Início rápido: visão geral de filtros ópticos

Neste início rápido usamos o solver de filtros ópticos do OghmaNano para calcular como a luz é refletida e transmitida por pilhas multicamadas de filmes finos em incidência normal. Essas pilhas podem ser projetadas como revestimentos antirrefletivos, espelhos ou filtros passa-banda.

1. Contexto:

A luz que se propaga através de um filme fino pode ser pensada como uma onda progressiva e uma onda retrógrada. À medida que a onda passa por uma camada de espessura \(d\) e índice de refração \(n\), ela adquire uma defasagem \(\delta = \tfrac{2\pi}{\lambda}\,n d\), onde \(\lambda\) é o comprimento de onda no espaço livre. O comportamento da onda na camada pode ser escrito usando uma matriz de transferência 2×2 \[ M = \begin{bmatrix} \cos(\delta) & \tfrac{i}{n}\sin(\delta) \\ i n \sin(\delta) & \cos(\delta) \end{bmatrix}, \] que relaciona as amplitudes do campo elétrico que entram e saem da camada.

Para uma pilha de camadas, a resposta global é encontrada simplesmente multiplicando as matrizes de todas as camadas: \[ M_\text{total} = \prod_{j=1}^{N} M_j. \] Uma vez conhecida a matriz total, a reflexão e a transmissão da pilha podem ser calculadas. Se o meio incidente tiver índice de refração \(n_0\) e o substrato tiver índice de refração \(n_s\), os coeficientes de reflexão e transmissão são extraídos de \(M_\text{total}\), e a refletância e transmitância mensuráveis são dadas por \[ R = |r|^2, \qquad T = \frac{n_s}{n_0}\,|t|^2. \]

Ajustando as espessuras e os índices de refração das camadas, pode-se projetar filtros com propriedades ópticas ajustadas. Uma única camada de quarto de onda pode suprimir a reflexão no seu comprimento de onda de projeto, enquanto camadas alternadas de quarto de onda com alto e baixo índice produzem um refletor de Bragg com uma forte banda de bloqueio.

2. Primeiros passos:

Para iniciar seu primeiro cálculo de filtro óptico, abra a janela Nova simulação a partir da faixa Arquivo no menu principal. Clique duas vezes no exemplo Filtro óptico (veja ??) e salve a simulação em uma pasta no seu disco. Você verá então a janela principal (veja ??) com uma pilha multicamadas de cerca de dez camadas alternadas. Clique no botão Executar simulação (play) para calcular os espectros; ao terminar, os resultados aparecem na aba Saída (veja ??).

Examinando a saída

Após executar a simulação, clique duas vezes em Optical Output em ??. Isso abrirá o Editor de simulação óptica. O editor contém várias abas. A primeira aba, Distribuição de fótons, é mostrada automaticamente (veja ??). Aqui a densidade de fótons dentro da cavidade é exibida, e a estrutura em camadas do filtro é claramente visível como listras verticais. A segunda aba, Distribuição de fótons absorvidos (veja ??), mostra onde os fótons são absorvidos. Neste exemplo, a absorção é fraca mas diferente de zero, porque um dos materiais foi definido com um pequeno coeficiente de absorção \(\alpha\). Por fim, a aba Luz refletida (veja ??) exibe o espectro de refletância. O resultado demonstra forte reflexão entre cerca de 500 nm e 800 nm, enquanto a luz fora dessa banda é transmitida em diferentes graus, característica de um filtro do tipo Bragg.

O espectro de Luz transmitida confirma o comportamento de rejeição em banda do filtro. Luz entre cerca de 300 nm e 500 nm é transmitida de forma eficiente, enquanto comprimentos de onda na faixa de 500–800 nm são fortemente bloqueados. Em comprimentos de onda maiores, acima de 800 nm, parte da transmissão reaparece, mostrando a natureza multibanda da resposta do filtro.

Editando o filtro

Para inspecionar ou modificar a pilha, abra a aba Estrutura do dispositivo na janela principal e clique em Editor de camadas (veja ??). O editor lista cada camada do dispositivo com sua espessura, material óptico e configurações. Você pode editar espessuras das camadas diretamente na tabela, alterar materiais, adicionar ou remover camadas, e reordená-las conforme necessário para o projeto do seu filtro.