Фазокомпенсирующие покрытия для асферической оптики Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

6. ГОСТ Р 51854-2001. Линзы очковые солнцезащитные. Технические требования. Методы испытаний. М.: Изд-во стандартов, 2003. 7 с.

7. ГОСТ Р 12.4.230.1-2007. Средства индивидуальной защиты глаз. Общие технические требования EN 1662001. Индивидуальная защита глаз. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 2007. 35 с.

Сведения об авторе

Мария Ивановна Бударгина — соискатель; Санкт-Петербургский национальный исследовательский

университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптических технологий; E-mail: budargina@mail.ru

Рекомендована факультетом ОИСТ Поступила в редакцию

25.11.11 г.

УДК 535.41

Г. В. Никандров, Э. С. Путилин ФАЗОКОМПЕНСИРУЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ АСФЕРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ

Исследован новый класс многослойных диэлектрических систем, обладающих постоянным коэффициентом отражения при изменяющейся в широких пределах оптической толщине слоев. Показано, что, используя подобные системы, можно формировать волновой фронт в оптической системе для одной или нескольких длин волн.

Ключевые слова: интерференционные покрытия, асферическая оптика, лазерный резонатор.

При формировании волнового фронта отраженной или прошедшей волны от оптического элемента с помощью интерференционных многослойных покрытий используются зависимости амплитудных коэффициентов отражения г или пропускания I от оптической толщины и показателей преломления слоев, образующих покрытия. Действительно, если представить

эти коэффициенты в виде г = |г|егр и t = , где р — разность фаз между отраженной и падающей, т — разность фаз между прошедшей и падающей волнами, то, изменив оптическую толщину одного или нескольких слоев по поверхности оптического элемента, можно увидеть, что величины р, т, а также |г| и будут изменяться. Это свойство интерференционных покрытий используется при формировании волнового фронта отраженного или прошедшего излучения [1].

При решении различных задач оптики требования к характеру изменения величин |г|, р и т, следовательно, и к изменению оптической толщины слоев могут быть различными. При создании асферических поверхностей, компенсации осесимметричных дефектов поверхности подложек или формировании фронта лазерного излучения с использованием многослойных покрытий значения |г| и должны быть постоянными для излучения с одной длиной волны (например — элементы лазерной оптики) или некоторого спектрального интервала, в то время как величины р и т должны изменяться по заданному закону. При формировании волнового фронта лазерного излучения используются системы, у которых все значения |г|, р, |4 т различаются для разных точек поверхности оптического элемента — выходного зеркала лазерного резонатора [2, 3].

Фазокомпенсирующие покрытия — это диэлектрические системы слоев, у которых при изменении оптической толщины одного или нескольких слоев коэффициент отражения или пропускания (амплитудный или энергетический) остается постоянным. Нами были рассмот-

рены двух-, трех- и многослойные системы с одним градиентным слоем, а также системы с чередующимися градиентными слоями.

Пусть двуслойная система образована слоями с показателями преломления n1 и n2. Оптическая толщина слоя, лежащего на подложке, — 0,25Хо, а толщина слоя, граничащего со средой, из которой поступает свет, изменяется по произвольному закону. Показатели преломления внешних (обрамляющих) сред n0, nm. Свет поступает из среды с показателем преломления n0 по нормали к поверхности. Поскольку r = const, энергетический коэффициент отражения системы

R = |r|2 не зависит от толщины первого слоя для излучения с длиной волны X = Xо .

Определим значение амплитудного коэффициента отражения такой двуслойной диэлектрической системы, у которой оптическая толщина первого слоя изменяется в широких пределах, а оптическая толщина второго слоя равна 0,25Хо. Для этого воспользуемся матричным аппаратом, приведенным в работах [4, 5]:

r =[(nMl - nmM22 ) + (n0nmM12 -M21)] x

x[(noM„ + nmM22 ) + (n0nmMi2 + M21 )) = |r|^/p, (1)

где ф1 — фазовая толщина 1-го слоя M11 =(n2 / n1) sin ф1, M12 = (i / n2 )cos ф 1, M21 =(in2 )cos ф1, M22 = (n1 /n2 )sin ф1, ф1 = 2nk (X0/ X) , k — безразмерный коэффициент, определяющий оптическую толщину градиентного слоя. С учетом этого

(n0n2 / n1 - nmn1/ n2 )2 sin2 ф1 + (n0nm / n2 - n2 ) c0s2 ф1 (n0n2 / n1 + nmn1 / n2 )2 sin2 ф1 + (n0nm / n2 + n2 )2 cos2 ф1 .

Условие отсутствия зависимости энергетического коэффициента отражения от фазовой толщины первого слоя будет выполняться при

2

R = r =

Jn0n2 / n1 - nmn1 / n2 = n0nm / n2 - n2, |n0n2 / n1 + nmn1 / n2 = n0nm / n2 + n2.

Из системы уравнений (2) получаем:

(2)

n1 = n22/ nm , (3)

с учетом (3) амплитудный коэффициент отражения

r = (n0 nm - n22 )/ (n0nm + n22 ) = (n0nm - n22 ) / ( n0nm + n22

р = |° пРи п°пт < п22, (4)

[л при п°пт > п22.

2

Из выражения (3) видно, что р = 0 при П2 = п°пт . Как видно из соотношения (4), разность фаз между падающим и отраженным излучением не зависит от толщины градиентного слоя и определяется показателем преломления слоя, лежащего на подложке, и показателями преломления обрамляющих сред.

Показатель преломления двуслойной диэлектрической системы может изменяться в достаточно широких пределах. Так, при П2 = 1,7°, п° = 1 и пт = 1,52 показатель преломления первого слоя п1 = 1,9°, а энергетический показатель отражения Я = 9,6 %.

На рис. 1 представлена зависимость энергетического коэффициента отражения Я (цифры на рисунке) от длины волны и п1 й1 для двуслойной системы с параметрами п° = 1,

щ = 1,90, щ = 1,70,

пт = 1,52, ^ = 550 нм. Как видно из этого рисунка, коэффициент отражения системы не меняется при изменении оптической толщины первого слоя в интервале длин волн порядка 5 нм.

8 ,

4

450

500

550

Рис. 1

600

X, нм

На рабочей длине волны 550 нм энергетический коэффициент отражения R = 9%, а например, для подложки с показателем преломления nm = 2 — R = 3%.

При возрастании показателя преломления подложки значение энергетического коэффициента отражения системы, содержащей слой с выбранными параметрами, уменьшается. Следовательно, указанные системы могут быть использованы для решения задач асферизации оптических элементов, работающих как в пропускании, так и в отражении.

Дальнейший интерес представляет рассмотрение трехслойных и многослойных систем с одним градиентным слоем, а также систем с чередующимися градиентными слоями, которые могут обладать подобными свойствами. Следует определить, могут ли такие системы содержать несколько слоев, параметры которых (оптическая толщина слоев) не влияют на коэффициент отражения системы.

Рассмотрим трехслойные четвертьволновые системы, у которых показатели преломления слоев равны ni, n2 и n3. Оптическая толщина второго и третьего слоев по ходу луча равна 0,25, а оптическая толщина первого слоя может изменяться. С учетом этого для трехслойной системы M11 = (n3 / n2 ) cos ф1, M12 = (n2 / n1n3 ) sin ф1, M21 = (n1n3 / n2 ) sin ф1, M22 = (n2 / n3 ) cos ф1.

Энергетический коэффициент отражения системы R = |r |2 равен:

,2 2 // . \2

R =

(n0n3 /n2 - n2 /n3 ) cos2 ф1 + ((n0nmn2 )/(n1n3) - n1n3 /n2) sin2 ф1 (n0n3 /n2 + n2 / n3 )2 cos2 ф1 + ((n0nmn2 ) /(n1n3 ) + n1n3 /n2 )

22 sin ф1

-1

(5)

(6)

Здесь так же, как и для двуслойной системы, отсутствие зависимости энергетического коэффициента отражения будет выполняться при условии

Щ п3 / п2 - п2 / п3 = (щ0 птп2 )/ (п1п3 )-п1п3 / ^

Щп3 /п2 + п2 /п3 = (Щщтщ2 ) / (Щ1Щ3 ) + Щ1Щ3 / п2. Из соотношения (6) получаем значение показателя преломления градиентного слоя

п1 =( щ22 пт )/щ32. (7)

С учетом (7) амплитудный коэффициент отражения

6

0

г = по пз - п2

;)=(

п0 п3 + п2 = п0 п3 - п2 / п0 п3 + п2

)(

,'Р

Р =

2 2 0 при п0п3 > п2 ,

2 2 П при п0п3 < п2 .

Для подложки с показателем преломления пт = 1,52 были исследованы трехслойные системы (см. таблицу).

Система «1 Ш2 Ш3 Я, % (рабочая длина волны)

1 1,70 (МО) 2 (БЮ) 1,89 (¥203) 7

2 1,89 (¥203) 1,54 (М2О3) 1,38 (М^) 9,5

3 2,10 (Тя20з) 2 (БЮ) 1,7 (МмО) 12,2

Как видно из таблицы, для трехслойной системы, как и для двуслойной, можно получить различные значения энергетического коэффициента отражения.

На рис. 2 приведена зависимость коэффициента отражения Я от длины волны и оптической толщины градиентного слоя п1й1 для трехслойной системы с параметрами п0 = 1,п1 = 1,89, п2 = 1,54, п3 = 1,38, пт = 1,52, Х0 = 550 нм.

450 500 550 600 X, нм

Рис. 2

Было исследовано зеркальное покрытие, состоящее из девятнадцати чередующихся слоев 0,25^0. В этом случае для фазокомпенсирующей системы, содержащей один градиентный слой, величина показателя преломления п1 определяется следующим выражением: п = п2г18/п2г+118 , где I — число пар чередующихся слоев.

Далее были рассмотрены системы с чередующимися градиентными слоями. Примером такой системы, содержащей четное количество слоев, является четырехслойное покрытие, у которого 2-й и 4-й слои — четвертьволновые, а 1-й и 3-й — переменной толщины. Показатель

преломления 3-го слоя находится согласно выражению (3): щ = п4 /пт, а первого слоя —

2 2 2 2 п1 = п2 пт /п4 . Коэффициент отражения такой системы равен нулю при щп2 = птп4 .

Для диэлектрических систем, содержащих пять слоев, 2-й, 4-й и 5-й слои — четвертьволновые, а 1-й и 3-й — переменной толщины. Показатель преломления 3-го слоя находится

согласно выражению (7) для трехслойной системы п = п42 пт / п^, а показатель преломления

2 2 2 1-го слоя — п1 = п2 п5 / п4 пт .

46

Л. А. Губанова, В. А. Зверев

Исследован новый класс многослойных диэлектрических систем, обладающих постоянным коэффициентом отражения при изменении в широких пределах значений оптической толщины одного или нескольких слоев. Показано, что, используя подобные системы, можно формировать волновой фронт в оптической системе для одной длины волны или интервала длин волн. С использованием систем, содержащих слои, толщина которых не влияет на величину коэффициента отражения, можно создавать асферические поверхности, управляя распределением толщины по поверхности оптического элемента, компенсировать осесиммет-ричные дефекты по поверхности подложек и уменьшать расходимость пучков в лазерных резонаторах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Губанова Л. А., Путилин Э. С. Интерференционные покрытия, формирующие энергетические и волновые параметры излучения. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006.

2. Губанова Л. А. Градиентные интерференционные системы. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008.

3. Фимин П. Н. Разработка и исследование градиентных лазерных зеркал. СПб: СПбГУ ИТМО, 2001.

4. БорнМ., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. 720 с.

5. Хасс Г., Тун Р. Физика тонких пленок. М.: Мир, 1967. Т. 2.

Георгий Васильевич Никандров

Эдуард Степанович Путилин

Рекомендована факультетом ОИСТ

Сведения об авторах аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптических технологий; E-mail: nikandrov.spb@mail.ru д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптических технологий; E-mail: putilin@otd.ifmo.ru

Поступила в редакцию 25.11.11 г.

УДК 535.4, 535.8

Л. А. Губанова, В. А. Зверев

СОЗДАНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ С УЛУЧШЕННЫМИ МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ НА ОСНОВЕ СМЕСОВЫХ ПЛЕНОК

Рассмотрены возможности создания новых пленкообразующих материалов с улучшенными, по сравнению с традиционными материалами, механическими свойствами (адгезия к подложке, механические напряжения, твердость и т.д.) на основе смесовых пленок.

Ключевые слова: смесовые пленки, вакуумное напыление, механические напряжения, адгезия, микротвердость.

Основным для получения заданной спектральной характеристики осаждаемого покрытия параметром пленкообразующего материала (ПОМ) является показатель преломления. Однако при практическом применении покрытий не менее важную роль играет адгезия к подложке, стойкость к воздействию окружающей среды, механическая прочность. Лишь немногие материалы в достаточной степени удовлетворяют всем предъявляемым требованиям. При