Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Просветляющие интерферненционные истемы 11
1.1.Многодиапазонные оптические устройства 11
1.2. Задача просветляющих покрытий 13
1.3. Выбор оптических пленкообразующих материалов для создания
многозонных просветляющих систем 14
1.4. Методы создания многозонных просветляющих покрытий 20
1.4.1. Аналитический метод создания просветляющих интерференционных покрытий на основе четвертьволновых слоев. 20
1.4.2. Структуры просветляющих покрытий содержащих буферные слои 27
1.4.3. Структуры просветляющих покрытий, сформированных слоями,
показатели преломления которых изменяются по определенной зависимости 30
1.5. Синтез многозонных просветляющих покрытий численным методом 35
Выводы по главе 1 38
Глава 2. Пятислойные четвертьволновые просветляющие покрытия 40
2.1. Условие просветления пятислойной системы покрытия 40
2.2. Область допустимых значений показателя преломления пленкообразующих материалов, формирующих пятислойное просветляющее покрытие 50
2.3. Влияние значений показателя преломления пленкообразующих материалов, формирующих пятислойное просветляющее покрытие, на положение минимумов отражения и расстояние между ними . 69
2.3.1. Пятислойное четвертьволновое просветляющее покрытие, реализующее нулевое отражение на пяти длинах волн 69
2.3.2. Пятислойное четвертьволновое просветляющее покрытие, реализующее нулевое отражение на трех длинах волн 74
2.4. Пятислойное просветляющее покрытие на основе трех
пленкообразующих материалов 82
2.4.1. Пятислойное просветляющее покрытие с показателем преломления n1= n2 82
2.4.2. Пятислойное просветляющее покрытие с показателем преломления n1= n3 86
2.4.3. Пятислойное просветляющее покрытие с показателем преломления n1=n4 90
2.4.4. Пятислойное просветляющее покрытие с показателем преломления n2= n3 94
Выводы по главе 2 97
Глава 3. Анализ стабильности пятислойных четвертьволновых просветляющих покрытий 99
3.1. Многозонные просветляющие покрытия для оптических подложек с малым показателем преломления 99
3.2. Многозонные просветляющие покрытия для оптических подложек с большим показателем преломления 105
3.2.1. Пятислойное просветляющее покрытие на основе пяти пленкообразующих материалов 105
3.2.2 Пятислойное просветляющее покрытие на основе трех пленкообразующих материалов 110
3.3. Спектральные характеристики просветляющих покрытий при наклонном падении 114
Выводы по главе 3 117
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования разработанных конструкций просветляющих покрытий 119
4.1. Реализуемые просветляющих систем, конструкции которых выбраны на основе проведенных ранее исследований 119
4.2. Аттестация пленкообразующих материалов 120
4.3. Экспериментальное изготовление просветляющих покрытий 125
4.3.1. Просветляющее покрытие для видимой области спектра 126
4.3.2. Просветляющее покрытие для инфракрасной области спектра 131
Выводы по главе 4 135
Заключение 137
Список литературы 139
Приложение
- Структуры просветляющих покрытий содержащих буферные слои
- Влияние значений показателя преломления пленкообразующих материалов, формирующих пятислойное просветляющее покрытие, на положение минимумов отражения и расстояние между ними
- Многозонные просветляющие покрытия для оптических подложек с большим показателем преломления
- Экспериментальное изготовление просветляющих покрытий
Структуры просветляющих покрытий содержащих буферные слои
Необходимость использование в оптических системах просветляющие покрытия вызвана рядом причин, в том числе: Из -за отражения света на границе двух сред с разными показателями преломления возникают потерь проходящего светового потока. Особенно существенные потери наблюдаются в случае, когда оптические элементы изготовлены из материалов с высокими показателями преломления; Увеличение в оптических системах границ разделов (оптических системах) приводит к увеличению описанных выше потери; Наличие отражение на границе раздела может привести к ухудшению четкости и контрастности передаваемого изображения из-за возникающего рассеянного света (переотражение).
Основа теории, связанной с просветлением оптических элементов впервые были изложены в литературе в 1946 [41]. В настоящее время существует широкий набор просветляющих покрытий: для одной длиной волны, двух длин волн, разнесенных по спектру на заданное расстояние, широкополосные просветляющие покрытия (ШПП) с отношением 2:1 более двух [42], где 2 и 1 – длинноволновая и коротковолновая границы просветляющих покрытий, соответственно.
Многозонные просветляющие покрытия (МПП) – это диэлектрические системы, наносимые на преломляющие и отражающие грани оптических элементов с разными показателями преломления. Покрытия формируются на границе раздела воздух – материал, из которого изготовлен оптический элемент, и могут снижать отражение на этой границе в нескольких диапазонах спектра. Данный вид покрытий характеризуются диапазонами спектра, в которых энергетический коэффициент отражения имеет значение меньше чем у оптического материала без просветляющего покрытия; спектральной шириной этих диапазонов (i, i=1,2,3,…) и расстоянием между ними (рис.1.1). Выбор конструкции покрытий (число слоев, оптическая толщина каждого слоя, показатель преломления плёнкообразующих материалов, формирующих каждый слой), спектральная характеристика, которая удовлетворяла бы заданным требованиям, является достаточно сложной задачей, часто не имеющей однозначного решения.
В зависимости от конкретной задачи спектральные диапазоны могут быть разными. Ширина диапазонов и их расположение в шкале длин волн определяется назначением данного оптического прибора. Спектральные диапазоны, в которых коэффициент отражения должен быть минимальным могут располагаться в разные области спектра: УФ, видимая и ИК.
Одной из особенностей создания многодиапазонных просветляющих покрытий является требование к пленкообразующим материалам, из которых они формируются. Эти требования связаны с тем, что используемые материалы должны быть прозрачны, т.е. обладать минимальным коэффициентом поглощения в рабочих спектральных диапазонах, которые могут быть расположены в шкале длин волн на расстоянии нескольких микрон. В литературе неоднократно упоминается о том, что показатели преломления и коэффициент поглощения в тонких слоях, полученных методом термического испарения в вакууме [43,44] отличаются от этих параметрах твердых тел [45]. Это вполне объяснимо, поскольку, природа образования тонких слоев испарением в вакууме состоит в зародышеобразование пленки на поверхности материала [46]. При образовании зародышей на поверхности оптического элемента появляются пустоты, заполненные газом, что явно приводит к рассогласованию показателей преломления образующейся тонкой пленки и материала, из которого она изготовлена. Информация об этом рассогласовании представлена в таблицу.1.1.
При разработке просветляющих покрытий, используемых в одной области спектра, часто пренебрегают дисперсией показателя преломления, поскольку в узком спектральном диапазоне дисперсия незначительна. При выборе пленкообразующих материалов для МПП следует осуществлять детальный контроль дисперсии показателя преломления между областями спектра, в которых будет использовано МПП. В литературе мало уделено внимание дисперсии пленкообразующих материалов, однако в [43] рядом с материалом указаны показатели преломления для нескольких длин волн.
Влияние значений показателя преломления пленкообразующих материалов, формирующих пятислойное просветляющее покрытие, на положение минимумов отражения и расстояние между ними
Если По=1, т.е. излучение падает из воздуха, то из (2.13а) получаем, что п3 = пт, и либо Пі, УІ2, либо Wj, П4 должны быть меньше или равны л\пт . Это означает, что такая система реализуется только для просветления оптических материалов с большими показателями преломления таких, как германий (w=4), кремний (w=3,4), сульфид цинка (w=2,2), селенид цинка (w=2,43) и т.п.
Для просветления оптических элементов с малыми показателями преломления (оптическое стекло, кварц) оказывается пригодным условие (2.9). В этом условии нет ограничений при выборе показателей преломления слоев, формирующих покрытие, но количество минимумов меньше чем предыдущем случае.
Из выражения (2.9) следует, что для различных значений пт и щ, при условии фиксации показателя преломления одного слоя, четыре показателя преломления остаются неизвестными. С целью получения минимального значения энергетического коэффициента отражения в заданном спектральном диапазоне, был создан алгоритм выбора материалов для формирования слоёв. Задача выбора плёнкообразующих материалов заключается в том, чтобы полученная конструкция просветляющего покрытия имела интегральный энергетический коэффициент отражения минимальный в рассматриваемом спектральном диапазоне, ограниченном длинами волн (1, 2), где 1, 2 - коротковолновая и длинноволновая границы спектрального диапазона, в котором используется просветляющее покрытие.
Предложенный нами алгоритм программы поиска заключается в следующем: Исходными данными для поиска требуемых плёнкообразующих материалов, образующих слои интерференционной системы: щ, пт, 0, 1, 2, Nmin, Nmax, riidt, А, w. Где Nmin, Nmax- минимальное и максимальное значения показателей преломления пленкообразующих материалов, иД - оптические толщины слоев, формирующих покрытие, равны четверти XQ. Величина А принята равна 1. Aw- шаг дискретизации показателя преломления, Aw =0,05.
Центральная длина волны определяется: л 2А-,А-9 л0 = —— - пункт 1: из пяти величин показателей преломления плёнкообразующих материалов щ, щ, щ, ЇІ4, щ, четыре величины щ, п% щ, П4 принимает произвольное значение от минимального (Nmin) до максимального (Nmax) с шагом изменением Aw. Оставшаяся величина п$ определяется из условия (2.9), - пункт 2: рассчитать значение энергетического коэффициента отражения покрытия по формуле (2.3). Расчет проводится для каждой комбинации показателей преломления, - пункт 3: рассчитать значение интегрального энергетического коэффициента отражения покрытия в диапазоне (к\, Хг), пункт 4: если Rcpmiiee достигает значения меньше А, то величина А заменяется на новую, равную вреднее - пункты 1,2,3,4 повторяются для всех переборов вариантов показателей преломления. На выходе получено значение минимального интегрального энергетического коэффициента отражения покрытия и значение величины показателей преломления слоев, формирующих покрытие. Рис.2.2а. Блок-схемы программы поиска конструкции просветляющих покрытий Схема данного алгоритма для поиска конструкции просветляющих покрытий приведена на рис.2.2а.
В качестве примера были рассчитаны конструкции просветляющих покрытий для оптических элементов, изготовленных из оптического стекла марки К8 (nm=1,52) для спектрального диапазона 0,5 – 1,25мкм, оптическая толщина каждого слоя равна четверти длины волны 0=0,7 мкм.
В состав полученного просветляющего покрытия входят слои из фтористого магния, оксида циркония, оксида церия, оксида магния и диоксида кремния. Показатели преломления этих слоев: n1=1,35(MgF2),n2=2,05 (ZrO2), n3=2,2 (СеO2),n4=1,7 (MgO), n5=1,45 (SiO2). Рис.2.2б. Спектральная характеристика энергетического коэффициента отражения пятислойного четвертьволнового просветляющего покрытия на подложке из стекла с показателем преломления nm=1,52. Показатель преломления слоев:n1=1,35, n2=2, n3=2,2, n4=1,75, n5=1,45. 0=0,7 мкм, Rm– коэффициент отражение подложки без просветляющего покрытия.
На рис.2.2б представлены спектральная характеристика энергетического коэффициента отражения данного покрытия. Покрытие имеет нулевое отражение на длинах волн 0,55 мкм, 0,7 мкм, 1 мкм. Среднее значение энергетического отражения в диапазоне 0,5 – 1,25 мкм равно 0,8%. Область, где энергетический коэффициент отражения меньше 0,5%: 0,532 – 1,064 мкм (1:2). Полученное покрытие имеет низкое отражение в видимой и ближней инфракрасной областях. Такое покрытие может быть применено для лазера с длины волны генерации 1,064 мкм и его второй гармоники 0,532 мкм.
Данная конструкция просветляющего покрытия, если толщина каждого слоя выбрана так, что равна четверти длины волны 1,064 мкм, то нулевое отражение будет наблюдаться на длинах волн 0,85 мкм, 1,064 мкм, 1,54 мкм (рис.2.2в). Эти длины волн используются длинам волн генерации многих лазеров [99,100].
Многозонные просветляющие покрытия для оптических подложек с большим показателем преломления
В настоящее время значительно часть интерференционных покрытий на
оптических элементах формируется методом термического испарения в вакууме. Современные вакуумные установки обычно имеет в своем составе не более трех испарителей, в которых размещаются пленкообразующие материалы. Для формирования пятислойного четвертьволнового просветляющего покрытия необходимо пять пленкообразующих материалов, что вызывает затруднение при реализации такого вида покрытия [102].
Рассмотрим возможности уменьшения количества использующих пленкообразующих материалов. Напомним, что ранее полученное условие просветления (2.13а) пятислойного четвертьволнового просветляющего покрытия имеет вид: п1п5 = п2п4 = п3 = п0пт
Показатель преломления третьего слоя определяется из следующего соотношения: п3 = -yjn0nm , для оптической детали, изготовленной из материала с показателем преломления пт, пз является фиксированным значением, другим словом пз - определено. Из условия просветления, может быть реализовано для случаев, когда 1- п1=п2, 2- Пі=Пз, 3–п1=п4, 4–п2=п3. Рассмотрим каждый отдельный случай. 2.4.1. Пятислойное просветляющее покрытие с показателем преломления Пі= П2 Если выполняется равенство П]=П2, то, согласно (2.13а) должно выполняться тождество: П5=П4=ПоПт/пі, и условие просветления щп5 = п2п4 = п3 = п0пт примет вид:
Пятислойное четвертьволновое просветляющее покрытие в этом случае будет представлять в виде: ПіПіПзП5пП, где П - подложка, на которой формируется покрытие. В этом случае, пятислойное просветляющее покрытие образуется на основе трех материалов с показателями преломления n1,n5,n3. Однако, толщины слоев не будут равны между собой, но они будут кратны 0/4, а толщины слоев, граничащих с воздухом и подложкой равны между собой и равны 0/2. На рис.2.23 изображена структура покрытия такого типа:
Структуры просветляющих покрытий двух видов: а) – покрытие сформировано из пяти материалов; б) – из трех Показатели преломления слоев, формирующих трехслойную просветляющую четвертьволновую систему n5,n3, могут быть определены из следующих соотношений: показано распределение величины коэффициента А в зависимости от значений показателей преломления пт и nj. Как видно из этого рисунка, величина коэффициента А в этом случае всегда имеет отрицательное значение. Ранее было показано, что при A 0 пятислойное покрытие всегда реализует пять минимумов отражения.
Распределение величины коэффициента A в зависимости от значений nm и n1 просветляющего покрытия, сформировано из трех материалов.
Спектральная характеристика энергетического коэффициента отражения пятислойного просветляющего покрытия типа n1n1n3n5n5П, показатель преломления слоев: 1–n1=1,45, 2–n1=1,65, 3–n1=1,95. Показатели преломления n3=(n0nm)0,5, n5=(n0nm)/n1. Покрытие сформировано на подложке с показателем преломления nm=3,4, 0=2 мкм. Спектральные кривые представлены в разные диапазоны: а)1–3 мкм, б)3–10 мкм На рис.2.25. представлены спектральные характеристики просветляющего покрытия, состоящего из двух полуволновых слоев, разделенных четвертьволновым слоем. Покрытия отличаются величиной показателя преломления слоя, граничащего с воздухом: 1–n1=1,45, 2–n1=1,65, 3–n1=1,95. Показатели преломления остальных слоев определены соотношением (2.48). Покрытие сформировано на подложке с показателем преломления nm=3,4, 0=2 мкм.
На рис.2.26. приведены спектральные характеристики энергетического коэффициента отражения просветляющего покрытия, состоящего из двух полуволновых слоев, разделенных четвертьволновым слоем. Покрытия отличаются величиной показателя преломления слоя, граничащего с воздухом: кривая 1–n1=1.45, 2–n1=1.65, 3–n1=1,75, n3=(n0nm)0,5, n5=(n0nm)/n1. Покрытие сформировано на подложке с показателем преломления nm=2.45, 0=1мкм.
Спектральная характеристика энергетического коэффициента отражения пятислойного просветляющего покрытия типа n1n1n3n5n5П, показатель преломления слоев: 1– n1=1,45, 2– n1=1,65, 3– n1=1,75. Показатели
преломления n3=(n0nm)0,5, n5=(n0nm)/n1. Покрытие сформировано на подложке с показателем преломления nm=2,45, 0=1 мкм. Спектральные кривые представлены в разные диапазоны: а)0,5–1,5мкм, б)1,5–7,5мкм При увеличении показателя преломления слоя, граничащего с воздухом, величина энергетического коэффициента отражения между длинами волн, в которых наблюдается нулевые значения коэффициента отражения увеличиваются, а положения минимального значения энергетического коэффициента отражения, соответствующие соседним минимумам (3 и 4) сдвигаются к центральному минимуму (0), а длинноволновый минимум (1) смещается в длинноволновую область спектра, коротковолновый минимум (2) смещается в коротковолновую область спектра. В результате этого расстояние между длинами волн, на которых расположены длинноволновые минимумы отражения, увеличиваются.
Пятислойное просветляющее покрытие с показателем преломления Пі= Пз Рассмотрим пятислойное четвертьволновое просветляющее покрытия, у которого показатель преломления слоя, граничащего с воздухом равен показателю преломления центрального слоя (п]=пз). Величина этого показателя преломления может быть определена следующим образом:
В этом случае структура пятислойного четвертьволнового покрытия будет иметь следующие показатели преломления: П]П2П]П4П]П, где П] -фиксированное значение. Таким образом, эта структура также сформировано из трех материалов, в которой будут иметь показатели преломления П],П2,П4.Структура рассматриваемого покрытия представлена на рис.2.27.
Экспериментальное изготовление просветляющих покрытий
Влияние отклонения показателей преломления слоев на значение среднего энергетического коэффициента отражения пятислойных четвертьволновых просветляющих покрытий на основе трех пленкообразующих материалов. Покрытие сформировано на подложке с показателем преломления nm=2,45.0=0,9 мкм.
В таб. 3.5 и 3.6 представлены результаты анализа влияния отклонений в показателе преломления слоев и отклонения оптических толщин слоев на значение среднего энергетического коэффициента отражения пятислойных четвертьволновых просветляющих покрытий. Полученные результаты рассматриваемого случая имеют характеристики аналогичные случаю, когда покрытие формируется из пяти материалов. Однако, в данном случае, отклонение показателей преломления слоев, формирующих покрытие, приводит к меньшему изменению спектральных свойств покрытия по сравнением с случаем, когда покрытие сформировано из пяти материалов, т.е. полученная система менее чувствительная к отклонению показателей преломления пленкообразующих материалов (рис.3.10).
Спектральная характеристика энергетического коэффициента отражения пятислойного четвертьволнового просветляющего покрытия на основе трех пленкообразующих материалов на подложке с показателем преломления nm=2,45.Показатели слоев: n1=n4=1,35, n3=1,56. 1– n2=n5=1,82, 2– n2=n5=1,91, 3– n2=n5=1,73. Спектральные кривые представлены в разные диапазоны: а)0,45–1,7мкм, б)3,5–5,5мкм
Для широкополосных просветляющих систем при отклонении значений показателей преломления материалов, формирующих слои интерференционных просветляющих систем, на величину ±5%, значение среднего энергетического коэффициента отражения изменяется на величину 0,02-0,3%. Для многозонных просветляющих покрытий, работающих в ИК области спектра, при отклонении значений показателей преломления материалов, формирующих слои, на величину ±5%, значение среднего энергетического коэффициента отражения в диапазоне 0,7-1,4мкм изменяется на величину 0,01-0,3%, а в диапазоне 3,5-5,5мкм: 0,01-0,05% Для широкополосных просветляющих систем при отклонении толщин слоев, формирующих слои интерференционных просветляющих систем,
Для многозонных просветляющих покрытий, работающих в ИК области спектра, при отклонении при отклонении оптической толщины слоев в интервале ±0,30/4, значение среднего энергетического коэффициента отражения в диапазоне 0,7-1,4мкм изменяется на величину 0,02-1,9%, а в диапазоне 3,5-5,5мкм: 0,01-0,2%
Спектральные характеристики просветляющих покрытий при наклонном падении Рассмотрим спектральные характеристики просветляющих покрытий при наклонном падении излучения, т.е.случай, когда излучение падает из среды с показателем преломления n0под некоторым углом 0на пятислойную диэлектрическую систему покрытия. Слои, входящие в состав покрытия, характеризуются показателями преломления n1, n2, n3, n4, n5 и оптическими толщинами n1d1, n2d2, n3d3, n4d4, n5d5.Покрытие сформировано на подложке с показателем преломления nm. Обозначим эффективный показатель преломления через n , который для разных состояний поляризаций имеет следующее значение, согласно [60]:
На рис.3.11 представлены спектральные характеристики просветляющих покрытий для подложки с показателем преломления nm=1,52 при наклонном падении света. Как видно, при наклонном падении наблюдаются смешение спектральной кривой в коротковолновую область и увеличения значения энергетического коэффициента отражения. Спектральная характеристика энергетического коэффициента отражения для ситуации, когда излучение падает при угле меньшем, чем 300 не значительно отличается от спектральной характеристики, полученной при нормальном падении излучения.
Кроме того, при угле падения больше 300, нулевое значение энергетического коэффициента отражения отсутствует из-за рассогласования энергетического коэффициента отражения для s и p компонентов.
На рис.3.12 представлены спектральные характеристики просветляющих покрытий для подложки с показателем преломления nm=2,45 при наклонном падении света. В этом случае ситуация так же как ситуация, изображена на рис.3.11, что при наклонном падении наблюдаются смешение спектральной кривой в коротковолновую область и увеличения значения энергетического коэффициента отражения. Когда угол падения больше 300, нулевое значение энергетического коэффициента отражения отсутствует из-за рассогласования энергетического коэффициента отражения для s и p компонентов.
Рис.3.12.Спектральные характеристики отражения пятислойного четвертьволнового просветляющего покрытия при наклонном падении. Покрытие из пяти сформировано на подложке с показателем преломленияnm=2,45. Показатели преломления слоев: n1=1,35, n2=1,75, n3=1,56, n4=1,4, n5=1,82. 0=0,9 мкм
Исследовано влияние показателей преломления и оптических толщин слоев, формирующих покрытия для оптических элементов, изготовленных из оптических элементов с малым показателем преломления. Показано что, в интервале изменения больше и меньше 5% от исходного значения показателя преломления каждого слоя, среднее отражение изменяется не значительно.
Отклонение оптической толщины пятого слоя (слой на подложке) приводит к наименьшему изменению спектральных свойств покрытия, а наибольшее влияние оказывается первый слой (слой, граничащий с воздухом). Таким образом, чтобы получить просветляющее покрытие, спектральные характеристики хорошо согласуются с расчетными характеристиками, необходимо тщательно контролировать первый слой, который последним напылить.
Исследовано влияние показателей преломления и оптических толщин слоев, формирующих покрытия для оптических элементов, изготовленных из оптических элементов с большим показателем преломления. Получено, что конструкция пятислойного четвертьволнового просветляющего покрытия на основе трех материалов менее чувствительная к отклонению показателей преломления пленкообразующих материалов, формирующих покрытие.
Рассмотрено изменение спектральных характеристик отражения просветляющих покрытий при наклонном падении. Показано, что при наклонном падении наблюдаются смешение спектральной кривой в коротковолновую область и увеличения значения энергетического коэффициента отражения. Спектральные характеристики энергетического коэффициента отражения при углах падения меньше 300 не значительно отличается по сравнению со случаем нормального падения. Когда угол падения больше 300, нулевое значение энергетического коэффициента отражения отсутствует из-за рассогласования энергетического коэффициента отражения для s и p компонентов.