АХРОМАТИЧЕСКИЕ ПРОСВЕТЛЯЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ (λ1 : λ2 ≈ 1:3, ρ ≤ 1 %) Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

АХРОМАТИЧЕСКИЕ ПРОСВЕТЛЯЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ

Л.А. Губанова, Э.С. Путилин

В статье представлены основные особенности этапов разработки просветляющих покрытия для УФ-области спектра, а также конструкции и спектральные характеристики антиотражающих покрытий для материалов, прозрачных в рассматриваемой области спектра.

Введение

Расширение рабочей области спектра, используемой в современных оптических приборах, приводит к необходимости создания просветляющих покрытий, работающих в широком спектральном диапазоне. Работа оптических систем в ультрафиолетовой области спектра вызывает сложности при разработке просветляющих (антиотражающих) покрытий на оптических элементах. Эти сложности связаны с тем, что оптические материалы, прозрачные в УФ области спектра, обладают малым показателем преломления (1,41-1,46). Это обстоятельство, с одной стороны, позволяет использовать оптические элементы без просветляющих покрытий, поскольку остаточный (френелевский) коэффициент отражения в этом случае не превосходит 3,5%, но с другой - усложняет конструкции просветляющих систем. Разработка просветляющих систем для УФ-области спектра осложняется также тем, что для создания интерференционных покрытий, работающих в рассматриваемой области спектра, существует ограниченный набор пленкообразующих материалов, поскольку большая часть их непрозрачна в этом диапазоне. Существенным ограничением на использование пленкообразующих материалов является то, что для улучшения эксплутационных характеристик некоторых их них необходим нагрев оптической детали в процессе изготовления покрытия. Используемые в ряде оптических систем детали, изготовленные из фторида кальция, не допускают нагрева, поскольку при нагревании они приобретает фиолетовую окраску, что свидетельствует о снижении пропускания оптических элементов в УФ-области спектра. Такое изменение свойств фторида кальция приводит к ограничению используемых для просветляющих покрытий пленкообразующих материалов, т. е. исключает в конструкции такой распространенный материал, как фторид магния.

При создании просветляющих систем для УФ-области спектра необходимо также учитывать тот фактор, что как у пленкообразующих материалов, так и у материалов, из которых изготавливаются оптические элементы, наблюдается увеличение дисперсии показателя преломления в коротковолновой области спектра. Это обстоятельство накладывает дополнительные условия на разработку просветляющих покрытий в рассматриваемом спектральном диапазоне, поскольку показатели преломления тонких слоев существенно зависят от условий осаждения и обрамления этого слоя. Последние обстоятельства требуют особенно тщательного соответствия расчетных и экспериментально полученных значений оптических толщин и показателей преломления слоев покрытия.

Пленкообразующие материалы, применяемые для просветления оптических деталей, характеризуются, как известно, показателем преломления, дисперсией показателя преломления, положением коротковолновых и длинноволновых границ поглощения, химической стабильностью и механической прочностью, а также совместимостью слоев друг с другом, т. е. на границах раздела между слоями и между подложкой и слоями должны отсутствовать химические реакции. Поэтому при расчете конструкции покрытия необходимо точно знать все параметры пленкообразующих материалов. Для материалов, работающих в УФ области спектра, диапазон прозрачности пленкообразующих материалов лежит в пределах от 0,15 мкм до 2 мкм. В этом диапазоне материалы должны обладать высокой пропускной способностью, т. е. минимальным коэффициентом

поглощения. Материал считается прозрачным, если величина его коэффициента поглощения меньше 10 см-1, это означает, что коэффициент экстанции в исследуемой области спектра не может превышать 10 .

Все эти параметры определяются природой пленкообразующего материала и условиями формирования слоев, из которых состоит покрытие.

Основные результаты

Нами был проведен анализ для таких пленкообразующих материалов, как диоксид кремния ^Ю2), диоксид гафния(ИГО2) и фторид магния (MgF2). Наблюдается значительное увеличение показателя преломления у пленкообразующих материалов в УФ области спектра, поэтому при расчете конструкций покрытий, работающих в УФ области спектра, необходимо учитывать дисперсию показателя преломления. На дисперсию показателя преломления оказывает влияние не только состав пленкообразующего материала, но и условия формирования покрытия. Поэтому полученные нами результаты позволили скорректировать конструкцию просветляющего покрытия, работающего в ультрафиолетовой и видимой области спектра.

С целью получения достоверных значений показателя преломления пленкообразующих материалов на нашей кафедре давно проводятся исследования по изучению факторов, влияющих на стабильность показателей преломления таких материалов. В интересующем нас спектральном диапазоне прозрачны лишь несколько материалов, а именно MgF2, SiO2, ИГО2. Ниже представлены результаты анализа показателей преломления и дисперсии показателя преломления этих материалов.

Для аттестации пленкообразующих материалов на промышленной вакуумной установке были изготовлены пленки из MgF2, SiO2 и ИГО2, толщиной, кратной Х/4, для некоторых длин волн. Пленки формировались на подложках из кварцевого стекла марки КУ-1. Значения показателей преломления пленок для длин волн, на которых толщина их кратна Х/4, вычислялись по величине коэффициента пропускания в экстремуме. Измерение спектральных коэффициентов энергетического пропускания проводилось на спектрофотометре СФ-26. Дисперсионные зависимости показателя преломлении были получены путем интерполяции имеющихся значений показателя преломления для разных длин волн.

Пленки оксида кремния (8Ю2). На рис. 1 представлены дисперсионные зависимости показателя преломления оксида кремния, полученные авторами и приведенные в работах [2, 3]. Поскольку оксид кремния обладает там же показателем, что и плавленый кварц, измерения показателя преломления проводились по аттестации двухслойной системы, образованной четвертьволновыми слоями ИГО2 и SiO2.. Осаждение пленок SiO2 проводилось методом электронно-лучевого испарения при остаточном давлении в камере 10" Па и скорости осаждения 1 нм/с на прогретую до 300°С подложку. Четвертьволновая пленка оксида гафния на подложке из кварцевого стекла формировалась при той же температуре поверхности подложки, давлении остаточных газов в вакуумной камере и при скорости осаждения 0,2 нм/с. В литературных данных указания об условиях осаждения пленок оксида кремния отсутствуют. Как видно из рис. 1, пленки SiO2. в ультрафиолетовой части спектра имеют меньшие значения показателя преломления, чем массивный материал. В видимой области спектра значения показателей преломления пленок совпадают со значением показателя преломления массивного материала. Отличие в показателе преломления в ультрафиолетовой части спектра связано, по-видимому, с пористостью пленки.

п

■ 1 1 ;

1 1 ! ] ли ? : \ 1

1 ■ к 1 ^^^ ■ 1 , . 1 1 1 а-1-

• : ; | 1 1 у 1 1

! ; 1 '_ ; \ -

200 ЗСО 400 5С0 600 700 ЙОО

;ип п * п полны, ми

Рис. 1. Спектральная зависимость показателя преломления пленок оксида кремния: ▲ - экспериментальные результаты, полученные авторами, о - результаты, приведенные в работе [2], ■ - значения показателя преломления массивного материала из [3]

Пленки фторида магния (М^г). На рис. 2 приведена спектральная зависимость показателей преломления пленок и массивного материала фторида магния. Пленки фторида магния были получены методом электронно-лучевого испарения при давлении остаточных газов в камере, равном 10 Па. Осаждение пленок производилось на нагретую до 300°С подложку из плавленого кварца со скоростью 0,5 нм/с. Как видно из рисунка, значения показателей преломления пленок фторида магния, полученные при приведенных выше условиях, с достаточной степенью точности совпадают со значениями показателя преломления массивного материала в широком спектральном диапазоне. Указанное обстоятельство позволяет сделать предположения о том, что пленки М§Б2 обладают незначительной пористостью и ориентация кристаллитов носит произ-

200 300 400 5СС 600 700 800 900 1000

длина волны, нм

Рис. 2. Спектральная зависимость показателя преломления фторида магния: ▲- экспериментальные результаты, полученные авторами, ■ - результат, приведенный в работе [1]

Пленка оксида гафния (НГО2). На рис. 3 представлены спектральные зависимости показателя преломления оксида гафния. Пленка оксида гафния была получена методом электронно-лучевого испарения при остаточном давлении газов в вакуумной ка-

-3

мере 10 Па. Осаждение проводилось на прогретую до 300°С подложку из плавленого кварца марки КУ-1 со скоростью осаждения 0,2 нм/с. На этом же рисунке представлены значения показателя преломления оксида гафния, приведенные в литературе [2, 3]. Вертикальная линия на длине волны 550 нм изображает различие в величине показателей преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей кристалла НГО2.

Рис. 3. Спектральная зависимость показателя преломления пленок оксида гафния: х - экспериментальные данные, ♦ и значения показателей преломления пленок и массивного материала, приведенные в [2, 3]

У

/

/ V 2 /

/ \ /

Л г \ у У

\ / ■ч-У < у

V /

/

V /

г \ /

1 1

1 1 "

1

Ч V Л +*+ ,

■ГГ Г™1-" *

200

300

400

?00

500 700

длина волны, нм

Ошибка!

Рис. 4. Влияния дисперсии пленкообразующих материалов на спектральную характеристику просветляющего покрытия: 1 - без учета дисперсии пленкообразующих материалов, 2 - с учетом дисперсии пленкообразующих материалов

Как видно из рис. 3, дисперсионная зависимость показателя преломления, полученная авторами, достаточно хорошо совпадает с литературными данными. Это говорит о том, что при расчетах можно пользоваться значениями показателя преломления оксида гафния, приведенными в литературе. Проведенные нами измерения отражения и пропускания пленки гафния толщиной 250 нм показали, что эта пленка начинает интенсивно поглощать излучение с длиной волны короче 230 нм. На длине волны 200 нам поглощение составляет более 40%.

С целью определения этого влияния на спектральные характеристики просветляющих покрытий, содержащих слои фторида магния, оксидов гафния и кремния, нами были проведены расчеты спектральной характеристики разработанного ранее просветляющего покрытия с учетом полученных результатов. На рис. 4 представлены спектральные характеристики антиотражающего покрытия без учета (кривая 1) и с учетом дисперсии показателей преломления (кривая 2) пленкообразующих материалов.

Как видно из приведенных зависимостей, по всему спектральному диапазону наблюдается значительное различие в коэффициентах отражения интерференционного покрытия, содержащего слои из исследованных нами материалов. Необходимо обратить внимание на то обстоятельство, что во всем спектральном диапазоне происходит значительный рост коэффициента отражения просветляющего покрытия. Это связано с тем, что существенно изменяются фазовые толщины слоев, образующих это покрытие.

\

200 400 600 800

Рис. 5. Спектральные характеристики 12-ти слойного покрытия: □ - сразу после изготовления, ■ - после хранения во влажной атмосфере

Различия в спектральных характеристиках, полученных расчетным путем с учетом и без учета дисперсии показателей преломления пленкообразующих материалов, позволяют объяснить результаты плохого воспроизведения спектральных характеристик просветляющих покрытий при изготовлении этих покрытий в УФ области спектра. Следует также помнить, что на вид спектральной характеристики оказывает влияние не только состав пленкообразующего материала, но и условия формирования покрытия. Эти условия оказывают влияние на величину пористости покрытия. Пористость покрытия, в свою очередь, при эксплуатации этого покрытия в атмосфере определяет изменение показателя преломления слоя.

Для проверки высказанных предположений нами было изготовлено 12-слойное просветляющее покрытие, обладающее близкими характеристиками, и исследовано поведение спектральной характеристики этого покрытия при хранении во влажной атмосфере. Давление паров воды соответствовало насыщенному при данной температуре. Температура составляла 20°С. Особенностью этого покрытия является наличие близкого к нулю минимума отражения в районе 220-230 нм. Как видно из рис. 5, при хранении во влажной атмосфере происходит резкое увеличение максимумов отражения просветляющего покрытия, связанного с проникновением паров воды в поры слоев пленкообра-

зующих материалов. Проникновение паров воды в поры пленкообразующих материалов приводит к увеличению показателей преломления и фазовых толщин слоев. Результатом этого является сдвиг спектральной характеристики в красную область спектра и увеличение максимумов отражения.

Заключение

В УФобласти спектра наблюдается значительное увеличение показателей преломления пленкообразующих материалов по сравнению с видимой областью спектра.

Дисперсия пленкообразующих материалов оказывает значительное влияние на спектральные характеристики просветляющих покрытий, работающих в диапазоне спектра от 200 нм до 1000 нм.

Если просветляющая диэлектрическая система предназначена для работы в диапазоне спектра от 200 нм до 1000 нм, то ее конструкцию (число, порядок расположения и оптические толщины слоев) необходимо рассчитывать с учетом дисперсии показателей преломления пленкообразующих материалов, входящих в ее состав.

Если диэлектрические системы предназначены для работы в широком спектральном диапазоне, то измерение величины показателей преломления слоев пленкообразующих материалов следует проводить на пленках, полученных в тех же условиях (остаточное давление, температура, скорость испарения), в которых будут изготавливаться интерференционные системы.

При реализации широкополосных просветляющих покрытий необходимо учитывать не только дисперсию показателей преломления пленкообразующих материалов, но и условия их эксплуатации.

Работа выполнена в рамках проекта «Компьютерное моделирование, разработка и исследование оптико-информационных систем и технологий»

Литература

1. Оптические кристаллические материалы. Каталог. / Под редакцией Г.Т. Петровского. Л., 1991. 52 с.

2. Гайнутдинов И.С., Несмелов Е.А.. Хайбуллин И.Б. Интерференционные покрытия для оптического приборостроения. Казань: изд. «Фэн», 2002. 591 с.

3. Воронкова Е.М. и др. Оптические материалы для ИК техники. М.: Наука, 1965. 243 с..