CC BY
103
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗЕРКАЛ С ВЫСОКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ОТРАЖЕНИЯ АДАПТИВНОЙ
ОПТИКИ А.А. Немкова, Н.Н. Карасев
В статье рассмотрена возможность создания адаптивного интерференционного зеркала, сформированного на алюминиевой фольге. Приведены спектральные характеристики и физико-механические свойства диэлектрической интерференционной системы на деформируемой непрозрачной подложке.
Введение
Адаптивные оптические системы находят широкое применение в тех областях науки и техники, где качество изображения или светового пучка играет важную роль. Их используют для коррекции волнового фронта за счет изменения кривизны отражающей поверхности: в астрономических приборах - для компенсации турбулентности атмосферной трассы, в лазерной технике - для управления размерами фокального пятна и расходимостью лазерного пучка.
Исполнительным устройством адаптивной оптической системы является адаптивное зеркало. Существует три основных типа адаптивных зеркал: секционированные, биморфные и мембранные. Подложкой для отражающих покрытий таких зеркал служат различные материалы, каждый из которых обладает своими достоинствами и недостатками.
В данной работе для изготовления адаптивного интерференционного зеркала была выбрана подложка из алюминиевой фольги. Этот материал представляет интерес благодаря простоте обработки поверхности и способности многократно упруго деформироваться.
Цель работы заключалась в исследовании свойств полученных образцов и определении параметров технологического процесса, влияющих на них.
При создании адаптивного зеркала с хорошими эксплуатационными свойствами необходимо учитывать внутренние напряжения, возникающие в процессе изготовления покрытия. В статье приведен метод расчета величины и вида внутренних напряжений в диэлектрических слоях интерференционных покрытий.
1. Основные факторы, влияющие на решение поставленной задачи
1.1. Адаптивные зеркала
Секционированные зеркала - принципиально наиболее простой тип адаптивных зеркал. Они явились первым шагом к созданию адаптивных зеркал. В секционированных зеркалах каждая отдельная секция допускает ее перемещение и наклон.
Деформируемые биморфные зеркала являются практически идеальным средством для малой адаптивной оптики [1]. Подобные системы отличаются следующими характерными особенностями:
а) эффективной коррекцией наиболее вредных фазовых искажений, вносящих максимальный вклад в снижение качества оптической системы;
б) сравнительно малым числом каналов управления волновым фронтом.
Биморфное зеркало состоит из двух пьезоэлектрических пластин, которые скреплены между собой и поляризованы в противоположных направлениях (параллельных осям). Массив электродов, имеющий радиально-кольцевую геометрию, расположен между двумя пластинами. Когда к электроду прикладывается напряжение, одна пластина сжимается, а противоположная растягивается, что приводит к местному искрив-
лению. Отражающее покрытие наносится либо непосредственно на пьезокерамическую пластину, либо на наклеенную поверх нее пластину из стекла, кварца, меди, молибдена.
К недостаткам существующих биморфных зеркал относятся ограниченный размер управляемой зеркальной поверхности и низкая чувствительность. При этом очевидно, что, с точки зрения применения данных зеркал, актуален вопрос их оптического качества, которое, по крайней мере, должно быть близко к стандартным требованиям лазерной и астрономической оптики.
Мембранное зеркало является оптимальным устройством для осуществления фазовых коррекций искаженного аберрациями волнового фронта. К достоинствам этих зеркал относятся малая масса и малые затраты на изготовление. Принцип действия мембранных адаптивных зеркал основан на электростатическом взаимодействии натянутой отражающей пленки с электродами, расположенными на некотором расстоянии от поверхности.
Существует несколько способов изготовления мембранных зеркал. В первом случае зеркальное покрытие формируется на подложке (мембране) в вакууме [2]. Мембраны могут быть изготовлены из титана, титановых сплавов, никеля, бериллия и молибдена. Адаптивные зеркала, получаемые микрообработкой на кремнии, сочетают низкую стоимость и простоту контроля с возможностью массового производства [3]. В этом случае мембрана, образованная нитридом кремния толщиной 0,3-0,8 мкм, покрывается отражающим слоем алюминия.
1.2. Механические свойства фольги при циклическом нагружении
В работе диэлектрическое зеркало формировалось на подложке из алюминиевой фольги марки А5. В табл. 1 приведены значения предела усталости (0.1) и предела прочности (оВ) для образцов фольги толщиной ~0.02 мм из алюминия марок А99 и А5 [4]. Образцы имели рабочую длину 15 мм и ширину 5 мм. Испытания проводились на электромагнитной установке, в которой консольно закрепленные плоские образцы подвергались симметричному изгибу в резонансном режиме с частотой колебаний 50 Гц.
Материал оВ, кгс/мм2 о-1, кгс/мм2
А99 12.6 2.0
А5 16.2 6.0
Таблица 1. Пределы прочности и усталости фольги
На пневматической установке проводились испытания образца-мембраны на долговечность. В основе работы пневматической установки лежит бистабильность подвижной выщелкивающей мембраны, имеющей два положения устойчивого равновесия, и способность ее скачкообразно переходить из одного положения в другое под действием критического перепада давления.
Долговечность оценивалась по числу циклов до разрушения. Толщина мембраны фольги составляла 20 мкм, диаметр мембраны - 2.5 мм. Частота нагружения равнялась 100 Гц.
Средние значения долговечности фольги из алюминия марки А99 составляют 2.35-106 циклов, для фольги из алюминия марки А5 - 6-106 циклов.
Приведенные данные свидетельствуют о возможности использования фольги марки А5 в качестве подложки адаптивных зеркал.
2. Результаты исследований
Изготовленное зеркало имеет конструкцию (ВН)13В, где В - слой 2гО2, Н - слой М§Б2, оптическая толщина слоев составляет Х0/4, Хо = 632,8 нм. Структура покрытия из
двадцати семи слоев и большая разница показателей преломления пленкообразующих материалов обеспечивают высокий коэффициент отражения зеркала.
Диэлектрическое зеркало на подложке из фольги было получено электроннолучевым испарением пленкообразующих материалов в вакууме.
Контроль толщины слоев формируемой интерференционной системы на поглощающей подложке может быть осуществлен с использованием спектрофотометриче-ского метода. С помощью спектрофотометра производится контроль толщины слоев как по отражению, так и по пропусканию. Контроль по отражению затруднен из-за деформации подложки в процессе формирования покрытия. В данном случае применялся контроль по пропусканию с использованием сменных свидетелей. При этом скорости конденсации на поверхности подложки зеркала и свидетеля должны быть одинаковыми или максимально близкими по величине, иначе свидетель и подложка должны располагаться на разных расстояниях от испарителя.
2.1 Структура поверхности образцов
Было получено два типа образцов. На рис. 1 представлен образец с покрытием, сформированным на ненагретой подложке, а на рис. 2 - образец с покрытием, сформированным при температуре подложки ~200 °С. Поверхность алюминиевой фольги имеет характерный рельеф, величина которого была измерена с помощью микроинтерферометра МИИ-4 для образцов с покрытиями. Высота структур составляет 0,108 - 0,236 мкм и 0,104 - 0,291 мкм для первого и второго образца, соответственно.
У образцов первого типа покрытие состоит из множества областей различного размера и формы. Минимальная имеет размер 0,67 мкм х 0,31мкм, максимальная -3,44 мкм х 0,83 мкм. У образцов второго типа покрытие сплошное.
Рис. 1. Поверхность образца первого типа
Рис. 2. Поверхность образца второго типа
2.2 Спектральные характеристики образцов
На рис. 3 представлены спектральные характеристики двух образцов первого типа, измеренные на рефлексометре на базе МДР-23 относительно чистой фольги, и расчетная кривая.
Смещение спектральных характеристик двух образцов объясняется разницей в расстоянии от испарителя в процессе формирования покрытия и, следовательно, различной толщиной слоев.
Состояние поверхности измеряемого образца влияет на вид его спектральной характеристики. Небольшое изменение формы поверхности образца приводит к значительному изменению измеряемой величины (коэффициента отражения). Поэтому в процессе измерения важно, чтобы образец и чистая фольга имели одинаковую форму и близкое качество поверхностей.
Расчетная кривая не учитывает особенностей рельефа поверхности алюминиевой фольги и возникающего вследствие этого рассеяния. По этой причине существует разница между расчетными и экспериментальными данными.
и £
о
К о
100 90 80 70 60 50 40 30 20
..........................
,111.................
Г\Г\ \
J м \1 \
образец 1а образец 1б расчет
500 525 550 575 600 625 650 675 700 длина волны, нм
Рис. 3. Спектральные характеристики двух образцов первого типа
и расчетная кривая
2.3. Физико-механические свойства сформированного диэлектрического зеркала
В [5] предложен способ определения величины суммарных напряжений < стЕ > в многослойных покрытиях на основе расчета при известных напряжениях составляющих слоев. Зависимость напряжений от толщины пленок аппроксимирована с помощью многочлена вида
< ) >= а0 + а1 • ? + а2 • ?2.
Коэффициенты ак были определены экспериментально для некоторых пленкообразующих материалов.
В случае многослойных двухкомпонентных периодических покрытий, состоящих из п пар чередующихся слоев на основе двух типов материалов, значение <о^> определяется по формуле
п • (< О"! (^ ) > ^ + < О (Г2 ) > *2 )+ < О (¿1 ) >
< >=
п • (ь +12) + I,
Актуальной при разработке всех типов покрытий является проблема получения в них нулевых или минимальных внутренних напряжений, так как это, наряду с другими факторами, способствует улучшению эксплуатационных параметров, в частности лучевой прочности. Анализ результатов испытаний, проведенных с целью определения лучевой прочности и теплостойкости покрытий на недеформируемой подложке, позволяет сделать вывод, что при прочих одинаковых условиях покрытия с суммарными напряжениями сжатия имеют более высокие эксплуатационные параметры [5].
Для образцов были определены механическая прочность и стойкость к термоудару, характеризующие внутренние напряжения в сформированных покрытиях.
Контроль механической прочности покрытия осуществлялся путем многократного изгиба образцов. При последующей оценке поверхности образца с помощью микроскопа МИИ-4 не было обнаружено нарушения целостности покрытия.
Для контроля на термоудар образец сначала помещался в воду, нагретую до температуры 100 °С, а затем в морозильную камеру, где выдерживался несколько минут (перепад температуры за промежуток времени менее 10 минут составлял ~100 °С). Здесь, кроме перепада температуры, на образец воздействовала вода. Структура покрытия испытуемого образца не претерпела изменений, следовательно, пористость слоев системы незначительна.
Заключение
Диэлектрическое зеркало было создано на алюминиевой фольге, возможной областью применения данного элемента является адаптивная оптика. Покрытие, сформированное на подложке без прогрева, состоит из отдельных участков, тогда как покрытие, полученное на прогретой подложке, имеет сплошную структуру.
Спектральные характеристики образцов отличаются от расчетной кривой, поскольку при расчете не учитывалось рассеяние от поверхности алюминиевой фольги.
Проведенные качественные эксперименты с целью определения физико-механических свойств образцов показали, что покрытие устойчиво к механической деформации и воздействию термоудара.
Работа выполнена в рамках проекта 250013 «Оптические покрытия, формирующие фазовые и спектральные характеристики излучения»
Литература
1. Сафронов А.Г. Управляемая биморфная оптика и принципы ее развития. // Оптический журнал. 1996. Т.65. №1. С.6-17.
2. Адаптивная оптика: Пер. с англ./ Под ред. Э.А. Витриченко. М.: Мир, 1980. 456 с.
3. G.V. Vdovin and P.M. Sarro. Technology and applications of micromachined silicon adaptive mirrors // Opt. Eng. 1997. Vol. 36. №5. P.1382-1390.
4. Дриц М.Е., Каданер Э.С., Торопова Л.С. Структура и свойства легированной алюминиевой фольги. М.: Металлургия, 1975. 147 с.
5. Гайнутдинов И.С., Несмелов Е.А., Хайбуллин И.Б. Интерференционные покрытия для оптического приборостроения. Казань: Фэн, 2002. 592 с.
