АННОТАЦИЯ 3
Перечень условных обозначений 4
Введение 5
1 Обзор литературы 6
1.1 Свойства алмазов 6
1.2 Способы получения алмазов 7
1.2.1 HPHT метод 7
1.2.2 CVD метод 9
1.3 Оптические свойства фотонных кристаллов 9
1.3.1 Фотонные кристаллы 9
1.3.2 Фотонная зонная структура 11
1.4 Методы моделирования оптических структур 12
1.4.1 Метод матриц распространения 12
1.4.2 Метод конечных элементов 13
1.4.3 Материалы и методы 16
1.5 Экспериментальные методы 17
1.5.1 Метод физического осаждения из газовой фазы (PVD) 17
1.5.2 Метод атомно-слоевого осаждения (ALD) 18
1.6 Установка для регистрации спектров пропускания 19
2 Результаты 20
2.1 Моделирование на длине волны 720 нм на основе оксидов 20
2.2 Моделирование на длине волны 1060 нм на основе алмаза 21
2.3 Измерение спектров пропускания 22
2.3.1 Алмазные подложки с напылением ОФК PVD методом с расчётным
минимумам пропускания на длине волны Х=720 нм 22
2.3.2 Алмазные подложки с напылением ОФК ALD методом с расчётным
минимумам пропускания на длине волны Х=720 нм 24
3 Разработка программы для расчета многослойных структур 25
3.1 Архитектура программного обеспечения 25
3.1.1 Выбор языка и библиотек 25
3.1.2 Модульная структура 27
3.2 Алгоритм расчета 32
3.2.1 Реализация метода матриц распространения 32
3.3 Тестирование и валидация 33
Заключение 40
Список используемой литературы 41
Современные оптические технологии требуют разработки новых материалов и структур, способных эффективно управлять распространением света. Одним из перспективных направлений являются фотонные кристаллы — материалы с периодически изменяющимся показателем преломления, которые позволяют формировать запрещённые зоны для определённых диапазонов длин волн. Такие структуры находят применение в лазерных резонаторах, оптических фильтрах и волноводах, обеспечивая высокую отражательную способность и термостабильность.
Особый интерес представляют алмазные фотонные кристаллы, обладающие уникальными свойствами: высокой теплопроводностью,
химической стойкостью и широкой запрещённой зоной. В отличие от традиционных металлических зеркал (например, золотых или медных), алмазные структуры могут работать в экстремальных условиях, что делает их перспективными для мощных инфракрасных лазеров. Однако их проектирование требует точного расчёта оптических характеристик, что является сложной вычислительной задачей.
В данной работе рассматривается разработка программного обеспечения для моделирования оптических свойств многослойных структур, включая алмазные фотонные кристаллы. Программа позволяет рассчитывать коэффициенты пропускания и отражения в зависимости от толщины слоёв, показателей преломления и количества периодов.
1 Обзор литературы
1.1 Свойства алмазов
Алмаз - кубическая аллотропная форма углерода [1]. Представление элементарной ячейки алмаза приведено на рисунке 1. При нормальных условиях метастабилен, то есть может существовать неограниченно долго. В вакууме или в инертном газе при высоких температурах способен постепенно переходить в графит.
Рисунок 1 - Элементарная ячейка алмаза [1]
Благодаря своим физическим и химическим свойствам: высокому показателю преломления, высокой химической и радиационной стойкости, алмаз является перспективным материалом для использования в различных фотонных и оптических устройствах. Чтобы добиться высокой проводимости, необходимо легировать его донорной либо акцепторной примесью, при этом не нарушив кристаллическую решетку алмаза, чтобы он сохранил свои свойства. Кроме того, добавление примесей увеличивает вероятность возникновения собственных дефектов [2].
Алмаз обладает высоким значением показателя преломления: п-2.42. Показатель преломления характеризует отношение скоростей света в вакууме и в данной среде. Скорость распространения света одинакова для всех волн только в вакууме. В различных средах же скорости света и показатели преломления различны для разных длин волн. Показатель преломления возрастает с уменьшением длины волны. Кроме того, алмаз так же обладает и одним из самых высоких значений показателя дисперсии среди минералов: -0.05.
Современные оптические технологии требуют разработки новых материалов и структур, способных эффективно управлять распространением света. Одним из перспективных направлений являются фотонные кристаллы — материалы с периодически изменяющимся показателем преломления, которые позволяют формировать запрещённые зоны для определённых диапазонов длин волн. Такие структуры находят применение в лазерных резонаторах, оптических фильтрах и волноводах, обеспечивая высокую отражательную способность и термостабильность.
Особый интерес представляют алмазные фотонные кристаллы, обладающие уникальными свойствами: высокой теплопроводностью,
химической стойкостью и широкой запрещённой зоной. В отличие от традиционных металлических зеркал (например, золотых или медных), алмазные структуры могут работать в экстремальных условиях, что делает их перспективными для мощных инфракрасных лазеров. Однако их проектирование требует точного расчёта оптических характеристик, что является сложной вычислительной задачей.
В данной работе рассматривается разработка программного обеспечения для моделирования оптических свойств многослойных структур, включая алмазные фотонные кристаллы. Программа позволяет рассчитывать коэффициенты пропускания и отражения в зависимости от толщины слоёв, показателей преломления и количества периодов.
1 Обзор литературы
1.1 Свойства алмазов
Алмаз - кубическая аллотропная форма углерода [1]. Представление элементарной ячейки алмаза приведено на рисунке 1. При нормальных условиях метастабилен, то есть может существовать неограниченно долго. В вакууме или в инертном газе при высоких температурах способен постепенно переходить в графит.
Рисунок 1 - Элементарная ячейка алмаза [1]
Благодаря своим физическим и химическим свойствам: высокому показателю преломления, высокой химической и радиационной стойкости, алмаз является перспективным материалом для использования в различных фотонных и оптических устройствах. Чтобы добиться высокой проводимости, необходимо легировать его донорной либо акцепторной примесью, при этом не нарушив кристаллическую решетку алмаза, чтобы он сохранил свои свойства. Кроме того, добавление примесей увеличивает вероятность возникновения собственных дефектов [2].
Алмаз обладает высоким значением показателя преломления: п-2.42. Показатель преломления характеризует отношение скоростей света в вакууме и в данной среде. Скорость распространения света одинакова для всех волн только в вакууме. В различных средах же скорости света и показатели преломления различны для разных длин волн. Показатель преломления возрастает с уменьшением длины волны. Кроме того, алмаз так же обладает и одним из самых высоких значений показателя дисперсии среди минералов: -0.05.
