CC BY
25
УДК 29.31.26
DOI: 10.33764/2618-981X-2021-8-214-219
РАЗРАБОТКА ШИРОКОПОЛОСНОГО ПРОСВЕТЛЯЮЩЕГО ПОКРЫТИЯ В ОБЛАСТИ 8-12 МКМ
Никита Андреевич Гурин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант гр. АсОЭП-3, АО «Новосибирский приборостроительный завод», 630049, Россия, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук 179/2, заместитель главного оптика, Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Коптюга, 1, и.о. инженера-исследователя, тел.8(923) 129-87-48, e-mail: gna200694@yandex.ru
Представлена разработка удовлетворяющего современным эксплуатационным требованиям просветляющего шестислойного покрытия для диапазона 8-12 мкм на основе анализа имеющихся в ОСТ 3-1901-95 просветляющих покрытий.
Ключевые слова: просветляющее покрытие, (ИК) область спектра, широкополосное просветляющее покрытие
DEVELOPMENT OF A BROADBAND BRIGHTENING COATING IN THE AREA OF 8-12 MICRONS
Nikita A. Gurin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, PhD Student; JSC "Novosibirsk Instrument-Making Plant", 179/2, Dusi Kovalchuk St., Novosibirsk, 630049, Russia, Deputy Chief Optician, Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Akademik Koptyug Prospect, Novosibirsk, 630090, Russia, Acting Research Engineer, phone: 8(923) 129-87-48, e-mail: gna200694@yandex.ru
The design of six-layer antireflection coating that meets modern operational requirements for the 8-12 p,m range based on the analysis of antireflection coatings available in OST 3-1901-95 is presented.
Keywords: antireflection coating, (IR) spectral region, broadband antireflection coating
Одной из важнейших задач, решаемых разработчиками оптических приборов и устройств для инфракрасной (ИК) области спектра - это расширение их рабочих спектральных диапазонов [1-2]. Решение данной задачи связано с рядом современных технических требований, обусловленных свойствами материалов, из которых изготавливаются оптические детали этих приборов, устройств и комплексов. Известно, что в диапазоне спектра от 8 мкм до 12 мкм оптические детали изготавливаются из прозрачных в данной области материалов, таких как германий (КГО, Ge), бескислородные стекла (например, ИКС-25), селенид цинка (7^е), имеющих достаточно высокий показатель преломления. При использовании большого количества таких элементов в оптической системе общее пропускание системы падает из-за потерь излучения при отражениях от поверхностей оптических деталей. Например, коэффициент отражения от поверхности германия (КГО) с показателем преломления n = 4 в ИК области составляет R=37
%, у бескислородного стекла (ИКС-25, п = 2,7) в ИК области Я=35 %, у селенида цинка (п=2,4) в ИК области Я=29 %. Поэтому для повышения светопропускания в ИК области оптических деталей необходимо наносить на детали просветляющие покрытия.
В отечественной оптической отрасли, в основном, применяют просветляющие покрытия в соответствии с ОСТ 3-1901-95 «Покрытия оптических деталей. Типы, основные параметры и методы контроля» [3]. Отметим, что некоторые нормативы ОСТ 3-1901-95 устарели и не обеспечивают соответствие современным техническим характеристикам, указанным в технических заданиях к приборам и устройствам. Так, большинство покрытий, заложенных в ОСТ 3-1901-95, имеют плохую устойчивость к климатическим воздействиям, малую механическую прочность, недостаточный коэффициент пропускания. В связи с этим, целью представленной работы является разработка удовлетворяющего современным эксплуатационным требованиям просветляющего покрытия для ИК диапазона 8-12 мкм на основе анализа имеющихся в ОСТе 3-1901-95 просветляющих покрытий.
Известно, что самый распространенный и простой метод просветления оптических деталей в данной области спектра - это нанесение однослойного просветляющего покрытия, оптическая толщина которого равна четверти основной длины волны рабочего спектра, а значение показателя преломления подбирается из условия минимального отражения света от покрытой поверхности [4-9]. Как правило, такие покрытия позволяют достичь хорошего просветления только на одной длине волны X рабочего спектрального диапазона, значение коэффициента отражения Я при этом равно
* = (1)
(п + п2)2
где П1 - показатель преломления материала, на которое наносится просветляющее покрытие, п - показатель преломления пленкообразующего материала, Я -коэффициент остаточного отражения.
Если П12 = п, то Я = 0, и потери пропускания не происходит (коэффициент пропускания эталонной среды Т=100%), как показано на графике 1 рис. 1. Если П12 ф п, то с увеличением числа поверхностей, на которые наносится просветляющее покрытие, снижается пропускание системы (график 2 на рис. 1).
В качестве покрытия, устойчивого к агрессивным средам и обеспечивающего требуемый коэффициент пропускания, было выбрано шестислойное покрытие на основе оксида иттрия ^20з) с показателем преломления п = 1,85, сульфида цинка (ZnS) с показателем преломления п = 2,38, теллурида германия ^еТе) с показателем преломления п = 6,1 и бария фториттриата (BaY2F8) с показателем преломления п = 1,52. Реализация данного просветляющего покрытия осуществлялась путем нанесения шести слоев этих пленкообразующих материалов, причем во всех слоях с первого по шестой проводился как оптический кон-
троль по оптической толщине, так и кварцевый, измеряя их физическую толщину. Контроль оптических спектров пропускания и отражения в реальном масштабе времени осуществлялся спектрофотометром, встроенным в систему вакуумного технологического оборудования и управляемым портативным компьютером. В компьютер была установлена программа расчета конструкции просветляющего покрытия OptiLayer с визуальным изображением на экране монитора расчетных спектральных характеристик слоев покрытия, (все вычислительные и оптимизационные процессы основаны на классических аналитических формулах по расчету покрытий) для сопоставления измеренной зависимости показателя преломления от длины волны с заданной зависимостью и выдачи сигналов для автоматической корректировки режимов напыления: силы тока в нагревателях катода электронно-лучевых испарителей, скорости перемещения оптического элемента в зоне напыления, величины остаточного давления вакуума для уменьшения несовпадений измеренной и заданной зависимости показателя преломления от длины волны.
Т, %
-1-1-1-1-1-1.
8 10 12 мкм
Рис. 1. Спектральная характеристика пропускания плоскопараллельной пластинки из германия (КГО) с однослойным просветляющим покрытием на основе сульфида цинка (ZnS). 1 - просветление с двух сторон одной плоскопараллельной пластинки. 2 - просветление трех плоскопараллельных
пластинок с двух сторон
Чтобы достичь представленного на рис. 2 спектра отражения, требуется тщательное выполнение всей совокупности операций, использование рекомендованных средств и веществ, а именно: чистка полированной поверхности подложки органическими растворителями перед установкой в камеру вакуумного технологического оборудования (спирт или спиртоэфирная смесь), очистка тлеющим разрядом и параллельная термообработка (нагрев тэнами или ИК лампами) подложки до температуры 250-300°С, повышающие соединение тонкопленочного напыляемого материала с оптической деталью, то есть адгезионные
свойства наносимого тонкопленочного материала с материалом подложки и, следовательно, повышающие механическую прочность покрытия.
Операция прокалки и дегазации пленкообразующих материалов для нанесения пленки повысила качество испаряемого материала за счет избавления от примесей поверхностного слоя материала и, следовательно, снизила погрешность значений показателей преломления напыляемых материалов, от которой и зависит получение заданной спектральной характеристики [10]. Нанесение определенной последовательности пленкообразующих веществ слоями разной оптической толщины (неравнотолщинностью) позволило привести к минимуму остаточный коэффициент отражения от преломляющих поверхностей оптических компонентов, тем самым, снизить нижний предел значения коэффициента остаточного отражения от поверхности материала. На снижение остаточного коэффициента отражения в значительной степени воздействует число слоев пленкообразующих материалов, их толщина, а также последовательность нанесения материалов со средним и высоким показателем преломления и применение в качестве завершающего слоя материала с относительно невысоким показателем преломления. В случае обнаружения примесей в пленкообразующих материалах полученная взаимосвязь показателя преломления от длины волны X будет иметь отклонения от расчетной зависимости [11].
II, %
5 4 3 2 1 О
\
\ \
\
7000 8000 9000 10000 11000 12000
X, нм
Рис. 2. Расчетная спектральная характеристика для КГО
Определение фактического значения показателя преломления и полученной зависимости этого показателя преломления от длины волны X на каждом напыляемом слое в процессе нанесения покрытия контролировалось при помощи ИК-Фурье спектрофотометра. Это позволило осуществлять корректировку напыления в реальном времени во время процесса испарения пленкообразующего веще-
ства в камере вакуумного технологического оборудования, тем самым обеспечило контроль всего процесса напыления для снижения количества несовпадений фактических значений параметров с расчетными.
Контроль после напыления коэффициента отражения подложки проводился по образцу - свидетелю из германия КГО, который представлял собой плоскопараллельную пластинку (рис. 3), что позволило дополнительно проконтролировать полученные результаты (проверка пропускания и контроль на наличие поглощения в слоях) и отбраковать подложки с несоответствующими характеристиками.
Рис. 3. Средний коэффициент отражения разработанного широкополосного просветляющего покрытия на плоскопараллельной пластинке из КГО
Физическая толщина шестислойного просветляющего покрытия для области 8-12 мкм, предназначенного для нанесения на оптические детали, изготовленные из германия КГО, не превышала 3 мкм. Данное покрытие было проверено по всем пунктам правил метода контроля по ОСТ 3-1901-95 с п. 7.1 по 7.8.4. У разработанного покрытия подтверждена 0 группа механической прочности и 1 группа по химической прочности и влагопрочности. Очищение подложки и материалов для напыления, послойный контроль напыления и контроль по образцу-свидетелю гарантировали стабильное получение просветленных компонентов оптической системы с хорошими адгезионными свойствами и низким коэффициентом отражения, исключили появление деталей с несоответствующими оптико-физическими характеристиками в производстве оптических изделий из германия КГО.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Современное состояние исследований и технические применения // Физика тонких пленок / под ред. Г. Хасса., Р. Э. Тун. - М.: Мир, 1972. - Т. 2. - 396 с.
2. Современное состояние исследований и технические применения // Физика тонких пленок / под ред. А. Г. Ждан, В. Б. Сандомирский. - М., 1978. - Т. 8. - 360 с.
3. ОСТ 3 - 1901 - 95. Покрытия оптических деталей. Типы, общие технические требования и методы контроля. // ВНЦ "ГОИ им. С. И. Вавилова". - 1995.
4. Крылова Т. А. Интерференционные покрытия. - Л. : Машиностроение, 1973. - 224 с.
5. Берндт К.Г. Методы контроля и измерения толщины пленок и способы получения пленок, однородных по толщине // Физика тонких пленок / Под редакцией Г. Хасса. Том 3. М.: Мир, 1968. С.7.
6. Bezuidenhout D. The optical properties of YF3 films / Thin Solid Films. - 1987. 155. - C. 17-30.
7. Гайнутдинов И. С., Несмелов Е. А., Хайбуллин И. Б. Интерференционные покрытия для оптического приборостроения. - Казань: изд. «ФЭН», 2002. - 592 с.
8. Кард П. Г. Анализ и синтез многослойных интерференционных пленок. - Таллин, Валгус, 1971.
9. Гайнутдинов И. С., Шувалов Н. Ю., Сабиров Р.С., Иванов В.А., Гареев В.А., Мир-ханов Н.Г. Просветляющие покрытия на подложках из германия и кремния в окнах прозрачности ИК области спектра 3-5 мкм и 8-12 мкм / Оптический журнал. - 2009. - Т. 76. - С. 6872.
10. Гурин Н.А., Корольков В.П., Батомункуев Ю.Ц., Спесивцев Е.В. Методика записи масок по многослойным покрытиям (часть 1) // Сборник материалов Национальной конференции «СИБ0ПТИКА-2019». - 2019. - Т. 8.- С. 47-51.
11. Гурин Н.А., Корольков В.П., Батомункуев Ю.Ц., Спесивцев Е.В. Методика записи масок по многослойным покрытиям (часть 2) // Сборник материалов Национальной конференции «СИБ0ПТИКА-2020». - 2020. - Т. 8.- С. 134-137.
© Н. А. Гурин, 2021
