빠른 시작: 광학 필터 개요

이 빠른 시작에서는 OghmaNano의 광학 필터 솔버를 사용하여 수직 입사 조건에서 다층 박막 스택에 의해 빛이 어떻게 반사되고 투과되는지 계산합니다. 이러한 스택은 반사방지 코팅, 거울 또는 대역 통과 필터로 설계될 수 있습니다.

1. 배경:

박막을 통과하는 빛은 전방파와 후방파로 생각할 수 있습니다. 파가 두께 \(d\), 굴절률 \(n\)인 레이어를 통과할 때 위상 이동 \(\delta = \tfrac{2\pi}{\lambda}\,n d\)를 얻으며, 여기서 \(\lambda\)는 자유 공간에서의 파장입니다. 레이어 내에서 파의 거동은 2×2 transfer matrix를 사용하여 다음과 같이 쓸 수 있습니다. \[ M = \begin{bmatrix} \cos(\delta) & \tfrac{i}{n}\sin(\delta) \\ i n \sin(\delta) & \cos(\delta) \end{bmatrix}, \] 이는 레이어에 들어가고 나오는 전기장 진폭의 관계를 나타냅니다.

레이어 스택의 경우 전체 응답은 모든 레이어의 행렬을 곱함으로써 간단히 구할 수 있습니다: \[ M_\text{total} = \prod_{j=1}^{N} M_j. \] 전체 행렬이 알려지면 스택의 반사와 투과를 계산할 수 있습니다. 입사 매질의 굴절률이 \(n_0\), 기판의 굴절률이 \(n_s\)일 때, 반사 계수와 투과 계수는 \(M_\text{total}\)로부터 추출되며, 측정 가능한 반사율과 투과율은 다음과 같습니다. \[ R = |r|^2, \qquad T = \frac{n_s}{n_0}\,|t|^2. \]

레이어의 두께와 굴절률을 조정함으로써 원하는 광학 특성을 갖는 필터를 설계할 수 있습니다. 단일 quarter-wave 레이어는 설계 파장에서 반사를 억제할 수 있으며, 고굴절률과 저굴절률의 quarter-wave 레이어를 번갈아 쌓으면 강한 stop band를 갖는 Bragg 반사체가 형성됩니다.

2. 시작하기:

첫 번째 광학 필터 계산을 시작하려면 메인 메뉴의 File 리본에서 New simulation 창을 엽니다. Optical filter 예제를 더블클릭하고 (참조: ??) 시뮬레이션을 디스크의 폴더에 저장합니다. 그러면 약 10개의 교대 레이어로 이루어진 다층 스택이 있는 메인 창이 표시됩니다 (참조: ??). Run simulation (재생) 버튼을 클릭하여 스펙트럼을 계산하십시오. 계산이 끝나면 결과는 Output 탭에 나타납니다 (참조: ??).

출력 확인

시뮬레이션을 실행한 후 ??에서 Optical Output을 더블클릭하십시오. 그러면 Optical Simulation Editor가 열립니다. 편집기에는 여러 개의 탭이 있습니다. 첫 번째 탭인 Photon distribution이 자동으로 표시되며 (참조: ??), 여기서는 공동 내부의 광자 밀도가 표시되고 필터의 층 구조가 수직 줄무늬로 명확하게 보입니다. 두 번째 탭인 Photon distribution absorbed (참조: ??)는 광자가 어디에서 흡수되는지를 보여줍니다. 이 예에서는 재료 중 하나에 작은 흡수 계수 \(\alpha\)가 설정되어 있으므로 흡수는 약하지만 0은 아닙니다. 마지막으로 Reflected light 탭은 (참조: ??) 반사 스펙트럼을 보여줍니다. 결과는 약 500 nm에서 800 nm 사이에서 강한 반사를 보이며, 이 대역 밖의 빛은 다양한 정도로 투과되어 Bragg형 필터의 특성을 나타냅니다.

Transmitted light 스펙트럼은 필터의 band-stop 거동을 확인해 줍니다. 약 300 nm에서 500 nm 사이의 빛은 효과적으로 투과되는 반면, 500–800 nm 범위의 파장은 강하게 차단됩니다. 800 nm 이상의 더 긴 파장에서는 일부 투과가 다시 나타나, 필터 응답의 다중 밴드 특성을 보여줍니다.

필터 편집

스택을 확인하거나 수정하려면 메인 창의 Device structure 탭을 열고 Layer editor를 클릭하십시오 (참조: ??). 편집기는 소자의 각 레이어를 두께, 광학 재료 및 설정과 함께 나열합니다. 표에서 레이어 두께를 직접 편집하고, 재료를 변경하고, 레이어를 추가 또는 제거하며, 필터 설계에 맞게 필요에 따라 순서를 바꿀 수 있습니다.