شروع سریع: نمای کلی فیلتر نوری

در این شروع سریع، از حل‌گر فیلتر نوری در OghmaNano برای محاسبه این استفاده می‌کنیم که نور در پشته‌های لایه‌نازک چندلایه در تابش عمودی چگونه بازتاب و عبور می‌کند. چنین پشته‌هایی را می‌توان به‌صورت پوشش‌های ضدبازتاب، آینه‌ها، یا فیلترهای باندگذر طراحی کرد.

۱. پیش‌زمینه:

نور در حال حرکت در یک لایه نازک را می‌توان به‌صورت یک موج رو به جلو و یک موج رو به عقب در نظر گرفت. هنگامی که موج از یک لایه با ضخامت \(d\) و ضریب شکست \(n\) عبور می‌کند، یک جابه‌جایی فاز \(\delta = \tfrac{2\pi}{\lambda}\,n d\) به‌دست می‌آورد، که در آن \(\lambda\) طول موج در فضای آزاد است. رفتار موج در لایه را می‌توان با استفاده از یک ماتریس انتقال ۲×۲ نوشت \[ M = \begin{bmatrix} \cos(\delta) & \tfrac{i}{n}\sin(\delta) \\ i n \sin(\delta) & \cos(\delta) \end{bmatrix}, \] که دامنه‌های میدان الکتریکی ورودی و خروجی از لایه را به هم مرتبط می‌کند.

برای یک پشته از لایه‌ها، پاسخ کلی به‌سادگی با ضرب کردن ماتریس‌های همه لایه‌ها به‌دست می‌آید: \[ M_\text{total} = \prod_{j=1}^{N} M_j. \] وقتی ماتریس کل معلوم باشد، بازتاب و گذردهی پشته را می‌توان محاسبه کرد. اگر محیط فرودی ضریب شکست \(n_0\) و زیرلایه ضریب شکست \(n_s\) داشته باشد، ضرایب بازتاب و گذردهی از \(M_\text{total}\) استخراج می‌شوند، و کمیت‌های قابل اندازه‌گیری بازتابندگی و گذردهی به‌صورت زیر هستند: \[ R = |r|^2, \qquad T = \frac{n_s}{n_0}\,|t|^2. \]

با تنظیم ضخامت‌ها و ضریب‌های شکست لایه‌ها، می‌توان فیلترهایی با خواص نوری سفارشی طراحی کرد. یک لایه تک‌موج-ربعی می‌تواند بازتاب را در طول موج طراحی‌شده خود سرکوب کند، در حالی که لایه‌های متناوب ربع‌موج با ضریب شکست بالا و پایین یک بازتابنده براگ با ناحیه توقف قوی تولید می‌کنند.

۲. شروع کار:

برای شروع اولین محاسبه فیلتر نوری خود، پنجره New simulation را از نوار File در منوی اصلی باز کنید. روی مثال Optical filter دوبار کلیک کنید (نگاه کنید به ??) و شبیه‌سازی را در یک پوشه روی دیسک خود ذخیره کنید. سپس پنجره اصلی را خواهید دید (نگاه کنید به ??) با یک پشته چندلایه شامل حدود ده لایه متناوب. روی دکمه Run simulation (پخش) کلیک کنید تا طیف‌ها محاسبه شوند؛ پس از پایان، نتایج در زبانه Output ظاهر می‌شوند (نگاه کنید به ??).

بررسی خروجی

پس از اجرای شبیه‌سازی، روی Optical Output از ?? دوبار کلیک کنید. این کار Optical Simulation Editor را باز می‌کند. ویرایشگر شامل چندین زبانه است. زبانه اول، Photon distribution، به‌صورت خودکار نمایش داده می‌شود (نگاه کنید به ??). در اینجا چگالی فوتون درون کاواک نمایش داده می‌شود، و ساختار لایه‌ای فیلتر به‌وضوح به‌صورت نوارهای عمودی قابل مشاهده است. زبانه دوم، Photon distribution absorbed (نگاه کنید به ??)، نشان می‌دهد فوتون‌ها کجا جذب می‌شوند. در این مثال، جذب ضعیف اما غیرصفر است، زیرا یکی از مواد با یک ضریب جذب کوچک \(\alpha\) تنظیم شده است. در نهایت، زبانه Reflected light (نگاه کنید به ??) طیف بازتابندگی را نمایش می‌دهد. نتیجه، بازتاب قوی بین حدود 500 nm و 800 nm را نشان می‌دهد، در حالی که نور خارج از این باند با درجات مختلفی عبور می‌کند، که مشخصه یک فیلتر نوع براگ است.

طیف Transmitted light رفتار band-stop فیلتر را تأیید می‌کند. نور بین حدود 300 nm و 500 nm به‌طور مؤثر عبور می‌کند، در حالی که طول موج‌های در بازه 500–800 nm به‌شدت بلوکه می‌شوند. در طول موج‌های بلندتر بالاتر از 800 nm، مقداری گذردهی دوباره ظاهر می‌شود، که ماهیت چندبانده پاسخ فیلتر را نشان می‌دهد.

ویرایش فیلتر

برای بررسی یا تغییر پشته، زبانه Device structure را در پنجره اصلی باز کرده و روی Layer editor کلیک کنید (نگاه کنید به ??). ویرایشگر هر لایه در دستگاه را همراه با ضخامت، ماده نوری و تنظیمات آن فهرست می‌کند. می‌توانید ضخامت لایه‌ها را مستقیماً در جدول ویرایش کنید، مواد را تغییر دهید، لایه‌ها را اضافه یا حذف کنید، و آن‌ها را برحسب نیاز برای طراحی فیلتر خود بازآرایی کنید.