulación, el diseño, la fabricación y la caracterización de filtros ópticos de banda angosta hechos con multicapas dieléctricas compuesto de dióxido de silicio (𝑆𝑖𝑂2) y pentóxido de niobio (𝑁𝑏2𝑂5). El comportamiento óptico de las películas delgadas (𝑆𝑖𝑂2 y 𝑁𝑏2𝑂5) está significativamente influenciado por las condiciones de los procesos de fabricación (temperatura, la concentración, la velocidad de deposición, etc.). Para producir la película delgada de 𝑆𝑖𝑂2 y 𝑁𝑏2𝑂5 se requieren condiciones de deposición muy distintas. Las diferentes condiciones de deposición afectan la estabilidad del índice de refracción, por lo tanto, se convierte en un problema crítico; Este problema se resuelve optimizando la producción de las películas delgadas en las mismas condiciones de proceso de fabricación (argón, oxígeno y corriente eléctrica). Para ello se han depositado películas delgadas de óxidos (𝑁𝑏2𝑂5 y 𝑆𝑖𝑂2) sobre un substrato de vidrio, pulverizando a un blanco de metal (𝑁𝑏 𝑦 𝑆𝑖), en una misma atmósfera de oxígeno y argón, a temperatura de 400 °C. Los resultados del DRX mostraron que las películas depositadas sobre vidrio eran amorfas y mediante el espectrógrafo UV se verifico una alta transmitancia en gran parte del espectro visible. La tasa de crecimiento se obtuvo determinando el espesor por Microscopia electrónico de barrido (SEM) y conociendo el tiempo de deposición. Los índices de refracción de las películas delgadas y del substrato se determinaron por dos métodos; para el caso de 𝑁𝑏2𝑂5 y substrato de vidrio se utilizó el modelo de la envolvente de transmitancia mientras que para la película delgada de 𝑆𝑖𝑂2 se construyó un sistema de guía de onda con película delgada de 𝑁𝑏2𝑂5 debido a que su índice de refracción ya es conocido. Finalmente, la simulación y el diseño de los filtros ópticos por capas alternados de 𝑁𝑏2𝑂5 y 𝑆𝑖𝑂2, con alto índice de refracción (𝐻) y bajo índice de refracción (𝐿) respectivamente se simulan para determinar el número de apilamientos y conocer el espesor de cada película. La fabricación de los filtros se realiza conociendo el espesor y el diseño. La calidad de los filtros se evalúo por espectroscopía UV visible y los resultados que se obtuvieron tanto simulación como experimental quedaron satisfactorios. La aplicación potencial de estos filtros fue utilizada en la fotografía de imagen multiespectral de una maceta de helecho.

Nonmetallic highly reflective thin films, such as oxides of silicon / niobium, have a high reflectance in the region of visible wavelength. When these films are combined alternately, it is possible, through interference effects, induce transmission in certain regions of specific wavelength. So, these materials are useful filter design cutting long wavelength with a wide rejection region component. This research includes simulation, design, manufacture and characterization of optical narrow-band filters made with composite dielectric multi silicon dioxide (𝑆𝑖𝑂2) and niobium pentoxide (𝑁𝑏2𝑂5). The optical behavior of thin films (𝑆𝑖𝑂2 and 𝑁𝑏2𝑂5) is significantly influenced by the conditions of manufacturing processes (temperature, concentration, the deposition rate, etc.). To produce the thin films of 𝑆𝑖𝑂2 and 𝑁𝑏2𝑂5, very different deposition conditions are required. The different deposition conditions affect the stability of the refractive index, therefore, it becomes a critical issue; This problem is solved by optimizing the production of thin films under the same conditions of the manufacturing process (argon, oxygen and electric current). To this are deposited thin films of oxides (𝑆𝑖𝑂2 and 𝑁𝑏2𝑂5)) on a substratum glass, pulverizing to a metal target (𝑁𝑏 𝑦 𝑆𝑖), in the same oxygen atmosphere and argon at 400 °C. The results of the DRX showed that the films deposited on glass were amorphous by the UV spectrograph high transmittance in the visible spectrum much was verified. The growth rate was obtained by calculating the thickness by scanning electron microscopy (SEM) and knowing the time of deposition. The refractive indices of thin films and the substrate were determined by two methods; in the case of glass substrate and the thin film 𝑁𝑏2𝑂5, the model of the envelope transmittance we were used while for the thin film 𝑆𝑖𝑂2 system waveguide thin film 𝑁𝑏2𝑂5 because its refractive index is already known was constructed. Finally, the simulation and design of the optical filters by alternating layers of 𝑁𝑏2𝑂5 y 𝑆𝑖𝑂2, with high refractive index (𝐻) and low refractive index (𝐿) respectively are simulated to determine the number of stacking and knowing the thickness of each film. The manufacture of the filters is performed knowing the thickness and design. The quality of filters UV visible spectroscopy and the results both as experimental simulation were obtained were satisfactory was evaluated. The potential application of these filters was used in photography multispectral image of a potted fern.