Оценка влияния температуры на спектральные характеристики тонких пленок Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 535.345.67

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

НА СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОНКИХ ПЛЕНОК

Ирина Николаевна Шарыпова

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры специальных устройств, инноватики и метрологии, тел. (913)919-64-16, e-mail: kaf.suit@ssga.ru

Галина Вячеславовна Симонова

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры специальных устройств, инноватики и метрологии, тел. (913)724-67-47, e-mail: simgal@list.ru

В статье описывается важность и особенности оценки метрологических характеристик интерференционных фильтров на основе тонких плёнок. Показано существенная зависимость спектральных характеристик от температуры. Приведены соответствующие экспериментальные результаты.

Ключевые слова: метрологические характеристики, интерференция, температурные искажения, спектральные характеристики, тонкие плёнки.

ASSESSMENT OF TEMPERATURE IMPACT ON SPECTRAL CHARACTERISTICS OF THIN FILMS

Irina N. Sharipova

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Graduate, Department of Special-purpose Devices, Innovatics and Metrology, phone: (383)361-07-31, e-mail: kaf.suit@ssga.ru

Galina V. Simonova

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph D., Associate Professor, Department of Special-purpose Devices, Innovatics and Metrology, phone: (383)361-07-31, e-mail: kaf.suit@ssga.ru

The article describes the importance and peculiarities of evaluating the metrological characteristics of interference filters based on thin films. A significant dependence of the spectral characteristics on temperature is shown. The corresponding experimental data are presented.

Key words: metrological characteristics, interference, temperature distortions, spectral characteristics, thin films.

Тонкие пленки широко используются для решения различных задач в области оптико-электронного приборостроения. Например, это могут быть плёнки, исполняющие роль просветляющих покрытий. Объективы современных оптических приборов, имеют просветляющие покрытия. Без таких дополнительных плёночных покрытий потери на отражение света могут быть значительными; даже при нормальном падении лучей на границе воздух - оптическая среда и составляют до 10% от интенсивности падающего излучения.

Целью данной научно-исследовательской работы является изучение основ формирования фильтров различного назначения на основе тонких пленок и оценка влияния температуры на их спектральные характеристики.

Тонкие плёнки на поверхности металлов, полупроводников или диэлектриков, могут иметь различную природу и состав, а также использоваться для решения как технических задач, так и быть сопутствующим фактором в производственных процессах. В любом случае изменение их свойств влияет как на эксплуатационные характеристики изделия, так и на результат контрольных операций. Толщина таких плёнок может варьироваться от нескольких диаметров молекул до нескольких десятков миллиметров. Использование явления интерференции для выделения узких спектральных интервалов световых потоков позволяют получить ширину полосы пропускания или подавления до 0,1 - 0,15 нм из диапазона 500 нм [1]. Для таких узких спектральных интервалов, даже при малых толщинах плёнок и небольших изменениях температурных режимов, следует допустить возможность смещения спектрального максимума пропускания соизмеримого с шириной самого интервала. В данной работе рассмотрен один из вариантов такого влияния, когда изменение оптических свойств плёнок существенно искажает технические характеристики фильтров, что приводит к отклонению реальных характеристик от плановых параметров изделия. Влияние температуры на показатель преломления определяется двумя факторами: изменением числа частиц вещества в единице объема и зависимостью поляризуемости от температуры.

Величина показателя преломления для твердых тел также зависит от температуры измерения, информация об этих изменениях противоречива в разных источниках, однако, в большинстве случаев при понижении температуры вещество становится оптически более плотным, т.е. показатель преломления увеличивается. Однако, для некоторых оптических сред может наблюдаться и обратная зависимость. В табл. 1 приведены значения оптико-физических параметров для некоторых веществ, используемых для получения интерференционных фильтров [2].

Таблица 1

Оптико-физические свойства материалов

Дать заголовок LiF CaF2 BaF2 Л^э Алмаз ^2 Стекло К-8

п 1.39 1.43 1.47 1.77 2.41 1.46 1.52

dn/dT 10 "5 К -1 -1.6 -1.5 -1.6 1.29 0.96 0.93 0.29

а, 10 -6 К -1 33 1.88 18.4 6.7 0.8 0.39 7.2

Поскольку результат интерференции в основном определяется оптической разностью хода, то изменение толщины слоя и показателя преломления должны влиять на результат интерференции [3]. Для оценки изменения результата интерференции, обусловленной этим явлением в данной работе были проведены

оценочные расчёты для двух видов оптических материалов при изменении температуры на 10 градусов. Полученные экспериментальные результаты приведены в табл. 2. Модельный расчёт проводился для длины волны 633 нм. Изменения оценивались относительно приведенных в таблице исходных данных.

Таблица 2

Изменение характеристик тонких плёнок, при изменении температуры

Материал Температура, С° Показатель (п) Изменение показателя (Дп) Толщина слоя, ё, нм Изменение толщины, Дё, нм

ЬШ 10 1,3900 1,6-10-4 227,698 7,5-10-2

Стекло К-8 10 1,5200 2,9-10-5 0.5-10-3 3,67-10-5

Приведенные в табл. 3 результаты показывают, что в данном случае, как для тонкой плёнки фторида лития, так и для стекла происходит существенное смещение максимума спектрального распределения, из чего следует необходимость учёта температурных искажений.

Таблица 3

Смещение максимума спектрального распределения

Материал Х0, нм Изменение положения максимума относительно Х0, нм X смещенная, нм

Ш 633 0,14 633,14

Стекло К-8 633 1,67 644,67

Поскольку для оптических материалов изменения температурного коэффициента показателя преломления могут иметь разные знаки, то это указывает на возможность частичной или полной компенсации изменения линейного расширения изменением показателя преломления. Эта возможность может быть реализована выбором материала и температурного диапазона.

На основании полученных результатов следует вывод, что оптическая длина пути зависит от температуры, и смещение максимума спектрального пропускания соизмеримо с шириной полосы пропускания интерференционных фильтров. Следовательно, влияние температурных искажений существенно при использовании узких спектральных интервалов. Предложено, для снижения подобных искажений использовать материалы, температурные изменения линейных характеристик которых компенсируют изменения показателя преломления пленки. В любом случае для обеспечения достоверной информации о спектральных характеристиках оптических элементов следует учитывать возмож-

ные температурные искажения спектральной полосы пропускания или стабилизировать температуру при оценке характеристик интерференционных покрытий

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Технология тонких пленок. Справочник / Под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга. - Т. 1. -М. : Сов. радио, 1977. - 662 с.

2. Магунов А. Н. Лазерная термометрия твердых тел. - М. : Физматлит, 2001. - 224 с.

3. Котликов Е. Н., Андреев В. М., Новикова Ю. А. Определение оптических констант пленок на подложках из кремния // Научная сессия ГУАП : Сб. докл. - СПб. : ГУАП, 2013. -С.167-170.

© И. Н. Шарыпова, Г. В. Симонова, 2018