Inicio rápido: visión general de filtros ópticos

En este inicio rápido usamos el solucionador de filtros ópticos de OghmaNano para calcular cómo la luz es reflejada y transmitida por pilas multicapa de película delgada en incidencia normal. Estas pilas pueden diseñarse como recubrimientos antirreflectantes, espejos o filtros de paso de banda.

1. Fundamentos:

La luz que viaja a través de una película delgada puede pensarse como una onda hacia delante y una onda hacia atrás. A medida que la onda atraviesa una capa de espesor \(d\) e índice de refracción \(n\), adquiere un desfase \(\delta = \tfrac{2\pi}{\lambda}\,n d\), donde \(\lambda\) es la longitud de onda en el espacio libre. El comportamiento de la onda en la capa puede escribirse utilizando una matriz de transferencia 2×2 \[ M = \begin{bmatrix} \cos(\delta) & \tfrac{i}{n}\sin(\delta) \\ i n \sin(\delta) & \cos(\delta) \end{bmatrix}, \] que relaciona las amplitudes del campo eléctrico que entran y salen de la capa.

Para una pila de capas, la respuesta global se obtiene simplemente multiplicando las matrices de todas las capas: \[ M_\text{total} = \prod_{j=1}^{N} M_j. \] Una vez conocida la matriz total, se pueden calcular la reflexión y la transmisión de la pila. Si el medio incidente tiene índice de refracción \(n_0\) y el sustrato tiene índice de refracción \(n_s\), los coeficientes de reflexión y transmisión se extraen de \(M_\text{total}\), y la reflectancia y transmitancia medibles vienen dadas por \[ R = |r|^2, \qquad T = \frac{n_s}{n_0}\,|t|^2. \]

Ajustando los espesores y los índices de refracción de las capas, se pueden diseñar filtros con propiedades ópticas a medida. Una sola capa de cuarto de onda puede suprimir la reflexión en su longitud de onda de diseño, mientras que capas alternadas de cuarto de onda de alto y bajo índice producen un reflector de Bragg con una fuerte banda de rechazo.

2. Primeros pasos:

Para comenzar su primer cálculo de filtro óptico, abra la ventana New simulation desde la cinta File en el menú principal. Haga doble clic en el ejemplo Optical filter (véase ??) y guarde la simulación en una carpeta de su disco. Entonces verá la ventana principal (véase ??) con una pila multicapa de unas diez capas alternadas. Haga clic en el botón Run simulation (play) para calcular los espectros; una vez terminado, los resultados aparecen en la pestaña Output (véase ??).

Examinando los resultados

Después de ejecutar la simulación, haga doble clic en Optical Output desde ??. Esto abrirá el Optical Simulation Editor. El editor contiene varias pestañas. La primera pestaña, Photon distribution, se muestra automáticamente (véase ??). Aquí se muestra la densidad de fotones dentro de la cavidad, y la estructura en capas del filtro es claramente visible como franjas verticales. La segunda pestaña, Photon distribution absorbed (véase ??), muestra dónde se absorben los fotones. En este ejemplo, la absorción es débil pero no nula, porque uno de los materiales se ha configurado con un pequeño coeficiente de absorción \(\alpha\). Finalmente, la pestaña Reflected light (véase ??) muestra el espectro de reflectancia. El resultado demuestra una fuerte reflexión entre aproximadamente 500 nm y 800 nm, mientras que la luz fuera de esta banda se transmite en distintos grados, característico de un filtro de tipo Bragg.

El espectro de Transmitted light confirma el comportamiento de banda de rechazo del filtro. La luz entre aproximadamente 300 nm y 500 nm se transmite eficazmente, mientras que las longitudes de onda en el intervalo 500–800 nm quedan fuertemente bloqueadas. A longitudes de onda mayores, por encima de 800 nm, reaparece cierta transmisión, mostrando la naturaleza multibanda de la respuesta del filtro.

Editando el filtro

Para inspeccionar o modificar la pila, abra la pestaña Device structure en la ventana principal y haga clic en Layer editor (véase ??). El editor enumera cada capa del dispositivo con su espesor, material óptico y ajustes. Puede editar directamente los espesores de capa en la tabla, cambiar materiales, añadir o eliminar capas y reordenarlas según sea necesario para su diseño de filtro.