close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Kotlikov

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
ОПТИКА ЛАЗЕРОВ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2015
УДК 621.373.8(075)
ББК 32.86-5я73
О-62
Рецензенты:
кафедра оптических технологий Санкт-Петербургского
государственного университета точной механики и оптики;
доктор физико-математических наук, профессор Санкт-Петербургского
государственного университета И. Ч. Машек
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Авторы: Е. Н. Котликов, В. М. Андреев, Н. П. Лавровская,
Ю. А. Новикова, А. Н. Тропин
О-62 Оптика лазеров: учеб. пособие / Е. Н. Котликов, В. М. Андреев, Н. П. Лавровская и др.; под ред. Е. Н. Котликова. – СПб.:
ГУАП, 2015. – 143 с.
ISBN 978-5-8088-1059-4
В учебном пособии приводятся сведения об оптических материалах, используемых в лазерных системах. Рассматриваются материалы проходной оптики лазеров, отражательной оптики и активных
элементов лазеров. Отражены технологические аспекты изготовления оптических деталей, покрытий, методы синтеза интерференционных покрытий. Пособие содержит также необходимые теоретические сведения, описание лабораторных работ и контрольные
вопросы.
Издание предназначено для студентов и магистров, изучающих
дисциплины «Прикладная оптика», «Оптика лазеров».
УДК 621.373.8(075)
ББК 32.86-5я73
ISBN 978-5-8088-1059-4  © Котликов Е. Н., Андреев В. М.,
Лавровская Н. П. и др., 2015
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2015
ПРЕДИСЛОВИЕ
Развитие оптического приборостроения связано с широким применением лазеров и лазерных систем. Лазеры – генераторы и усилители когерентного излучения, действие которых основано на индуцированном излучении квантовых систем – атомов, ионов, молекул, находящихся в состояниях, отличающихся от термодинамического равновесия. Принципиальным отличием лазеров от всех
других источников света (тепловых, газоразрядных и др.) является
высокая степень когерентности лазерного излучения.
Лазерное излучение отличается высокой монохроматичностью:
отношение разброса длин волн, представленных в лазерном луче,
к средней длине волны составляет всего 10–6–10–8. Такое излучение характеризуется также исключительной направленностью:
угол расходимости луча во многих случаях не превышает долей
угловой минуты. Помимо этих уникальных свойств лазерное излучение является поляризованным: обладает круговой или линейной
поляризацией.
Появление лазеров в 1954 г. сразу оказало и продолжает оказывать
влияние на разные области науки и техники, в которых стало возможным их применение для решения очень широкого круга научных
и технических задач. В настоящее время лазеры широко используются в промышленности для термообработки, получения поверхностных покрытий, легирования металлов, сварки. Лазерная маркировка
и гравировка применяются практически во всех отраслях промышленного производства для идентификационного и защитного кодирования промышленных образцов, нанесения надписей на приборные
панели, измерительный инструмент, клавиатурные поля и т. д.
Широкое применение нашли лазеры и в медицине. Благодаря
использованию лазеров в хирургии, офтальмологии, онкологии появились новые медицинские методики. Даже в быту лазеры имеют
широкое применение. На упаковках с продуктами и лекарствами
добросовестные производители именно лазером наносят надписи
о дате производства и сроке годности. Без лазерной указки и лазерных шоу, лазерных принтеров и лазерных проигрывателей трудно
представить современную жизнь.
Помимо собственно генерирующей среды в лазерных установках всегда присутствуют оптические элементы: зеркала, окна, призмы, линзы. Требования к генерирующим средам и оптическим системам в подобных установках обусловлены диапазоном излучения
лазеров и мощностью излучения.
3
В предлагаемом учебном пособии рассмотрены основы оптики
лазеров, включающей в себя описание оптических материалов, активных сред, интерференционных покрытий оптических и лазерных систем, критерии стабильности, устойчивости и лучевой прочности лазерной оптики. Подробно описаны свойства и требования
к материалам для оптических элементов лазеров.
Настоящее пособие рассчитано на учебные курсы для специалистов и магистров по дисциплинам «Прикладная оптика», «Оптика
лазеров», «Проектирование интерференционных покрытий», «Технология изготовления интерференционных покрытий» и «Оптические измерения тонких пленок и покрытий». В связи с тем, что ряд
вопросов этих курсов частично дублируется, авторам показалось
целесообразным не разделять их.
В разделе 1 приводятся оптические материалы, используемые
в оптических лазерных системах. Они включают в себя материалы проходной оптики лазеров, материалы отражательной оптики
и материалы для активных элементов лазеров.
В разделе 2 рассмотрены технологические аспекты изготовления оптических деталей и покрытий. В настоящее время почти
98 % оптических деталей имеют тонкопленочные покрытия разного назначения. В связи с этим особое внимание уделено методам изготовления оптических покрытий. Требования к оптическим параметрам покрытий определяются характером их применения. Для
покрытий силовой оптики наиболее существенным становится требование минимизации оптических потерь и лучевой стойкости.
Раздел 3 содержит методы синтеза интерференционных покрытий. В нем представлены наиболее широко распространенные методы синтеза просветляющих, спектро- и светоделительных покрытий и интерференционных фильтров.
В разделе 4 описаны лабораторные работы по курсу.
В Приложениях описаны основные типы спектрофотометров,
используемых в лабораторных работах, и правила выполнения чертежей оптических деталей.
4
1. ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
1.1. Материалы проходной оптики
Элементами проходной оптики лазеров являются полупрозрачные зеркала резонаторов, свето- и спектроделители, фазовые компенсаторы, призмы, выходные окна, линзы и объективы, служащие для формирования лазерных пучков лучей и их фокусировки
на объекте или приемнике оптического излучения.
В лазерной технике оптические детали изготавливаются из природных или синтетических материалов, таких, как монокристаллы, различные стекла, поликристаллические, керамические и другие материалы, а также полимеры. Выбор материалов для элементов проходной оптики лазеров конкретного типа определяется,
в первую очередь, высокой прозрачностью в том спектральном диапазоне, в котором работает лазер.
На сегодняшний день известно большое число различных лазерных переходов, генерирующих излучение в диапазоне длин волн
от 100 нм до 1 мм и более и перекрывающих таким образом спектральные области мягкого рентгеновского, ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения [1–9].
На основе современной техники преобразования частоты, например, ее удвоения и утроения, и с помощью перестраиваемых лазеров сегодня можно генерировать практически любую длину волны в диапазоне от 0,01 мкм до 1 мм. В табл. 1.1 приведены значения
длин волн некоторых лазеров, выпускаемых мировой промышленностью.
К свойствам оптических материалов, из которых изготавливают
проходные элементы лазеров, предъявляют определенные требования. К таким требованиям относятся:
– минимальные оптические потери на длине волны генерации
лазера;
– оптическая однородность и временнáя стабильность оптических параметров элементов;
– высокая механическая твердость, позволяющая обеспечивать
формообразование оптических элементов шлифовкой и полировкой;
– высокая лучевая прочность, т. е. способность оптического элемента сопротивляться необратимому изменению оптических параметров и сохранять целостность при воздействии мощного оптического излучения, позволяющая обеспечить длительный ресурс работы элементов;
5
Таблица 1.1
Классификация лазеров по длине волны
λген., мкм
Название лазера
и материал активной
среды
0,152
На эксимере F2
Импульсный, несколько Вт
0,192
На эксимере ArF
Импульсный, несколько Вт
0,222
На эксимере KrCl
Импульсный, несколько Вт
0,248
На эксимере KrF
Импульсный, несколько десятков Вт
0,266
На стекле с Nd,
Импульсный, несколько десятых Вт
учетверение частоты
0,308
На эксимере XeCl
Импульсный, несколько десятков Вт
0,325
He–Cd
Непрерывный, несколько мВт
0,337
N2
Импульсный, несколько десятых Вт
0,350
Ar+,
0,351
На эксимере XeF
Импульсный, несколько десятков Вт
0,355
На стекле с Nd,
утроение частоты
Импульсный, несколько десятков Вт
Диодный GaInN
Непрерывный, 10 мВт
0,3–1,0
На красителе
Импульсный, несколько десятков Вт
0,4–0,9
На красителе
Непрерывный, несколько Вт
He–Cd
Непрерывный, несколько десятков мВт
0,45–0,52
Ar+
Непрерывный, от 1 мВт до 30 Вт
0,51
Cu
Импульсный, несколько десятков Вт
0,532
На стекле с Nd,
удвоение частоты
Импульсный, непрерывный,
до 100 Вт
0,543
He–Ne, зеленый
Непрерывный, несколько десятых мВт
0,38–0,45
0,442
Kr+
0,578/0,628 Cu/Au
0,632
0,63–0,67
6
Режим генерации,
средняя мощность
Непрерывный, 2 Вт
Импульсный, несколько десятков Вт
He–Ne, красный
Непрерывный, до 100 мВт
Диодный InGaAsP
Непрерывный, 10 мВт
0,647
Kr+
Непрерывный, несколько Вт
0,694
Рубиновый
Импульсный, несколько Вт
0,70–0,80
На александрите
Импульсный, несколько Вт
0,70–1,0
Ti-сапфировый
Импульсный, непрерывный,
несколько Вт
0,75–0,90
Диодный GaAlAs
Импульсный, непрерывный, до 1 Вт
Окончание табл. 1.1
λген., мкм
Название лазера
и материал активной
среды
Режим генерации,
средняя мощность
1,03
Yb-волоконный
Импульсный, непрерывный, свыше
10 кВт
1,06
На стекле
с неодимом
Импульсный, непрерывный, свыше
1 кВт
1,15
He–Ne,
инфракрасный
Непрерывный, мВт
Диодный InGaAsP
Импульсный, непрерывный, мВт
1,315
Йодный
Импульсный
1,32
На стекле
с неодимом
Импульсный, непрерывный,
несколько Вт
1,52
He–Ne
Непрерывный, мВт
1,54
На стекле с Er
Импульсный, несколько Вт
Xe–He
Непрерывный, мВт
1,10–1,60
2,0–4,0
2,06
Ho:YAG гольмиевый Импульсный
2,60–3,0
HF
Импульсный, непрерывный, до 100 Вт
2,70–30,0
Диодный на соли
свинца
Непрерывный, мВт
Квантовый
каскадный
Непрерывный, до нескольких Вт
2,94
Er:YAG-эрбиевый
Импульсный
3,39
He–Ne
Непрерывный, мВт
3,6–4,0
DF
Импульсный, непрерывный, до 100 Вт
5–6
CO
Непрерывный, 10 Вт
9–11
CO2
Импульсный, непрерывный,
до нескольких кВт
Дальнего
ИК-диапазона
Непрерывный, до 1 Вт
3–300
40–1000
– достаточная теплопроводность, обеспечивающая необходимый теплоотвод при нагревании оптических элементов, вследствие
поглощения лазерного излучения;
– температурная стабильность оптических параметров;
– возможность получения заготовок большого размера;
7
– химическая стойкость к веществу активной среды и внешним
загрязнениям.
Очевидно, что доступного оптического материала, полностью
удовлетворяющего всем этим требованиям в широком спектральном диапазоне, в природе не существует. Исключением является
алмаз, прозрачный во всех диапазонах спектра. Длины волн, при
которых применяемые вещества прозрачны, зависят от их внутренней энергетической структуры. Поглощение происходит, когда
под действием света может осуществляться переход из основного
энергетического состояния на вышележащий уровень.
Таблица 1.2
Свойства оптических материалов
Материал
Показатель
Область
Химическая
преломления прозрачности,
формула
n
мкм
Применение
Фторид
магния
MgF2
1,4
0,15–8,0
УФ-диапазон
Фторид
кальция
CaF2
1,5–1,3
0,15–9,0
УФ-, ИК-диапазон
Фторид
бария
BaF2
1.51–1,39
0,20–11,0
УФ-, ИК-диапазон
Кристаллический
кварц
SiO2
1,69–1,52
0,15–2,50
УФ-, видимый
диапазон
Кварцевое
стекло
SiO2
1,50–1,40
0,15–3,50
УФ-, видимый,
ИК-диапазоны
Боросиликатное стекло
К8
1,53–1,48
0,40–2,40
Видимый
диапазон
Сульфид
цинка
ZnS
2,50–2,10
0,50–13
ИК-диапазон
Теллурид
кадмия
CdTe
2,70–2,40
1–25
ИК-диапазон
Селенид
цинка
ZnSe
2,50–2,30
0,6–18
СО2-лазер
Арсенид
галлия
GaAs
3,30–2,40
1–16
СО2-лазер
Кремний
Si
3,50–3,40
1,1–200
ИК-диапазон
Германий
КРС-5
8
Ge
4,1–4,0
2–30
ИК-диапазон
TlBr–TlI
2,57–2,32
0,6–40
ИК-диапазон
Для изготовления элементов проходной оптики лазеров с различными рабочими длинами волн применяют разные материалы.
К ним относятся кварц и оптические стекла на основе двуокиси кремния SiO2, тугоплавкие монокристаллы кремния Si, германия Ge,
лейкосапфира Al2O3, арсенида галлия GaAs, халькогениды цинка
и кадмия ZnS, ZnSe, CdTe, монокристаллы на основе солей таллия
КРС-5 и КРС-6, а также галогениды щелочных и щелочноземельных металлов CaF2, MgF2, LiF, BaF2, KBr, NaCl, KCl и др. Некоторые свойства основных оптических материалов, используемых для изготовления проходной оптики лазеров, представлены
в табл. 1.2.
Кристаллический и плавленый кварц. Кварц бывает природного и синтетического происхождения. Природный кварц встречается, как правило, в кристаллическом состоянии. Синтетический
кварц получают как в виде кристаллов, так и в аморфном состоянии. Такой аморфный кварц называется плавленым кварцем, или
кварцевым стеклом.
Природный и синтетический кристаллический кварц имеет
различные цветовые оттенки. Примеси и микроскопические включения других минералов, преимущественно оксидов железа, придают ему самую разнообразную окраску. Кварц имеет множество
разновидностей, среди которых почти черный морион, фиолетовый аметист, желтый цитрин, бесцветный горный хрусталь и т. д.
Причины окраски некоторых разновидностей кварца имеют специфическую природу. Известны также мелкокристаллические
структуры на основе кварца. Это, как правило, ювелирно-поделочные камни красивых цветов и оттенков – агат, яшма, халцедон и др.
Кварц обладает высокой твердостью. Он стоек к химическому
воздействию: нерастворим в щелочах, соляной, серной и азотной
кислотах, растворим в плавиковой кислоте.
Кварц находит широкое применение в металлургии и производстве огнеупоров. Чистый кварц используется в оптической промышленности, при производстве фарфора и стекла. Цветные разновидности кварца используются в ювелирной промышленности.
Широкое применение кварца в оптических приборах связано
с такими его свойствами, как прозрачность в диапазоне от 0,18 до
3,5 мкм, твердость, теплостойкость, малый коэффициент линейного расширения. Кварц весьма технологичен при механической обработке. Благодаря высокой твердости (6–7 ед. по шкале Мооса)
из кристаллического и плавленого кварца сравнительно легко по9
T, %
1
3
80
3
2
60
1
40
20
0
0,15
2
0,20
0,25
0,30
1
2
3
4
5
λ, мкм
Рис. 1.1. Пропускание кварцевого стекла различных марок.
1 – КУ; 2 – КВ; 3 – КИ
лучать высококачественные поверхности методами механического
шлифования и полирования поверхности. В настоящее время используются также некоторые специальные методы полирования
деталей из кварца, например, ионная полировка. В зависимости
от области спектрального пропускания выделяют следующие марки кварцевого стекла: КУ, КВ и КИ. Спектры пропускания стекол
этих марок представлены на рис. 1.1.
Оптическое стекло отличается от обычного технического стекла особо высокой прозрачностью, чистотой, бесцветностью, однородностью, а также строго нормированными оптическими константами и их зависимостью от длины волны (дисперсией), в необходимых случаях – цветом. Выполнение всех этих требований
значительно усложняет и удорожает производство оптического
стекла.
В настоящее время оптическая промышленность изготавливает
свыше 200 марок оптических стекол разного назначения. Под стеклами обычно подразумевают аморфные структуры. Различают
бесцветные и цветные стекла. Из бесцветных стекол различных
марок изготавливают как лазерные, так и другие оптические эле10
менты ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов
спектра.
Основой бесцветных оптических стекол служит двуокись кремния SiO2. Ее содержание в разных марках стекол колеблется от
60 до 100 %. Наиболее широко используемой маркой оптического
бесцветного стекла является оптическое стекло К8 (зарубежный
аналог – стекло ВК7).
К основным параметрам оптического стекла относятся показатель преломления, средняя дисперсия и коэффициент дисперсии.
В отдельных случаях для характеристики оптических стекол используют частные и относительные частные дисперсии. До недавнего времени для характеристики таких стекол применялся показатель преломления nd, определяемый для желтой спектральной
D-линии натрия (λ = 589,3 нм). Однако это не одиночная линия,
а пара линий, так называемый «натриевый дублет», что не могло
не сказаться на точности измерений. Поэтому в качестве главного
показателя преломления nλ принимают его значение либо для желтой d-линии гелия с λ = 587,56 нм, либо для желто-зеленой e-линии
ртути с λ=546,07 нм. Первый показатель преломления nd используется такими производителями, как Schott, Hoya, Ohara и др.,
второй показатель преломления ne – в частности, российскими
производителями. В настоящее время достигнутые пределы значений показателей преломления nd промышленных оптических
стекол составляют примерно 1,43–2,17. Допустимое отклонение зависит от категории оптического стекла и нормируется величиной
±(3–20) · 10–4.
Средняя дисперсия определяется как разность показателей преломления nF для синей линии спектра с λ = 488,1 нм и nС для красной линии спектра с λ = 656,3 нм. Величину средней дисперсии
представляют как (nF – nC) · 105 (лежит в диапазоне 639–3178 с допустимым отклонением ±(3–20) · 10–5).
Коэффициент дисперсии (число Аббе) νd задается отношением
n -1
νd = d
nF - nC
либо
νe =
ne -1
,
nF¢ - nC¢
где средняя дисперсия определяется как разность показателей
преломления для синей (F′) и красной (C′) линий кадмия. Значе11
ния νd для промышленных оптических стекол находятся в пределах 17–95.
Цветное оптическое стекло предназначено для качественного изменения спектра проходящего светового потока путем полного или
частичного поглощения отдельных участков спектра и используется для изготовления абсорбционных (поглощающих) светофильтров для разнообразных приборов, применяемых для оптических
и фототехнических измерений, в фотографической промышленности и т. д.
Существует особый класс бескислородных халькогенидных стекол на основе сульфидов, селенидов и теллуридов разных элементов, например, мышьяка As или германия Ge. Такие стекла выпускаются отечественной промышленностью под марками ИКС 25,
ИКС 27, ИКС 33 и др. Хотя они и выглядят зачастую как цветные
стекла, но таковыми не являются. Спектральная область прозрачности подобных стекол лежит в интервале длин волн 1–16 мкм.
Лейкосапфир – материал двойного назначения. С одной стороны, это отличный оптический материал, с другой, после нейтронного облучения и термической обработки он становится активной
средой с перестраиваемым по частоте излучением, работающей на
длинах волн 0,54–0,62, 0,75–0,95 и 0,96–1,15 мкм, и используется
для создания титан-сапфировых лазеров.
В природе встречается сапфир, окрашенный примесями в разные цвета. Синтетический лейкосапфир, называемый еще искусственным корундом, представляет собой нелегированный (суммарные примеси не более 0,01 %) бесцветный двулучепреломляющий кристалл. В промышленности сапфир получают газоплазменным методом и методом направленной кристаллизации из расплава в виде булей диаметром до 200 мм и пластин размером до
200×100×25 мм.
Искусственный лейкосапфир выгодно отличается от естественного высоким структурным совершенством, меньшим содержанием
примесей, которые отрицательно влияют на оптические, механические и тепловые свойства, обладает высокой теплопроводностью
и нерастворим в воде.
Превосходные термические и механические свойства обусловили
ряд специфических применений сапфира в приборостроительной,
ювелирной, лазерной, часовой, ракетной и космической технике.
В частности, лейкосапфир широко используется при изготовлении
колпаков-обтекателей для ракет и самолетов, проходной оптики лазерных систем, высокоотражающей силовой лазерной оптики, поля12
ризационных систем лазерных трактов, фильер для изготовления
тончайшей проволоки, прочных окон наручных часов и др.
Фториды магния, лития, кальция. Фторид магния MgF2 – бесцветный кристалл, прозрачный от вакуумного ультрафиолета до
инфракрасной области спектра в диапазоне длин волн 0,15–8 мкм.
Его используют при изготовлении линз и призм для специальных
оптических систем, в том числе и лазерных. Растворимость в воде
составляет 0,0076 г/100 см3 при температуре 18 °С. Фторид магния
растворим в кислотах и нерастворим в спиртах.
Монокристаллы фтористого магния (селлаита) получают кристаллизацией из расплава методом Стокбаргера–Степанова в вакуумной или фторирующей атмосфере. Кристаллы выпускают в виде
штапиков размером 60×100 мм и дисков диаметром 120 мм и толщиной 40 мм. В отличие от кристаллов других фторидов кристаллы MgF2 являются безблочными.
Благодаря прозрачности в широком спектральном диапазоне,
особенно в вакуумной УФ-области спектра, сочетающейся с механической и термической прочностью, химической и радиационной устойчивостью, естественным двулучепреломлением, а также
с благоприятными теплофизическими характеристиками, применение кристаллов фтористого магния в оптике позволяет создать
принципиально новые приборы и устройства.
Фторид лития LiF – прозрачный бесцветный кристалл, негигроскопичный, почти нерастворим в воде. Растворяется в азотной
и плавиковой кислоте. Обладает высокой прозрачностью от ультрафиолетовой до инфракрасной области спектра в диапазоне длин
волн 0,1–6 мкм. Фторид лития используется в ультрафиолетовой
области, в том числе в области вакуумного ультрафиолета, где его
прозрачность превосходит прозрачность всех прочих оптических
материалов, и инфракрасной оптике. Фтористый литий марки
ФЛУ является непревзойденным оптическим материалом по прозрачности в далекой ультрафиолетовой части спектра, так как прозрачен до 105 нм. Фтористый литий марки ФЛИ является хорошим
материалом для изделий, работающих в спектральном диапазоне
до 6 мкм.
Монокристаллы фторида лития применяются в рентгеновских монохроматорах и для изготовления высокоэффективных
(КПД = 80 %) лазеров на центрах свободной окраски. Лазер F2–:LiF
дает инфракрасное излучение с длиной волны l = 1120 нм.
Фторид кальция CaF2 (флюорит) используют в спектральном
диапазоне 0,15–9 мкм. Фторид кальция марки ФК-У полностью
13
удовлетворяет требованиям к проходной оптике систем ультрафиолетовой микрофотолитографии с рабочей длиной волны 193 нм.
Его широко применяют при изготовлении оптических компонентов
мощных лазеров благодаря спектральной характеристике, низким
коэффициенту поглощения и показателю преломления.
Фтористый кальций – твердый, хрупкий кристалл, обладает
выраженной анизотропностью механических свойств и используется для производства оптических деталей в ультрафиолетовой
и инфракрасной микроскопии: защитных стекол, зеркал, линз,
клиньев и призм в ультрафиолетовой и инфракрасной спектроскопии. Обладает большим коэффициентом термического расширения
и малой механической и термической стойкостью.
Одно из преимуществ CaF2 по сравнению с другими фторидами – BaF2, LiF и MgF2 – малая растворимость в воде при комнатных температурах. При нормальных условиях эксплуатации
(влажности и температуре) полированные поверхности CaF2 остаются стабильными в течение нескольких лет. Фторид кальция выращивается в вакууме методом Стокбаргера из кристаллов флюорита природного происхождения.
1.2. Материалы для инфракрасной оптики
Селенид цинка ZnSe используется для изготовления оптических деталей окон, линз, призм и зеркал, работающих в видимом
и ИК спектральном диапазоне от 0,6 до 22 мкм, оптических системах специального назначения и лазерной CO2-оптике.
Поликристаллический CVD (Chemical Vapour Deposition) ZnSe
получают в реакторах – установках, обеспечивающих процессы химического осаждения вещества из газовой фазы. CVD ZnSe осаждается на графитовую подложку, а исходными реагентами процесса
являются пары цинка и газ селеноводород H2Se. CVD-метод позволяет получить поликристаллический ZnSe с низким содержанием
примесей и структурных дефектов. Размер зерна поликристаллического CVD ZnSe может составлять от 20 до 150 мкм. Этот фактор
зависит от параметров проведения процесса осаждения (температуры, давления и концентрации реагентов) и изменяется по длине
­реактора.
Поликристаллический CVD ZnSe имеет высокие значения коэффициента пропускания, прочности, твердости, оптическую однородность, широкую область прозрачности, эрозионную и термиче14
скую стойкость. В зависимости от габаритных размеров и мощности CVD-реакторов выращиваются поликристаллические пластины селенида цинка размером до 600×200 мм толщиной от 5 мм по
краю и до 25 мм в центре пластины.
Арсенид галлия GaAs, используемый для изготовления линз
и светоделителей, является альтернативой ZnSe в оптических системах непрерывных CO2-лазеров средней и высокой мощности.
Он наиболее полезен в тех областях оптики, в которых важны
прочность и долговечность. В частности, благодаря его твердости
и прочности арсенид галлия используется в системах, в которых
пылевые или абразивные частицы бомбардируют оптические поверхности. Когда необходима частая протирка или очистка оптической поверхности, арсенид галлия является наиболее подходящим
материалом. Материал не гигроскопичен, безопасен при использовании как в лаборатории, так и в полевых условиях, химически
устойчив в любых средах за исключением сильных кислот.
Кремний. Монокристаллический кремний оптического качества используется, прежде всего, для изготовления плоскопараллельных пластин в спектральном диапазоне от 3 до 5 мкм, а также в качестве подложек для производства инфракрасных светофильтров. Кремний широко применяется также при производстве
зеркал для мощных лазеров, линз и окон, работающих в диапазоне
от 1 до 7 мкм.
Показатель преломления оптического кремния nSi в области
прозрачности составляет около 3,4. В связи с высоким поглощением на длине волны 9 мкм оптический кремний в CO2-лазерах в качестве пропускающей оптики не применяется, но широко используется для производства глухих зеркал.
Изготовление кремния методом зонной плавки позволяет уменьшить поглощение излучения с длинами волн около 9 и 16 мкм.
В общем случае кремний оптического качества является слаболегированным материалом с удельным сопротивлением 5–40 Ом · см,
что обеспечивает лучшую прозрачность в диапазоне выше 10 мкм.
Высокоомный кремний имеет длинноволновую полосу пропускания в диапазоне 30–100 мкм.
Германий. Для изготовления оптики инфракрасного диапазона
используется германий сверхвысокой чистоты. Из оптического германия марки ГМО (германий монокристаллический оптический)
изготавливают окна, пластины, линзы, призмы и зеркала для
ИК-спектра излучения. Чаще всего оптический германий применяют как материал для инфракрасной оптики в системах пассивно15
го тепловидения, инфракрасного наведения и приборах ночного видения, в компьютерной технике и противопожарных системах, при
картографировании и исследованиях поверхности Земли со спутников. Кроме того, германий используется в оптических приборах
ИК-спектроскопии.
Спектральная полоса пропускания монокристаллического оптического германия находится в области от 1,8 до 23 мкм. Благодаря
прозрачности германия в диапазоне 8–14 мкм оптику из монокристалла Ge широко используют в оптических системах для тепловидения. Из монокристаллического оптического Ge изготавливают
также подложки для светофильтров ИК-диапазона. Благодаря высокой теплопроводности оптику из Ge марки ГМО часто применяют
в CO2-лазерах.
Монокристаллический оптический германий – оптический материал с высоким показателем преломления nGe ≈ 4,0–4,1 в зависимости от длины волны излучения. Высокий показатель преломления обусловливает высокий коэффициент отражения от полированной поверхности оптики из германия, поэтому германиевая оптика требует антибликового (просветляющего) покрытия.
Для уменьшения коэффициента отражения от поверхности германия используют широкополосные просветляющие покрытия.
Это могут быть как традиционные инфракрасные просветляющие,
так и однослойные алмазоподобные DLC (Diamond-Like Carbon)
просветляющие покрытия из твердого углерода с показателем преломления n ≈ 2. DLC-покрытие сочетает в себе просветляющие качества с хорошими защитными свойствами от воздействия внешней среды и обладает очень высокой абразивной износостойкостью.
Оптическое пропускание германия с ростом температуры уменьшается во всей спектральной полосе прозрачности. Для монокристалла германия ширина запрещенной зоны Eg = 0,7 эВ, поэтому заметное поглощение излучения с длиной волны меньше 1,8 мкм наблюдается уже при комнатной температуре. Материал становится
непрозрачным при температурах более 100 °С. Известно, что максимальной прозрачностью в области 2,3–14 мкм обладают монокристаллы германия с проводимостью n-типа и удельным сопротивлением 2–20 Ом · см.
Германий можно эксплуатировать в различных средах, так
как это инертный, причем довольно твердый и прочный материал. Оптический монокристаллический германий выращивают методом Чохральского, и он является относительно дорогим материалом.
16
КРС-5 и КРС-6. Монокристаллы КРС-5 и КРС-6 используют при
изготовлении оптических элементов для приборов ИК-техники,
акустооптики, лазерной техники, заготовок для получения волоконных световодов.
Впервые монокристаллы из расплавов бромистого, йодистого
а также хлористого таллия были получены в сороковые годы прошлого века в Германии. Кристаллы были названы просто «кристаллами из расплава» (Kristalle aus dem Smelzflus), откуда и пошло их укоренившееся название КРС. Кристаллы обладают высокой прозрачностью в диапазоне от 0,6 до 40 мкм, малорастворимы
в воде, легко режутся. Однако невысокая механическая прочность
является их существенным недостатком. Температура плавления
кристаллов КРС составляет 423 °С. Некоторые мировые оптические фирмы применяет призмы из кристаллов КРС в призменных инфракрасных спектрофотометрах для работы в области 28–
40 мкм. Коэффициент термического расширения КРС в интервале
20–100 °С равен 490 · 10–7 °С–1. Химический состав кристаллов
КРС-5 и КРС-6 представлен в табл. 1.3.
В последние годы проведена большая работа по исследованию
кристаллов КРС и улучшению технологии их изготовлении. В результате сейчас промышленность выпускает крупногабаритные
кристаллы высокого оптического качества диаметром до 150 мм и
высотой до 70 мм. Максимальные значения лучевой прочности на
длине волны 10,6 мкм составляют 80 МВт/см2.
При полировании кристаллов пока не удается избежать астигматизма, что связано с большой пластичностью кристаллов. При
обращении с материалами КРС-5 и КРС-6 следует помнить, что изза содержания таллия (вследствие его высокой токсичности) с кристаллами требуется обращаться с большой осторожностью, как
и с соединениями мышьяка.
Таблица 1.3
Состав КРС-5 и КРС-6
Химическая
формула
Материал
Состав, масс. %
КРС-5
КРС-6
TlCl
Хлорид таллия
–
67
TlBr
Бромид таллия
57,7
33
TlI
Йодид таллия
42,5
–
17
1.3. Материалы отражательной оптики
Общими требованиями к элементам отражательной оптики лазеров являются максимальный коэффициент отражения на рабочей длине волны (во избежание разогрева и потерь энергии лазерного излучения), возможность достижения высокой точности изготовления отражающей поверхности, стабильность ее формы и качества в течение длительного времени эксплуатации и хранения.
Простейшие лазерные зеркала для СО2-лазеров изготавливают
из полированных металлов, например, из меди.
Свет отражается от поверхности, причем часть излучения всегда
проникает в металл и вещество подложки, которыми и поглощается. Свет частично может проходить и сквозь зеркало, что является
обязательным условием, например, для выходных зеркал лазеров.
Высокие коэффициенты отражения (более 99 %) достигаются в инфракрасном диапазоне спектра. В видимой области отражение металлических зеркал составляет, как правило, от 95 до 98 %.
Материалы для изготовления металлических лазерных зеркал
должны обладать следующими свойствами:
– достаточно высокой теплопроводностью, малым температурным коэффициентом линейного расширения (малые термодеформации);
– минимальной плотностью, высоким пределом упругости, максимальной жесткостью;
– минимальным коэффициентом поглощения на рабочей длине
волны;
– высокой лучистой прочностью;
– возможностью обработки отражающей поверхности с высокой
точностью воспроизводства геометрии поверхности и малой ее шероховатостью (в частности, пригодность для обработки методами
алмазного микроточения);
– возможностью использования внешнего и внутреннего охлаждения.
Известно, что наиболее полно перечисленным требованиям
и критериям удовлетворяют такие материалы, как медь, меднохромистая бронза, молибден и вольфрам. Для изготовления металлических лазерных зеркал наиболее часто используют бескислородную медь марки МОб, бронзу марки БрХ0.8Л, молибден марки
МЧ. Для зеркал из этих материалов разработаны специальные покрытия, надежно предохраняющие их от окисления при длительном хранении и сильном нагревании (пленки некоторых фторидов
18
и другие тонкослойные покрытия, обладающие малым поглощением на рабочей длине волны). Отработаны и конструкции элементов отражательной оптики, обеспечивающие охлаждение зеркала
в процессе эксплуатации.
Внедрение материалов высокой чистоты, замена традиционных
методов шлифования и полирования и доводки зеркал методом алмазной обработки без последующего шлифования, использование
эффективных способов охлаждения отражающих поверхностей могут обеспечить повышение порога поверхностного разрушения до
20 кВт/см2, ресурса работы до 1000 ч, снижение термодеформаций
до долей микрометра при одновременном значительном сокращении трудоемкости изготовления таких зеркал.
Медь – химический элемент I группы Периодической системы элементов, атомный номер 29. Металл красного цвета, ковкий
и мягкий, хороший проводник теплоты и электричества. Химически малоактивный металл. В бескислородной меди марки МОб содержится 99,97 % чистой меди, максимальное количество кислорода не превышает 0,001 %.
В лазерной оптике медь применяется в отражателях – собственно медные зеркала и тонкие пленки меди на диэлектрических подложках. Медь характеризуется высокой теплопроводностью, что
гарантирует максимальное качество лазерных пучков при предельных нагрузках.
Медные зеркала широко используются в силовой отражательной оптике, т. е. для зеркал, работающих при высокой плотности
излучения. Это объясняется высоким значением спектрального коэффициента отражения. Для свежеизготовленных медных полированных поверхностей на длине волны λ = 10,6 мкм отражение достигает R ≥ 98 %. Медные зеркала не рекомендуется использовать
в маломощных устройствах, так как они трудны в изготовлении
и, следовательно, недешевы.
Бронза БрХ0.8Л. Безоловянная бронза БрХ0.8Л имеет следующий состав: Cu – основа, Cr – 0,4–1,2 %, остальных примесей меньше 0,3 %. Она обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, имеет хорошие механические свойства, характеризуется
высокой температурой рекристаллизации и размягчения. Выпускается в виде листов, проволоки и прутков диаметром от 5 до 100 мм.
Бронза БрХ0.8 легко поддается механической обработке. При
ее чистовом точении с помощью резцов из природных алмазов на
плоских и сферических поверхностях сравнительно легко удается
получить высокое качество обработки. Так, например, высота не19
ровностей плоской или сферической поверхности до 0,02 мкм достигается на станках для алмазной обработки деталей из цветных
металлов.
Такая бронза широко используется для изготовления электродов, жаропрочных деталей, работающих при охлаждении до 20 К,
элементов, к которым предъявляются высокие требования по прочности, твердости, электро- и теплопроводности.
Благодаря возможности создания высококачественных отражающих поверхностей бронза БрХ0.8 находит применение в оптических системах, в частности, в качестве отражательных элементов
лазеров. Отражение зеркал из бронзы составляет R > 98 % на длине волны λ = 10,6 мкм.
Молибден – светло-серый металл с кубической объемно центрированной решеткой. Твердость по шкале Мооса составляет 4,5. Механические свойства, как и у большинства металлов, определяются
чистотой металла и предшествующей механической и термической
обработкой, и чем чище металл, тем он мягче. Он обладает крайне
низким коэффициентом теплового расширения. Молибден является тугоплавким металлом c температурой плавления 2620 °C и температурой кипения 4639 °C.
Металлический молибден получают сначала в виде порошка
восстановлением оксида молибдена MoO3 в токе сухого водорода.
Молибденовый порошок превращают в компактный металл методом порошковой металлургии или методом плавки.
В первом случае получают сравнительно небольшие заготовки сечением 2–9 см2 при длине 450–600 мм, во втором – заготовки массой 500–2000 кг методом дуговой плавки в печах с охлаждаемым медным тиглем и расходуемым электродом, которым служит пакет спеченных штапиков. Кроме того, используют электронно-лучевую плавку молибдена, позволяющую получать материал
с минимальным содержанием примесей.
Молибден относится к химически стойким материалам. На воздухе при 293 К не окисляется и не подвержен действию соляной
и разбавленной серной кислоты, растворяется в азотной и концентрированной серной кислоте. При накаливании на воздухе до температуры свыше 673 К интен­сивно окисляется, образуя трехокись
МоО3 в виде рыхлой массы белого цвета. При нагревании реагирует
с большинством химических элементов, образуя твердые растворы
и химические соединения.
Этот металл характеризуется высокой температурой плавления (из тугоплавких металлов уступает лишь вольфраму и танта20
лу), что позволяет применять его для изделий, работающих при
­нагревании до высоких температур. Он обладает значительно более
высокой теплопроводностью, чем другие тугоплавкие металлы, что
обеспечивает хороший отвод теплоты от деталей и узлов, выполненных из молибдена.
Молибден – хороший материал для зеркал CO2-лазеров. Полированные зеркала из молибдена более долговечны, чем зеркала из
кремния или меди. Молибденовые зеркала рекомендуются для эксплуатации в условиях повышенного запыления.
Молибден обладает высокой отражательной способностью, низким тепловым расширением и высокой твердостью. Коэффициент
отражения полированной поверхности молибдена без покрытия на
длине волны λ = 10,6 мкм больше 98 %, поэтому молибденовые зеркала можно использовать как без покрытия, так и с покрытием, повышающим коэффициент отражения. Молибденовые зеркала без
дополнительного отражающего покрытия долговечны и выдерживают более грубую очистку, чем зеркала с серебряным покрытием
и защитным слоем.
Кроме массивных металлических зеркал лазерные отражательные элементы могут быть выполнены в виде тонких металлических
слоев толщиной несколько микрометров, наносимых методом вакуумного испарения на металлические, полупроводниковые или
диэлектрические подложки. В качестве металлов для изготовления
тонкопленочных зеркальных покрытий обычно используют золото,
серебро или алюминий. Типичные значения отражения для свежеприготовленных пленок Au, Ag и Al для разных длин волн представлены в табл. 1.4.
Металлические покрытия имеют высокий (97–99 %) коэффициент отражения в широком диапазоне длин волн. При этом неотраженная часть энергии (1–3 %) поглощается, вызывая нагревание
зеркал. В мощных лазерах это может привести к термической деформации, а при значительной плотности излучения и к разрушению. Для снижения температуры поверхности металлического зеркала применяют водяное или воздушное охлаждение подложки.
Подложка имеет радиальные или спиральные внутренние каналы
для подвода хладоагента.
Поверхность металлических как массивных, так и тонкопленочных зеркал для защиты от окисления и повышения стойкости к истиранию обычно покрывают тонким слоем диэлектрика, прозрачным для излучения с рабочей длиной волны лазера. В качестве материалов для изготовления защитного слоя могут быть использова21
Таблица 1.4
Коэффициенты отражения металлов
λ, мкм
R, %
Al
Ag
Au
0,22
91,5
28,0
27,5
0,30
92,3
17,6
37,7
0,40
92,4
95,6
38,7
0,55
91,5
98,3
81,7
1,0
94,0
99,4
98,6
5,0
98,4
99,5
99,4
10,0
98,7
99,5
99,4
ны оксид (SiO) и диоксид (SiO2) кремния, окислы редкоземельных
металлов, такие, как оксиды иттрия Y2O3 или гафния HfO2, а также некоторые фториды и халькогениды мышьяка и цинка. Помимо однослойного покрытия на поверхность металлических зеркал могут наноситься многослойные тонкопленочные структуры,
выполняющие не только защитные функции, но и увеличивающие отражение. В англоязычной литературе такие металлические
зеркала с многослойным диэлектрическим покрытием известны
под названием enhanced (улучшенный).
Металлические зеркала в инфракрасной области спектра имеют
отражение 99 % и выше. Однако поглощение коротковолнового излучения в металлах является серьезной проблемой, сдерживающей
использование таких зеркал в видимом и ближнем инфракрасном
диапазонах.
Помимо зеркальных элементов, изготовленных на основе металлов, в лазерной оптике используются диэлектрические зеркала.
При формировании многослойной тонкопленочной структуры, состоящей из двух прозрачных веществ с различающимися показателями преломления, возникает периодическая последовательность
поверхностей раздела, обеспечивающая высокое отражение вблизи
заданной длины волны λ0, которая соответствует длине волны лазерной генерации.
Зеркала с малыми потерями и высоким коэффициентом отражения R ≥ 99 % состоят из чередующихся четвертьволновых слоев ма22
териалов с разными показателями преломления. Оптическую толщину слоев выбирают из условия
n1d1 = n2d2 = λ0/4,
где λ0 – длина волны генерации лазера.
Основные методы, связанные с проектированием и изготовлением многослойных диэлектрических зеркал для лазеров, детально
рассмотрены в разделах 2 и 3 настоящего пособия.
1.4. Материалы для активных элементов лазеров
Материалы для активных элементов лазеров (лазерные материалы) – это материалы, применяемые в квантовых оптических генераторах (лазерах) в качестве активной среды, в которой непосредственно осуществляется генерирование света.
По принципу агрегатного состояния лазерного вещества лазеры
можно подразделить на:
– твердотельные;
– жидкостные;
– газовые;
– на свободных электронах.
Среди твердотельных лазеров особое значение имеют классические их типы с оптической накачкой, а также полупроводниковые
инжекционные лазеры. Среди лазеров в жидкостном исполнении
широко распространены пока только лазеры на красителях. Схема
лазера приведена на рис. 1.2.
3
2
4
1
5
Рис. 1.2. Схема лазера.
1 – активная среда; 2 – непрозрачное зеркало; 3 –энергия накачки
лазера; 4 – полупрозрачное зеркало; 5 – лазерный луч
23
Важнейшей проблемой при создании лазера является возбуждение активной среды, формирование так называемой инверсной населенности. Энергия, необходимая для возбуждения среды лазера,
может подводиться разными способами. Так, первый рубиновый
лазер возбуждался путем облучения светом, что было учтено при
создании многих других лазеров. Подобные устройства называют
лазерами с оптической накачкой.
Газы могут возбуждаться путем подачи электроэнергии с возникновением в них электрического разряда. Лазеры, для которых
используется подобный механизм возбуждения, называются газоразрядными лазерами.
Прямое электрическое возбуждение возможно с применением
полупроводников. На таком принципе работают полупроводниковые инжекционные, или диодные, лазеры.
В табл. 1.5 приведена классификация лазеров по способу возбуждения лазерного вещества.
По состоянию на 2010 г. существующие лазерные системы обладают следующими предельными максимальными показателями:
– диапазон длин волн от 0,1 нм до 1 мм;
– стабильность частоты 1017;
– мощность лазеров непрерывного действия 107 Вт;
Таблица 1.5
Классификация лазеров по способу возбуждения
Тип лазера
Способ возбуждения
С оптической накачкой
C помощью лампы-вспышки, лампы
непрерывного горения, другого лазера,
светодиода
С электронно-лучевой
Накачка электронным лучом в газовых
накачкой
и полупроводниковых лазерах специального
типа
Газоразрядные
Разряды в газах: тлеющий, дуговой,
на полых электродах
Инжекционные (диодные) Прохождение тока в полупроводнике
Химические
Газодинамические
С ядерной накачкой
24
Химическая реакция
Создание инверсии населенности путем
расширения горячих газов
Возбуждение посредством излучения
из атомного реактора или ядерного взрыва
– пиковая мощность импульсных лазеров 1015 Вт;
– максимальная интенсивность импульсных лазеров 1022 Вт/см2;
– наименьшая длительность импульса 10–16 с.
Для получения генерации атомы или молекулы активной среды
переводят в возбужденное состояние с помощью внешнего источника энергии. Если обеспечить условия, при которых все возбужденные частицы будут возвращаться в нормальное состояние одновременно, то выделяющаяся при этом энергия будет излучаться в виде
направленного монохроматического пучка. Для осуществления генерации необходимо, чтобы активная среда лазера обладала рядом
квантовомеханических свойств.
Объем настоящего пособия не позволяет в полной мере отразить
принципы работы и характеристики всех существующих лазерных
сред, поэтому остановимся лишь на некоторых наиболее распространенных из них. Рассмотрение активных сред лазеров начнем
с газовых лазеров на примере гелий-неонового лазера.
Газовые лазеры. Активная среда He–Ne-лазера представляет
собой газовую смесь гелия и неона в пропорции 5:1, находящуюся
в стеклянной колбе под низким давлением (р ≈ 300 Па). Возбуждение рабочей среды осуществляется под действием электрического
разряда в газе. Лазерное излучение генерируется непосредственно
атомами неона, а гелий служит для их эффективного возбуждения.
Таким образом, один из компонентов смеси, в данном случае He,
участвует в эффективной передаче энергии от внешнего источника, а другой (Ne) используется для генерации. Поэтому при подборе
смеси наряду с другими обстоятельствами необходимо обеспечить
условия эффективной передачи энергии. Для этого соответствующие возбужденные состояния атомов обоих компонентов должны
характеризоваться близкими значениями энергии.
В газовом разряде в смеси гелия и неона образуются возбужденные атомы обоих элементов. При этом получается, что энергии
метастабильного уровня гелия и излучательного уровня неона оказываются примерно равными. Передача возбуждения между двумя
этими состояниями происходит в следующем процессе:
He* + Ne + ΔE → He + Ne*,
где знак (*) означает возбужденное состояние, а ΔE – разность
энергетических уровней двух атомов. Эффективность такой передачи возбуждения оказывается очень большой. Недостающая
энергия ΔE = 0,05 эВ берется из кинетической энергии движения
атомов.
25
Атомы неона переходят из возбужденного состояния в основное с испусканием излучения. Схема уровней, участвующих в лазерных переходах электронных конфигураций атомов неона, такова, что излучение может генерироваться с несколькими длинами
волн – от 543 до 3391 нм. Причем самые интенсивные линии получаются в результате переходов с длиной волны 633, 1153 и 3391 нм.
Длина волны генерации He–Ne-лазера определяется соответствующим выбором лазерных зеркал резонатора.
Резонатор такого лазера обычно состоит из двух зеркал – полностью непрозрачного с одной стороны колбы и второго – частично
прозрачного, пропускающего около 1 % падающего излучения на
выходной стороне устройства.
Гелий-неоновые лазеры компактны, типичный размер резонатора от 15 см до 2 м, их выходная мощность варьируется от 1 до
100 мВт.
Твердотельные лазеры. Активная среда большинства твердотельных лазеров состоит из кристаллических или стеклянных
стержней длиной несколько сантиметров либо из дисков толщиной
до 1 см, легированных оптически активными ионами. Для легирования обычно используют переходные Cr, Ni, Co или редкоземельные Nd, Er, Yb металлы. Лазерное излучение генерируется во внутренних незаполненных оболочках ионов-примесей.
Рабочее вещество для твердотельного лазера – кристалл или стекло – должно обладать определенными оптическими, механическими
и термическими свойствами, в том числе оптической однородностью,
стойкостью к растрескиванию и высокой теплопроводностью. Для
изготовления кристаллических активных сред выбирают оксиды
и фториды, а для активных сред из стекла – фосфаты и силикаты.
Из оксидов можно отметить сапфир Al2O3, гранаты и алюминаты.
Активной средой первого твердотельного (рубинового) лазера стал рубин. Из гранатов наиболее известны иттрий-алюминиевый Y3Al5O12
(ИАГ), гадолиний-галлиевый Gd3Ga5O12 (ГГГ) и гадолиний-скандийгаллиевый Gd3Sc2Ga3O12 (ГСГГ) гранаты, используемые в неодимовых лазерах. Из алюминатов, выбранных в качестве активной среды лазера, можно назвать YAlO3, легированный Nd, Er, Mo или Tm.
Кроме того, находят применение легированные неодимом вольфраматы Nd:CaWO4 и бериллаты Nd:La2Be2O5. Из фторидов особый интерес представляют CaF2 и YLiF4, легированные ионами Nd и Er.
К наиболее популярным твердотельным лазерам можно отнести
лазер на иттрий-алюминиевом гранате, легированном неодимом
Nd:Y3Al5O12 (Nd: ИАГ).
26
Чистый иттрий-алюминиевый гранат Y3Al5O12 – это бесцветный, оптически изотропный кристалл с кубической структурой.
В результате легирования в расплаве с Nd2O5 примерно 1 % ионов
Y3+ замещается ионами Nd3+. Выпускаемые лазерные стержни из
Y3Al5O12 имеют длину до 150 мм и диаметр до 10 мм.
Электронная конфигурация иона Nd3+отличается тем, что подоболочка 4f заполнена лишь частично. Дополнительное влияние
кристаллического поля довольно слабое, так как 4f-оболочка экранирована электронами 5s и 5p уровней. Поэтому энергетические состояния ионов Nd3+ в кристалле в значительной степени соответствуют энергетическим состояниям свободных ионов.
Возбуждение осуществляется на основе оптической накачки
в широкие энергетические зоны с последующим безызлучательным
переходом на верхний лазерный уровень. Освобождающаяся при
этом энергия в виде теплоты передается кристаллу. Оптическая накачка Nd:ИАГ лазера в непрерывном режиме выполняется с помощью дуговых газоразрядных ламп с криптоновым наполнением,
а в импульсном режиме – посредством ксеноновых ламп-вспышек.
Оптическая накачка может осуществляться также с использованием полупроводниковых лазеров. В генерации излучения участвуют лазерные переходы с несколькими длинами волн в диапазоне от
1,052 до 1,41 мкм. Наибольшую интенсивность имеет линия излучения с длиной волны 1,064 мкм.
Лазерная среда Nd:ИАГ представляет собой четырехуровневую
систему, обладающую преимуществом сравнительно низкого порога генерации. Лазерные линии в иттрий-алюминиевом гранате
однородно уширяются в результате тепловых колебаний кристаллической решетки. Это служит предпосылкой высокого усиления
при относительно небольшой мощности накачки. По совокупности отмеченных особенностей кристалл Nd:ИАГ отлично подходит в качестве активной среды для мощных лазеров непрерывного
действия.
Полупроводниковые лазеры – это лазеры, в которых в качестве рабочего вещества используется полупроводник. В таком лазере в отличие от рассмотренных газового и твердотельного лазеров излучательные переходы применяются не между изолированными уровнями энергии атомов и ионов, а между разрешенными
энергетическими зонами или подзонами кристалла. В подавляющем большинстве случаев накачка полупроводникового лазера
осуществляется непосредственно электрическим током (прямая
накачка). Но в некоторых специальных случаях она может быть
27
осуществлена электронным пучком или электромагнитным излучением.
Рассмотрим принцип действия полупроводникового лазера на
примере лазерного диода (рис. 1.3). Работа лазерного диода основана на возникновении инверсии населенностей в области p–nперехода при инжекции носителей заряда. При приложении к аноду обычного светодиода положительного потенциала дырки из
p-области инжектируются в n-область p–n-перехода, а электроны из
n-области инжектируются в p-область полупроводника. Если электрон и дырка оказываются в непосредственной близости, то они могут рекомбинировать с выделением энергии в виде фотона с определенной длиной волны. Такой процесс называется спонтанным
излучением и является основным источником излучения в светодиодах.
Однако при определенных условиях электрон и дырка перед рекомбинацией могут находиться в одной области пространства достаточно долгое время. Время такого их сосуществования может
достигать нескольких микросекунд. Если в этот момент через данную область пространства пройдет фотон необходимой (резонансной) частоты, он может вызвать вынужденную рекомбинацию с выделением второго фотона, причем его направление, вектор поляризации и фаза будут точно совпадать с теми же характеристиками
Контакт
+
500 мкм
p
50 мкм
n
Активная
область
–
10 мкм
Лазерное
излучение
Рис. 1.3. Устройство светодиодного лазера
28
первого фотона. В результате такого процесса индуцированного
(вынужденного) излучения и возникает лазерная генерация света.
Одним из неоспоримых преимуществ полупроводниковых лазеров по сравнению с лазерами других типов является их компактное
исполнение с размерами от нескольких микрометров до нескольких миллиметров.
В лазерном диоде полупроводниковый кристалл представляет собой тонкую прямоугольную пластинку. Такая пластинка, по сути,
является прямоугольным оптическим волноводом, в котором излучение ограничено относительно небольшим пространством. В нижнем
слое кристалла создают n-область, а верхний слой легируется для
создания p-области. В результате получается плоский p–n-переход.
При этом две боковые стороны (торцы) кристалла полируются для
образования гладких параллельных плоскостей, которые образуют
оптический резонатор, называемый резонатором Фабри–Перо.
Случайный фотон спонтанного излучения, испущенный перпендикулярно этим плоскостям, пройдет через весь оптический волновод и несколько раз отразится от торцов, прежде чем выйдет наружу. Проходя вдоль резонатора, он будет вызывать вынужденную
рекомбинацию, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, и излучение будет усиливаться. Как только усиление превысит потери, начнется лазерная генерация.
Диодные лазеры с прямой накачкой электрическим током в зависимости от применяемого полупроводника могут быть разделены
на четыре группы:
– на основе полупроводниковых соединений АIIIBV (GaAs,
GaAlAs, InP, GaSb и InGaAsP), генерирующие излучение в желтой,
красной и ближней инфракрасной областях спектра в диапазоне от
600 до 1700 нм;
– на основе полупроводника InGaN, работающие в зеленой, синей и ультрафиолетовой областях спектра;
– диодные на основе селенида свинца, например, Pb1–xSnxSe, излучающие в спектральном диапазоне от 3 до 30 мкм;
– квантовые каскадные для диапазона длин волн > 100 мкм.
Коммерческие лазеры на основе полупроводников GaAs, GaAlAs,
InP, GaSb и InGaAsP могут функционировать в непрерывном и импульсном режимах при комнатной температуре, и их можно использовать в системах передачи информации, при оптическом хранении
данных на компакт-дисках, лазерной обработке материалов.
Коротковолновые полупроводниковые лазеры на InGaN используются преимущественно в технике записи и хранения информа29
ции на DVD- и Blue-ray-дисках. Предполагается также, что в перспективе такие лазеры будут играть немаловажную роль в сфере
аналитической спектроскопии и телевизионной технике при производстве цветных лазерных дисплеев.
Инфракрасные лазеры на соединениях свинца могут функционировать только при температурах T < 100 К. Они сконструированы по принципу полупроводниковых диодных лазеров. Такие лазеры находят применение преимущественно в молекулярной спектроскопии. В качестве альтернативы в этом спектральном диапазоне могут использоваться квантовые каскадные лазеры.
Квантовые каскадные лазеры в отличие от обычных полупроводниковых, которые генерируют излучение вследствие рекомбинации электронно-дырочных пар, преодолевающих запрещенную
зону полупроводника, функционируют по иному принципу. Излучение квантово-каскадного лазера возникает при туннелировании
электронов, находящихся в квантовых ямах в полупроводниковых
гетероструктурах. Такие гетероструктуры состоят из десятков слоев нанометровой толщины разных полупроводников, получаемых
методом молекулярно-лучевой эпитаксии.
Квантовые каскадные лазеры находят применение, в частности,
в абсорбционной спектроскопии при обнаружении газов – загрязнителей атмосферы CH4, N2O, NO, CO и др. Кроме того, перспективным оказывается использование таких лазерных систем в медицине при качественном и количественном анализе содержания в тканях человека сложных химических соединений. Поскольку характерные размеры квантово-каскадных лазеров составляют около нескольких миллиметров, они могут быть введены непосредственно
в организм человека.
В заключение раздела отметим, что с момента создания первого лазера в 1954 г. лазерная оптика и лазерная техника в целом –
это непрерывно развивающиеся направления как в научной, так
и в инженерно-технической сфере. Эта область современной оптики – фотоника – развивается одновременно с промышленностью
и обладает быстро растущим научным потенциалом, и человечество ждет еще немало достижений и открытий в области лазеров.
Контрольные вопросы
1. Каковы основные свойства оптических материалов, применяемых в лазерной технике? Какие к ним предъявляются требования?
30
2. Какие свойства кристаллического и плавленого кварца важны для проходной оптики?
3. Каковы основные характеристики оптических стекол? В чем
их отличие от кварца?
4. В чем заключаются достоинства и недостатки фторидов как
лазерных оптических материалов?
5. Какие материалы используются для инфракрасной проходной оптики?
6. Какие материалы используются для отражательной оптики?
В чем заключаются достоинства и недостатки меди, серебра, золота, молибдена, бронзы, используемых в качестве зеркал?
7. Какие вещества используются для активных элементов твердотельных лазеров?
8. Каков принцип работы полупроводникового лазера? Какие
материалы применяются для активных элементов полупроводниковых лазеров?
31
2. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ
2.1. Методы изготовления оптических покрытий
Тонкослойные покрытия позволяют изменять оптические, механические, химические, электрические и другие свойства оптических деталей. В настоящее время более 98 % таких деталей имеют
покрытия, которые по функциональному назначению можно разделить на оптические, электропроводящие и защитные. К основным
видам покрытий относятся оптические, их удельный вес в общем
объеме покрытий оптических деталей составляет более 90 %.
Технология изготовления покрытий объединяет разнообразные
процессы, связанные с подготовкой оптических деталей к нанесению покрытий, их формированием (нанесением), контролем характеристик. Для реализации этих процессов применяются различные методы и оборудование, выбор которых определяется требованиями к оптическим и эксплуатационным характеристикам покрытий.
Процессы нанесения пленочных покрытий на оптические детали условно можно разделить на использующие химические, электрохимические, физические методы.
К химическим методам можно отнести те процессы, при которых
исходное пленкообразующее вещество претерпевает изменение исходного состава при взаимодействии с другими компонентами или
нагретой подложкой. Электрохимические процессы имеют такой
же характер, но пленка образуется в результате прохождения электрического тока через электролит, компоненты которого осаждаются на подложку. Этими методами изготавливают покрытия с металлическими пленками, поэтому они не входят в круг нашего рассмотрения. К физическим можно отнести метод термического испарения в вакууме и катодного распыления в разряде низкого давления.
В настоящем разделе кратко проанализируем основные идеи
всех методов и возможность их применения для изготовления оптических покрытий в ИК-области спектра, а в следующем детально рассмотрим метод термического испарения в вакууме как имеющий наиболее широкое распространение при изготовлении интерференционных покрытий ИК-диапазона спектра.
Одним из наиболее ранних методов создания просветляющих
поверхностных пленок с низким показателем преломления является обработка силикатного стекла 50 %-м нормальным раствором
уксусной кислоты. Под действием кислоты происходит выщелачи32
вание растворимых гидроокисей и солей, и на поверхности стекла
остается равномерный слой прозрачного продукта с более низким,
чем исходное стекло, показателем преломления. Технология изготовления пленки состоит в тщательной очистке просветляемых деталей, после чего они погружаются в раствор на время, необходимое для создания пленки. Контроль образования пленки требуемой
оптической толщины проводится визуально, по окраске поверхности. После извлечения из раствора деталь с пленкой промывается
в воде, а затем сушится в струе горячего сухого воздуха. Образовавшаяся пленка механически и химически очень устойчива. Она относится к 0-й или 1-й группе твердости.
Наибольший эффект дает просветление стекол с большим показателем преломления. Как видно из самого метода, он может быть
реализован только на силикатных стеклах, которые прозрачны до
2–3 мкм, т. е. в видимой и ближней инфракрасной области спектра.
В настоящее время технология используется только для просветления малых деталей сложной конфигурации с высоким показателем
преломления. В остальных случаях этот метод вытеснен другими
методами.
Одним из эффективных методов изготовления просветляющих,
светоделительных и других покрытий является метод нанесения на
поверхность детали тонкой пленки инородного вещества, получаемого из растворов легко гидролизующихся соединений, таких, как
TiCl4, SiCl4, Si(OC2H5)4, Ti(OC2H5)4, TiCl2(OC2H5)2, Th(NО3)4, ZrOCl2,
HfOCl2. В результате гидролиза образуются пленки соответствующих окислов: SiO2, TiO2, ThО2, ZrO2, HfO2. Эти окислы прозрачны
от ультрафиолетовой области спектра до области 10–12 мкм.
Технология получения покрытий достаточно проста. Небольшое
количество пленкообразующего материала наносится на поверхность детали методом центрифугирования. Для этого деталь закрепляется на шпинделе мотора специального станка и вращается
с большой скоростью, а на поверхность детали подается расчетное
количество пленкообразующего вещества. Раствор растекается по
поверхности, образуя равномерную пленку, толщина которой определяется концентрацией раствора, скоростью вращения и последующей термообработкой. Температура термообработки составляет
120–500 °С. В результате термообработки пленка стабилизируется
и приобретает соответствующие характеристики – показатель преломления и толщину.
Описанным методом наносятся различные просветляющие,
светоделительные и другие покрытия на детали размером более
33
300 мм. Хорошие равномерные покрытия получаются как на плоских, так и на сферических деталях. Полученные покрытия относятся к 0-й или 1-й группе прочности и сохраняют свойства в течение десятков лет.
Особенности описанного метода не позволяют осуществлять
контроль покрытия в процессе нанесения пленок. Однако тщательное соблюдение технологии изготовления дает возможность обеспечить достаточно хорошую воспроизводимость. Таким способом,
например, изготавливаются интерференционные фильтры для
­ультрафиолетовой области спектра.
Исследование оптических характеристик в процессе изготовления покрытия проводится на промежуточных стадиях после термообработки очередного слоя. При нанесении очередных слоев можно
вводить коррективы в толщину последующих слоев. Одним из достоинств метода является возможность нанесения пленок из смесей
исходных материалов. Таким образом получают коэффициент преломления пленки, лежащий между минимальным и максимальным значением показателей преломления исходных слоев. Это особенно важно при изготовлении ахроматических просветляющих
покрытий.
Химический метод нанесения покрытия позволяет не только получать пленки с заданным коэффициентом преломления, но и создавать комбинированные системы с заданным поглощением. Так,
путем добавок к растворам эфиров можно вводить в матрицы окислов SiO2, TiO2 коллоидные металлы серебра, золота, свинца и других веществ, которые обеспечивают требуемое селективное поглощение.
Другие химические методы – пиролиз и аэрозольный – имеют
узкую область применения. Они используются для получения твердых токопроводящих пленок SnO2. Сущность метода заключается
в том, что на поверхности нагретой детали при разложении двухлористого олова в присутствии влажного воздуха или путем распыления пленкообразующего раствора, в который входят хлорное олово,
фтористоводородная и соляная кислота, а также этиловый спирт,
образуется пленка SnO2. Практического применения при изготовлении интерференционных покрытий ИК-диапазона эти методы не
нашли.
Вакуумные методы нанесения покрытий получили массовое распространение в настоящее время. К вакуумным относятся физические конденсационные методы, использующие термическое испарение в высоком вакууме (10–3 Па и менее) и катодное
34
распыление пленкообразующих материалов в низком вакууме
(10–1–101) Па при распылении катода.
Промышленное производство оптических интерференционных
покры­тий вакуумными методами стало развиваться только после 1930 г., когда появились вакуумные насосы и материалы, позволявшие наносить пленки испарением в вакууме. Первыми промышленными оптическими покрытиями были однослойные просветляющие покрытия.
В начале 1960-х годов начались интенсивные разработки другого типа просветляющих покрытий, а именно, трехслойных. Несмотря на то, что теория создания таких покрытий была известна
в 1940-е годы, в то время еще не была разработана техника получения пленок с необходимым показателем преломления. Преимущества трехслойных покрытий были несомненны, но их производство развивалось медленно в силу нескольких причин. Прежде всего изготовление таких покрытий представляет собой гораздо более сложную технологическую задачу, чем изготовление
однослойных. Оптическую толщину и показатели преломления
всех трех слоев необходимо контролировать с очень высокой точностью.
Основными преимуществами вакуумных методов нанесения покрытий являются возможность контроля основных технологических параметров в процессе напыления, хорошая воспроизводимость результатов и высокая производительность.
Широкое распространение при изготовлении интерференционных покрытий получил метод термического испарения в высоком
вакууме.
Катодные или ионно-плазменные методы получения покрытий основаны на распылении мишени при бомбардировке ионами
инертных или реактивных газов. Источником ионов является самостоятельный разряд в разреженном газе (тлеющий на постоянном токе или высокочастотный) или несамостоятельный (дуговой
или с осцилляцией электронов) разряд. Принципиальная схема
установки приведена на рис. 2.1.
Метод заключается в следующем. Вакуумный объем, содержащий анод и катод, откачивают до давления 10–4 Па, после чего производят напуск инертного газа (обычно это Ar при давлении
1–10 Па). Для зажигания тлеющего разряда между катодом и анодом подается высокое напряжение (1–10 кВ). Положительные ионы
инертного газа, источником которых является плазма тлеющего
разряда, ускоряются в электрическом поле и бомбардируют катод,
35
3
4
2
5
6
7
1
Инертный газ
Реактивный газ
Рис. 2.1. Схема установки для нанесения покрытий катодным распылением.
1 – камера; 2 – катод; 3 – заземленный экран; 4 – заслонка;
5 – подложка; 6 – заземленный анод; 7 – резистивный нагреватель
подложки
вызывая его распыление. Распыленные атомы попадают на подложку и оседают в виде тонкой пленки [9].
Механизм катодного распыления достаточно сложен и неоднозначен. В основном процесс распыления состоит в том, что ионы
присутствующего газа при столкновении с катодом (мишенью)
передают атомам свою энергию, и те покидают катод. Вылетающие
атомы катода могут реагировать с остатками активного газа (если
в качестве последнего используются не инертные газы, такие, как
кислород или азот). При попадании на анод они внедряются в него
и остаются на нем.
Вакуумные установки, с помощью которых реализуются катодные методы, можно разделить на два типа: диодные и триодные. Диодная распылительная система состоит из катода и анода.
Катод является источником электронов, возникающих вследствие
автоэлектронной эмиссии, и играет роль мишени, которая распыляется под ударами положительных ионов. Анод, поддерживаю36
щий непрерывное горение разряда, одновременно является держателем подложек, на которые осаждается тонкий слой материала
катода.
В диодных системах, работающих на постоянном токе, может
быть использован дополнительный электрод (в виде кольца или
редкой сетки), расположенный на небольшом расстоянии от подложки. При подаче на него положительного относительно анода потенциала (несколько десятков вольт) возникает вспомогательный
разряд и осуществляется слабая бомбардировка осаждаемого слоя.
При этом скорость осаждения снижается на 10–50 %, а чистота
слоя повышается вследствие десорбции газов.
В отечественных диодных системах (вакуумные установки
ЭВ-88 и СМ-97) технологические скорости получения слоев составляют 0,03–0,05 нм/с. Действие магнетронного источника основано на распылении материала мишени-катода при его бомбардировке ионами рабочего газа. Ионы образуются в плазме аномального
тлеющего разряда, возбуждаемого в скрещенных электрическом
и магнитном полях. Магнетронная распылительная система (МРС)
является одной из разновидностей схем диодного распыления.
К основным рабочим характеристикам МРС относятся напряжение и сила тока разряда, удельная мощность на катоде, давление рабочего газа и магнитная индукция. В качестве рабочего газа
в МРС обычно используют аргон. Давление рабочего газа поддерживается в диапазоне 10–2–1 Па, напряжение разряда –300–800 В.
Магнитная индукция вблизи поверхности катода имеет значения
0,03–0,1 Тл. При таких условиях плотность тока на мишень находится на уровне нескольких тысяч ампер на квадратный метр,
а поверхностная плотность энергии 106 Вт/м2.
Магнетронные распылительные системы на постоянном токе
могут работать только с мишенями из проводящих материалов.
Если используются высокочастотные источники питания, то возможно также распыление и мишеней из непроводящих материалов
(ВЧ-магнетроны).
В диодных системах, работающих при высокочастотном напряжении, возможно использование мишеней из диэлектриков или
высокоомных полупроводников. Для обеспечения стабильной скорости распыления, высокой равномерности слоя по толщине и составу необходим хороший тепловой контакт между мишенью и высокочастотным электродом. Интенсивное охлаждение высокочастотного электрода предотвращает локальные перегревы, плавление и быстрое испарение отдельных участков мишени. В системах
37
высокочастотного распыления на подложку может быть подано отрицательное напряжение смещения, вызывающее направленный
поток положительных ионов инертного газа к подложке. Ионы,
бомбардируя поверхность подложки, удаляют адсорбированные
слоем газы, примеси, загрязнения и т. д.
С напряжением смещения связаны свойства слоев. Оно может
влиять на структуру, механическое напряжение и адгезию слоя.
При малом смещении не происходит эффективного удаления загрязнений, при большом смещении возможны захват поверхностью слоя инертных и активных газов, рекристаллизация слоя, появление дефектов и т. д.
Схема магнетронной распылительной системы приведена на
рис. 2.2. При высокочастотном распылении скорость роста слоя достигает 0,17–3,4 нм/с и зависит от природы материала мишени, частоты (частота 10–20 МГц обеспечивает наивысшую скорость распыления), напряжения, тока и напряженности внешнего магнитного поля. Технологические скорости роста слоя снижаются в результате нагревания подложек, вызываемого потоком электронов.
Например, при мощности 3 кВт температура подложки может повышаться до 600 °С.
2
1
3
4
5
6
9
7
8
Рис. 2.2. Схема магнетронной системы ионного распыления
с плоским катодом.
1 – изолятор; 2 – магнитопровод; 3 – система водоохлаждения;
4 – корпус катодного узла; 5 – постоянный магнит; 6 – стенка
вакуумной камеры; 7 – силовые линии магнитного поля; 8 – кольцевой
водоохлаждаемый анод; 9 – зона эрозии распыляемого катода
38
В высокочастотной установке типа А-550VZK (фирмы «Лейбольд–Хереус», ФРГ) технологическая скорость составляет 0,03–
0,1 нм/с. В триодных распылительных установках «Спутрон» (фирмы «Бальцерс», Лихтенштейн) и УРМЗ-279-013 (СССР) обеспечивается большая гибкость управления процессом распыления благодаря разделению функций катода и мишени.
Катод является источником электронов, которые поддерживают
разряд инертного газа, а мишень располагается параллельно плазменному шнуру (ось мишени делит расстояние анод–катод в отношении 1:2). При большом отрицательном потенциале на мишени из
плазмы вытягиваются положительные ионы, которые, бомбардируя мишень, вызывают ее распыление. Распыленные атомы осаждаются на подложке, расположенной параллельно мишени. В условиях пониженных (1,33–10–2 Па) давлений необходимая плотность
тока обеспечивается благодаря термоэлектронной эмиссии и направленному вдоль оси разряда магнитному полю напряженностью 8000–24 000 А/м. В триодных системах, реализуемых на постоянном или высокочастотном напряжении, скорость осаждения
слоя регулируется варьированием температуры катода, давления
инертного газа и потенциала мишени. Технологические скорости
образования слоев диэлектриков достигают 0,09–0,7 нм/с, а металлов – 2–12 нм/с.
Ионно-плазменные методы распыления позволяют получать на
подложке соединения различной природы. При подаче в камеру активных газов (азота, кислорода, окиси углерода, метана, сернистого ангидрида и др.) в зависимости от парциального давления можно изготавливать либо твердые растворы металла с соответствующим элементом, либо химические соединения (нитриды, окислы,
карбонаты, сульфиды и др.). Такой метод распыления называется
методом реактивного катодного распыления. В настоящее время
процессы высокочастотного распыления используются не только
для создания покрытий, но и для селективного ионного травления,
получения заданного рельефа поверхности.
Методом реактивного катодного распыления наносят пленки
TiO2, Ta2O5, HfO2, ZrO2, Nb2O5, TiN и многие другие. Показатели преломления имеют высокие значения, близкие к показателям
преломления монокристаллов данного вещества, но в значительной степени определяются режимами напыления. Особенно сильно сказывается режим при нанесении пленок TiO2, Ta2O5, HfO2,
и значительно меньше эта зависимость проявляется у пленок ZrO2,
Nb2O5 и SiO2. Для каждого металла выбирается свой оптимальный
39
режим, определяемый напряжением и плотностью тока, скоростью
роста пленок, составом остаточных газов, температурой подложки
и т. д. Наиболее высокие показатели преломления имеют пленки,
полученные при высоких (до 750 °С для кварца) температурах подложек. Снижение температуры до 200 °С приводит к снижению показателя преломления.
Для нанесения равнотолщинных пленок на плоские детали необходимы катоды, на 20–30 % превышающие размеры подложек.
К сожалению, получение равнотолщинных пленок на деталях
сложной формы или большого размера этим методом затруднительно. Для создания равномерных по толщине покрытий рекомендуется подбирать поверхность катода и детали одинаковой формы и располагать их параллельно. В процессе распыления можно вращать
и перемещать катоды и подложку, а также использовать различные маски. Естественно, все это затрудняет изготовление ­покрытий
с одинаковой толщиной по всей поверхности.
Методом реактивного катодного распыления можно наносить
слои из смесей двух и более окислов. Для этого используют мозаичные катоды, составленные из различных материалов или из сплавов. Преимущественное испарение одного металла достигается выбором режима. Лучшие результаты дает использование двух катодов, расположенных на расстоянии друг от друга. Мишень в этом
случае перемещается от одного катода к другому. Для напыления
таких пленок, как Si, SiO, SiO2, достаточно одного катода из кремния и смены состава остаточного газа (Ar; Ar + O2) и режимов напыления.
Контроль толщины напыляемых слоев проводится по времени
распыления или спектрофотометрическими методами. Однако их
использование затруднено вследствие того, что катод непрозрачен
и расположен вблизи анода. Реально возможен контроль по отражению при достаточно больших углах падения.
Катодным распылением получают просветляющие, зеркальные
и светоделительные покрытия преимущественно в ультрафиолетовой и видимой областях спектра. Одной из причин, ограничивающих изготовление покрытий для инфракрасной области, для которой требуются сравнительно более толстые слои, являются малая
скорость осаждения пленок и соответственно большие временные
затраты. Так, например, для ионно-плазменного осаждения слоя
диэлектрика толщиной 1–2 мкм потребуется несколько часов.
Преимущество метода катодного испарения заключается в возможности получения пленок из тугоплавких окислов металлов
40
с высокой механической и химической стойкостью покрытий, хорошей адгезией пленок. В частности, пленки нитрида титана используются как упрочняющие покрытия на режущих инструментах
и протезах. К недостаткам следует отнести трудность изготовления
катодов большого размера, соответственно трудность изготовления
покрытия на больших деталях, затруднение контроля толщины пленок в процессе их изготовления, малую скорость осаждения пленок.
2.2. Экспериментальное оборудование для изготовления
оптических пленок методами термического напыления
Методы термического (резистивного и электронно-лучевого) испарения широко используются для создания оптических покрытий. Основное достоинство методов – их универсальность. На однотипном вакуумном оборудовании имеется возможность получать
однородные слои металлов, сплавов, полупроводников и диэлектриков различной толщины. Вакуумное оборудование, а также основные технологические подходы, которые используются при термическом осаждении тонких пленок, представлены в ряде работ
[10–13].
При термическом испарении пленкообразующее вещество нагревается в вакуумной камере до температуры, при которой происходит его интенсивное испарение в условиях высокого вакуума.
Это соответствует давлению насыщенных паров около 1 Па. Обычно температуру, при которой давление насыщенных паров составляет 1,33 Па, называют условной температурой Тр. Испаряемое вещество оседает на подложках и создает оптическую пленку.
Для образования качественной пленки молекулы испаряемого
вещества должны распространяться прямолинейно, т. е. не испытывать соударений с молекулами остаточных газов в вакууме и не
рассеиваться. Средняя длина свободного пробега молекулы с остаточным газом Lср определяется по кинетической теории газов. При
давлении 10–2 Па она равна 900 мм. Величина Lср должна быть намного больше расстояния от испарителя до подложек.
На практике давление 10–2 Па можно использовать в камерах с размерами около 150–200 мм. Для больших камер с линейными размерами 500–700 мм это давление не должно превышать
(3–5) ·10–3 Па. Но даже при этом давлении значительная часть молекул испаряемых веществ рассеивается и оседает на стенках и дне
камеры. При длительной работе на стенки и дно камеры напыляет41
ся слой пленкообразующих веществ, который обладает повышенным газоотделением, что приводит к увеличению времени откачки камеры до требуемого давления, и ее необходимо периодически
подвергать чистке.
Для упрощения процесса очистки хороший результат дает использование экранов и фальшь-панелей из нержавеющей стали.
Эти экраны устанавливают вблизи дна и стенок вакуумной камеры. Их периодически очищают травлением в азотной кислоте. Вместе с тем такие экраны можно рекомендовать оборачивать тонкой
фольгой из алюминия толщиной 10–30 мкм и удалять ее после нескольких напылений. При отсутствии экранов их можно заменить
более толстой фольгой из алюминия. На практике все это существенно снижает необходимость периодической чистки камеры, однако увеличение площади внутренней поверхности камеры приводит к возрастанию газоотделения, что увеличивает время достижения необходимого вакуума.
Остаточные газы соударяются с подложкой во время напыления
пленки и остаются в ней. При давлении 10–2 Па частота столкновений остаточных газов с подложкой соответствует осаждению пленкообразующего вещества со скоростью 0,001 нм/с. Естественно, что
этот процесс увеличивает пористость пленки и снижает ее механические характеристики. Так, при давлении 1 Па осаждаемые пленки настолько пористы, что стираются ватным тампоном.
Вакуумные установки для получения покрытий термическим
испарением можно разделить на стандартные, улучшенные и сверхвысоковакуумные. Установки стандартного типа имеют непрогреваемый (или прогреваемый водой до 80–90 °С) металлический или
стеклянный колпак. Заданный вакуум получают с помощью паромасляного диффузионного насоса, снабженного маслоотражателем и водяной и(или) азотной ловушками. Разборные соединения
в установках выполняются с использованием вакуумной резины.
К такому типу установок относятся, например, А‑700Р (фирмы
«Лейбольд–Хереус», ФРГ), ВА-550К, ВА-710 (фирмы «Бальцерс»,
Лихтенштейн), ВУ-1А, ВУ-2М, УРМЗ-279-011 (СССР, Россия) и др.
Отечественные высокопроизводительные установки типа
УРМЗ-279, ВУ-1А и ВУ-2М обеспечивают получение многослойных
покрытий разного назначения на деталях диаметром свыше 500 мм
методами резистивного и электронно-лучевого испарения. Другие
установки, используемые для резистивного напыления, принципиально мало отличаются от них.
42
Вакуумная установка термического испарения подобного типа (рис. 2.3) состоит из камеры, закрытой от окружающей атмосферы 12, рабочей плиты 18, откачивающей вакуумной системы,
подколпачного устройства для крепления напыляемых деталей
и их вращения, испарителей 5 и пульта управления работой узлов
и агрегатов установки. Для наблюдения за ходом процесса напыления в двери камеры имеется иллюминатор 7. Чаще всего он используется при электронно-лучевом испарении, когда необходимо следить за режимом работы электронно-лучевого испарителя.
При загрузке и выгрузке напыляемых деталей передняя дверь
в колпаке открывается. В ранних и более современных установках другого типа весь колпак поднимается гидравлическим цилиндром. В верхней части колпака установлены кварцевые лампы 9 с рефлекторами 8, обеспечивающие нагревание подложек до
температуры 50–320 °С перед напылением пленок, и осветитель 10
фотометрического устройства. Подогрев подложек улучшает адгезию и механическую прочность пленки. Место стыка колпака с рабочей плитой герметизируется резиновым уплотнением 17.
Система откачки воздуха состоит из форвакуумного насоса 2
предварительной откачки и диффузионного высоковакуумного насоса 22, системы клапанов, ловушек и трубопроводов. Для
разгерметизации колпака по окончании процесса служит краннатекатель 4. На установках ВУ-1А и ВУ-2М предварительный вакуум создается вакуумным агрегатом АВР-50 или АВР-60, в состав
которого входят форвакуумный механический насос и ротационный насос РУТСа.
Напыляемые подложки 13 и образец-свидетель 11 для контроля толщины пленки в процессе напыления устанавливают в отверстия приспособления 14. В установке находится оправа, позволяющая устанавливать до десяти сменных свидетелей. Для улучшения равномерности толщины пленки приспособление 14 вращается
с частотой до 100 об/мин на роликовых опорах. Привод вращения
приспособления осуществляется через конический ролик 16 и бесконтактную электромагнитную муфту 19, расположенную на рабочей плите установки.
Подколпачное сменное устройство предназначено для размещения и вращения оптических деталей в процессе нанесения покрытия. Оно содержат держатель подложек, обычно выполненный
в двух вариантах, куполообразный и плоский, а также держатель
контрольного образца, который может совершать одинарное вращение или быть неподвижным. Контрольный образец необходим
43
8
9
11
10
12
13
14
7
6
4
15
5
16
17
3
18
19
20
А
2
1
22
24
21
23
Рис. 2.3. Вакуумная установка термического испарения.
1 – форвакуумный затвор; 2 – форвакуумный насос; 3 – байпасный
клапан; 4 – кран-натекатель; 5 – испарители; 6 – заслонка;
7 – иллюминатор; 8 – рефлектор; 9 – кварцевая лампа;
10 – осветитель; 11 – образец-свидетель; 12 – камера;
13 – напыляемые подложки; 14 – держатель; 15 – высоковольтный
электрод; 16 – конический ролик; 17 – резиновое уплотнение;
18 – рабочая плита; 19 – электромагнитная муфта;
20 – сменные фильтры; 21 – приемник оптического излучения;
22 – диффузионный высоковакуумный насос; 23 – нагреватель;
24 – форвакуумный клапан
в том случае, когда контроль толщины слоя во время осаждения
осуществляется фотометрическим методом.
Улучшенные установки отличаются от стандартных наличием
вспомогательных средств откачки, например, гетероионных насосов. Разборные соединения чаще всего выполняются из эластомеров, обеспечивающих возможность прогрева. Сверхвысоковакуумные установки изготавливают цельнометаллическими, а разборные соединения – с применением медных или алюминиевых прокладок, что обеспечивает возможность их прогрева до 400–450 °С
44
с целью обезгаживания. Для получения безмасляного вакуума используют гетероионные, криогенные, сорбционные и другие насосы, а также их комбинации. Например, в сверхвысоковакуумной
установке Р11-450 фирмы «Лейбольд–Хереус» откачка рабочего
объема производится сорбционным, магнито-электроразрядным
и титановым насосами до давления 1,33–10–8 Па.
Технологический процесс нанесения оптических пленок требует
выполнения ряда операций в заданной последовательности. Обычно первой операцией при изготовлении покрытий служит очистка
подложки. Степень чистоты поверхности подложки является решающим фактором для выращивания и адгезии пленок. Только
на хорошо очищенной подложке возможно получение качественных покрытий с воспроизводимыми свойствами.
Непосредственно перед осаждением слоя используют очистку тлеющим разрядом. Тлеющий разряд обеспечивает нагревание
и десорбцию примесей, расщепляет органические молекулы с образованием летучих соединений, улучшает прочность сцепления напыляемых слоев и сокращает время откачки рабочего объема вакуумной установки.
В дополнение к приведенным методам очистки подложек можно
использовать ионное ассистирование.
Для изготовления оптических пленок термическим испарением
в вакууме необходимо наличие испарителя, который бы содержал
испаряемое вещество и поддерживал его при температуре, достаточной для испарения с необходимой скоростью, а также обеспечивал подвод необходимой энергии для нагревания. В зависимости от
способа подвода энергии различают резистивные и электронно-лучевые испарители.
Современные резистивные испарители можно классифицировать по разным свойствам, например, по диаграмме направленности и максимальной интенсивности потока молекул испаряемого вещества. Существуют также резистивные испарители прямого
или косвенного нагревания.
При резистивном испарении нагревание вещества происходит
джоулевой теплотой. Электрический ток пропускается либо непосредственно через испаритель, либо тигель нагревается внешним
накальным нагревателем, выполненным из тугоплавкой фольги
или проволоки. Наибольшее распространение на практике получили поверхностные лодочные и тигельные испарители прямого нагревания. В тиглях такого типа вещество помещают в лодочку, которая нагревается проходящим током. Подобные испарители отли45
а)
б)
в)
г)
д)
е)
ж)
з)
и)
Рис. 2.4. Типы поверхностных испарителей прямого нагревания
чаются дешевизной, простотой изготовления и удобством эксплуатации. Примеры испарителей приведены на рис. 2.4.
В общем случае эмиссионная характеристика испарителя описывается функцией вида
f (θ) =
q +1
cosq (θ),
2p
где θ – угол между нормалью к площадке, на которую происходит
осаждение слоя, и направлением площадка–испаритель; q – положительное число, характеризующее направленность диаграммы
испарителя. Точечному (изотропному) испарителю соответствует
q = 0, при q = 1 испаритель является поверхностным.
У поверхностных испарителей пространственное распределение
молекул подчиняется закону Кнудсена, который является газокинетической аналогией закона Ламберта для излучения. По закону Кнудсена интенсивность потока молекул (атомов) с поверхности
­испарителя пропорциональна косинусу угла между направлением
излучения и нормалью к поверхности.
Эмиссионная характеристика испарителя зависит от его конструкции и состояния испаряемого материала. Обычно индикатрису испарителя находят экспериментально для каждого его типа.
Для этого проводят напыление на тестовый образец, форма которого идентична форме рабочих подложек. Далее тем или иным методом исследуют распределение толщины слоя по поверхности тестового образца. Наиболее удобно в этом случае определять толщину
слоя в разных точках подложки по спектрофотометрическим изме46
рениям. Для этого выполняют тест-напыление узкополосного интерференционного фильтра типа интерферометра Фабри–Перо с резонансным слоем из материала, индикатрису испарения которого
хотят определить. По положению максимума пропускания фильтра находят распределение толщины резонансного слоя по поверхности подложки. Далее по известному набору геометрических параметров взаимного расположения подложки и испарителя, а также по применяемой схеме вращения подложек производят расчет
эмиссионной характеристики испарителя.
Материалом для проволочных и ленточных испарителей являются тугоплавкие металлы с высокими температурами плавления
и низким давлением паров. Наиболее широко применяются вольфрам, молибден и тантал. Температура плавления для этих металлов 3380, 2610 и 3000 °С соответственно.
Тигельные испарители (тигли) применяются в том случае, когда для нанесения слоев требуется большое количество материала
(см. рис. 2.4). Материал тигля выбирают с таким расчетом, чтобы
собственное давление его паров во время работы было пренебрежимо мало по сравнению с давлением испаряемого вещества. Часто это достигается путем дополнительного охлаждения тигля, который выполняется из материала с высокой теплопроводностью:
меди, вольфрама, графита и т. д.
Тигли для испарения могут быть изготовлены из металла, графита, стеклоуглерода (стеклографита), нитрида бора, тугоплавких
окислов. Тигли из молибдена используются, например, для испарения Сu, Аg, Аu. Для испарения веществ, которые активно вступают в реакцию с тугоплавкими металлами, применяют тигли, изготовленные по керамической технологии из окислов. Обычно это
тугоплавкие окислы ThO2, BeO, ZrO2, Al2O3, MgO, TiO2. Из керамических тиглей испаряют Sb, Аs, Вi, Те, Мn и другие элементы. Нагревание тиглей осуществляется благодаря тепловому излучению
раскаленной нити, выполненной из тугоплавкого металла.
По конструкции испарители тигельного типа делятся на открытые (обычно как на рис. 2.4) и замкнутые, дискретного действия,
конструкция которых сугубо индивидуальна. Существенным недостатком испарителей тигельного и поверхностного типа являются
потери испаряемого материала: пар из испарителя выходит и тогда,
когда заслонка закрыта, а осаждения слоя не происходит. От этого
недостатка свободны замкнутые испарители дискретного действия.
Пар из этих испарителей выходит только тогда, когда поднят затвор, и в это время производится осаждение материала на подлож47
ку. Инерционность подобных испарителей в 20–30 раз меньше, чем
у резистивных испарителей с экраном.
Широкое практическое распространение получили графитовые
тигли. Для изготовления таких испарителей применяется пиролитический графит, более твердый по сравнению с другими его марками. Из графитовых тиглей испаряют металлы, а также германий, кремний и другие полупроводники и полупроводниковые соединения.
Помимо указанных материалов, из которых изготавливаются
тигли, можно отметить также стеклоуглерод, нитрид бора и диборид титана. Стеклоуглерод (стеклографит) имеет блестящую поверхность и относительно низкую плотность, хорошо поддается
механической обработке и достаточно долговечен. В нашей стране выпускается стеклоуглерод марок СУ-2000 и СУ-2500 (номер
в обозначении марки указывает на предельную рабочую температуру). Из стеклографитовых тиглей рекомендуется испарять соединения фторидов, сульфидов, теллуридов, а также соединения
AIIIBV.
Нитрид бора (BN) – диэлектрический материал белого цвета,
легко обрабатывается механически. Применяется в качестве материала испарителей для получения пленок веществ с невысокой
температурой испарения. Максимальная рабочая температура тиглей из BN 1800 °С.
Подобно графиту и нитриду бора диборид титана TiB2 удобен для
обработки механическим инструментом. По сравнению с нитридом
бора TiB2 более твердый и плавится при температуре 2940 °С. Тигли из диборида титана применяют для испарения алюминия.
Для испарения тугоплавких металлов, окислов, диэлектриков
и других веществ широко применяют электронно-лучевые испарители. Для нагревания испаряемого материала в электронно-лучевом испарителе используется энергия сфокусированного пучка
ускоренных электронов (рис. 2.5).
Типовой электронно-лучевой испаритель состоит из трех основных узлов: источника электронов, системы отклонения, поворота и фокусировки (электромагнитной и электростатической) электронного пучка, водоохлаждаемого тигля, в который помещают испаряемый материал.
Источник электронов – электронная пушка – представляет собой диодную систему, содержащую катод 1, закрепленный в держателе с клеммами 2, пролетный анод 3, находящийся под потенциалом земли, и фокусирующий электрод 8. Катод изготовлен
48
7
5
6
8
5
4
1
2
3
Рис. 2.5. Электронно-лучевой испаритель УЭЛИ-1
в виде спирали из пяти витков вольфрамовой проволоки диаметром 0,6 мм. Отрицательное высокое напряжение (6 или 12 кВ) подается на накальный катод.
Система поворота, отклонения и электромагнитной фокусировки электронного пучка состоит из двух электромагнитных призм.
Призма 4 осуществляет поворот электронного пучка, сформированного электронной пушкой, на угол до 180°, направляя его в тигель
с испаряемым материалом, призма 6 позволяет перемещать пучок
в перпендикулярном направлении в пределах ±15 мм. Такое взаимное положение тигля и источника электронов обеспечивает сохранение удовлетворительных вакуумных условий в электронной
пушке при интенсивном испарении. Через патрубки 5 непрерывно циркулирует вода для охлаждения тигля 7. Размер сфокусированного пятна может варьироваться путем изменения положения
катода от 5–8 до 300 мм2. Минимальный размер пятна используется для испарения таких тугоплавких веществ, как оксиды (SiO2,
TiO2, ZrO2, Y2O3 и др.) при температурах выше 1500 °С, максимальный – для испарения материалов при температурах до 400–700 °С
(Те, PbTe, PbF2 и др.).
Метод электронно-лучевого испарения широко применяется для
получения оптических пленок в вакууме как при лабораторных
исследованиях, так и при промышленном изготовлении интерференционных покрытий. Основными достоинствами метода являются незначительное взаимодействие испаряемого материала с материалом водоохлаждаемого тигля, возможность испарения боль49
шого количества материала с большой скоростью, испарение тугоплавких материалов.
2.3. Методы контроля толщин пленок
Для получения высококачественных интерференционных покрытий с заранее заданными и воспроизводимыми параметрами
необходимо строго контролировать процесс осаждения. Если средства и методы контроля таких параметров, как температура, степень разрежения, чистота и однородность химического состава испаряемого материала, взаимное расположение испарителя и подложки, достаточно хорошо известны и обеспечивают необходимую
точность измерения, то определение толщины пленки в процессе ее
напыления представляет значительно более трудную задачу.
Существует множество методов измерения толщины пленок, основанных на разных физических принципах. Из наиболее употребительных методов можно отметить механические, электрические,
магнитные, гравиметрические, радиационные, оптические, радиочастотные (КИТ) и др. Наиболее распространенными методами являются радиочастотный и оптический.
Контроль изменения массы осаждаемого вещества может быть
осуществлен по уходу резонансной частоты кристаллической пластины, являющейся чувствительным элементом кварцевого измерителя толщины.
Датчики с кристаллическими резонаторами для измерения массы пленки имеют относительно простую конструкцию (рис. 2.6).
В качестве материала резонаторов используют кристаллический
кварц. Резонатор представляет собой тонкую пластинку кварца, по
обе стороны которой расположены электрические контакты. При
изготовлении кварцевого резонатора исходный монокристалл ориентируют специальным образом, для того чтобы свести к минимуму температурную зависимость резонансной частоты резонатора.
Этому требованию отвечает срез, плоскость которого составляет
угол от 35°10′ до 35°20′ с плоскостью СХ.
Кристаллы резонатора обычно представляют собой пластины
круглой или квадратной формы размером 10–15 мм. Пластины крепят держателями, позволяющими легко их снимать и устанавливать заново. Во избежание ухода резонансной частоты при изменении температуры резонатора температуру держателей поддерживают постоянной. Для этого их закрепляют на металлических
50
а)
Верхний
Изолированный электрод
опорный блок
Опора
для кристалла
и заземленный
электрод
б)
Пружина
Тепловой экран
и отверстие
Кварцевая
пластинка
S = 13×13 мм2
Ввод
Уплотнитель
Витки
охлаждающих
труб
Медный
блок
Коммуникация
для охлаждения
водой
Отверстие Кварцевая
пластинка
d = 6 мм
d = 14 мм
Рис. 2.6. Кварцевый датчик
трубках небольшого диаметра, по которым циркулирует вода. Кроме того, температурный дрейф частоты колебаний датчика может
быть учтен программными средствами при условии измерения температуры кристалла резонатора.
Рабочую частоту резонатора обычно выбирают в пределах
5–6 МГц. По мере увеличения толщины слоя резонансная частота
уменьшается. При достижении им предельной толщины (при частоте ≈ 4 МГц) генерация колебаний срывается, и кристалл резонатора приходится менять на новый. Удаление осажденного слоя
удобнее всего осуществлять химическим способом. В случае если
пленки образуются из нерастворимых и химически устойчивых веществ, перед их осаждением рекомендуется напылить на чистую
пластину резонатора тонкий слой алюминия, после чего такая
пленка легко удаляется раствором щелочи.
51
Датчики с кварцевым резонатором являются измерителями массы осажденного вещества, поэтому для определения толщины слоя
необходимо знать площадь поверхности резонаторной пластины, на
которую осаждается пленка, а также плотность самого осаждаемого слоя. Если площадь поверхности под осаждаемым слоем постоянна, то плотность зависит от условий его получения, в первую очередь, от остаточного давления в вакуумной камере и температуры
кристалла. Причем температура кристалла датчика, как правило,
отличается от температуры подложки. Различие температуры подложки и резонатора датчика приводит не только к различию коэффициентов прилипания молекул испаряемого вещества, но и к различию оптических свойств слоев.
Рассмотрим еще один метод регистрации, оптический, на основе
промышленной установки СФКТ-751.
В оптическую схему (рис. 2.7, а) комплекса при контроле по пропусканию входят оптические схемы верхнего и нижнего блоков пропускания, элементы вакуумной установки и схема монохроматора.
а)
1
2
б)
3
17
4
17
4
16
16
4´
15
5
6
14
12
4´
15
78 9
22
18
3
21
6
13
20
11
19
10
Рис. 2.7. Оптическая схема комплекса СФКТ-751В при контроле
на пропускание (а) и отражение (б)
52
Лучистый поток от лампы накаливания 3 падает на сферическое зеркало 1, затем – на плоское зеркало 2, которое создает изображение нити лампы в плоскости контрольного образца 16, расположенного внутри вакуумной камеры. Излучение проходит через
защитные стекла 17 (входное окно) и 15 (выходное окно) вакуумной
камеры, падает на линзу 14 нижнего блока пропускания, откуда
плоским зеркалом 13 через защитное окно 12 направляется на линзу 11, формирующую изображение нити лампы на входной щели 6
монохроматора, построенного по схеме Литтрова.
Пройдя входную щель монохроматора, излучение падает на внеосевое параболоидное зеркало 9 и отклоняется им на плоскую дифракционную решетку 10. Дифрагированное излучение от решетки
снова попадает на параболоидное зеркало 9 и фокусируется на выходной щели 7, на которую направляется плоским зеркалом 8.
После выходной щели излучение попадает на катод фотоумножителя, который помещается сразу за выходной щелью. Для устранения мешающего излучения используются отрезающие фильтры 5, которые располагаются перед входной щелью 6.
В комплексе предусмотрена возможность контроля оптических
толщин пленок по пропусканию боковых образцов. В этом случае
блоки пропускания, верхний и нижний, смещаются на 55–100 мм
таким образом, чтобы оптическая ось зеркала 2 прошла через защитные стекла 4 и 4′. При этом часть нижнего блока пропускания,
содержащая линзы 14 и 11, зеркало 13 и защитное окно 12, смещается на такое же расстояние.
В схему комплекса (рис. 2.7, б) при контроле по отражению входят оптическая схема блока отражения, элементы вакуумной установки и монохроматора. В этом случае источник излучения стыкуется с блоком отражения.
Излучение от лампы накаливания 3, помещенной в источнике
излучения, направляется плоским зеркалом 21 на линзу 22, которая формирует изображение нити лампы в плоскости образца 16.
Отраженное от образца излучение попадает на линзу 18, которая
вместе с плоским зеркалом 20 и линзой 19 создает изображение нити лампы на входной щели монохроматора. Элементы 19–21 оптической схемы входят в блок отражения. Далее излучение попадает
в монохроматор и приемник излучения.
При измерении толщины осаждаемой пленки описанным методом за исключением случая сквозного фотометрирования основной
тонкостью является то, что определение толщины осуществляется
на контрольном образце, в то время как необходимо контролиро53
вать толщину на подложке. Так как испаритель обладает определенной диаграммой направленности, толщина пленки, осаждаемой
на контрольный образец, отличается от толщины пленки, напыляемой на подложку. Причем следует отметить, что каждый материал и каждый испаритель имеет свою диаграмму направленности.
Для вычисления коэффициента Кдиагр, связанного с диаграммой
направленности, для каждого испарителя обычно выполняют калибровочное напыление и находят разность толщин пленок, осажденных на свидетель и подложку.
2.4. Пленкообразующие материалы для оптических пленок
Для реализации интерференционных покрытий требуются оптические пленки с разными коэффициентами преломления и минимальными оптическими потерями в требуемой области спектра.
Основными критериями качества диэлектрических пленочных
материалов являются прозрачность, показатель преломления, однородность, плотность, адгезия, твердость, механические напряжения, устойчивость к воздействию окружающей среды.
Световые потери – поглощение и рассеяние – в диэлектрических
пленках, используемых для интерференционных покрытий, должны быть минимальными. Для большинства многослойных покрытий показатель поглощения k составляющих слоев не должен превышать 1·10–3. Для покрытий силовой оптики и резонансных слоев узкополосных интерференционных фильтров его значение не
должно превышать 1·10–4.
Оптические свойства пленок сильно зависят от способа получения, технологических режимов – температуры подложки, скорости
осаждения, остаточного давления в вакуумной камере, используемых при их изготовлении пленкообразующих материалов, и отличаются от оптических констант исходных веществ. Поэтому для
успешного синтеза любого оптического покрытия с достаточной
степенью точности должны быть определены оптические характеристики получаемых на практике тонких пленок.
Под оптическими характеристиками понимаются спектральные
зависимости показателя преломления n(λ) и показателя поглощения k(λ). Здесь n(λ) и k(λ) являются действительной и мнимой частями комплексного показателя преломления n (λ) = n(λ) - ik(λ) соответственно.
54
Для корректного синтеза интерференционных покрытий необходимо достаточно точно знать спектральную зависимость показателей преломления и поглощения пленкообразующих веществ.
В связи с этим возникает проблема создания базы данных по оптическим константам тонких пленок, которая может быть заложена
также и в программу расчета покрытий с требуемыми спектральными характеристиками.
Наиболее полный список веществ, которые могут быть использованы в качестве пленкообразующих, содержит более 200 названий. Реально в видимой области спектра широко используется около 20 типов диэлектрических пленок. Примерно такое же их число
используется и в инфракрасной области спектра.
Большую часть интерференционных покрытий можно реализовать, применяя для покрытия лишь два материала: один с высоким показателем преломления, а другой – с низким. Чем больше
различаются показатели преломления, тем легче производить расчет. Тем не менее, лишь оперируя набором пленкообразующих веществ с разными значениями показателя преломления в заданной
области спектра, при проектировании оптических покрытий можно в полной мере реализовать многообразие их оптических свойств.
Поэтому при исследовании тонких пленок наибольшие усилия, несомненно, затрачиваются на поиски новых материалов, разработку
технологии их получения и методов напыления.
Для определения оптических констант тонких пленок на практике используется широкий спектр методов. Среди них такие,
как поляриметрические, спектрофотометрический, волноводный,
а также методы, основанные на измерении предельного угла, калориметрические методы.
Наиболее широкое распространение получил спектрофотометрический метод. Причиной послужило то обстоятельство, что данный метод позволяет проводить исследования в широком спектральном диапазоне и не требует создания оригинального измерительного оборудования.
Оптические свойства пленок определяются условиями их получения и зачастую отличаются от известных справочных данных,
приведенных для монокристаллов или массивных образцов. Кроме того, в силу специфики работы достаточно сложного по технической организации вакуумного оборудования для одних и тех же
исходных веществ свойства их пленок, полученных вакуумным
осаждением при, казалось бы, сходных условиях на разных установках, могут существенно различаться. Причиной этого могут
55
0,2
0,5
1,0
2,0
5,0
5,50
2,55
2,90
2,90
2,55
2,35
2,33
2,55
2,15
2,05
1,89
1,72
1,98
1,65
1,55
1,61
1,55
1,51
1,40
1,35
0,2
0,5
GeTe
3,50
Ge
4,05
As 2 S 3
As 2 Se 3
Sb2 S 3
ZnSe
ZnS
CeO2
TiO2
HfO2
ZrO2
Y2O3
SiO
PbF2
CeF3
ThF4
YF3
BaF2
SrF3
MgF2
NaF
1,0
2,0
10,0
20,0 мкм
PbTe
5,20
3,40
3,98
2,35
2,65
2,60
2,37
2,10
2,20
2,20
1,90
1,98
1,67
1,63
1,61
1,51
5,0
1,37
1,33
1,32
1,30
1,31
1,25
10,0
20,0 мкм
Рис. 2.8. Область прозрачности и показатели преломления пленок
быть, к примеру, погрешности при измерении таких технологических параметров, как остаточное давление в рабочей камере, температура подложки, скорость осаждения. На свойства покрытий влияют также и средства получения вакуума. Так, например, почти
неизбежно загрязнение рабочего объема парами вакуумного масла
при использовании высоковакуумных паромасляных насосов.
Наиболее важными характеристиками пленок являются область прозрачности и показатель их преломления в этой области.
Приведенные на рис. 2.8 результаты относятся к пленкам, полученным резистивным и электронно-лучевым испарением в типичных условиях, т. е. при температуре подложек около 50–150 °С.
Верхний предел температуры подложек, как правило, определяется температурой испарения пленкообразующего вещества.
56
Чем температура выше, тем больше можно нагревать подложку во время напыления. Максимальное нагревание подложек
(до 350 °С) применяется для получения плотных пленок оксидов. Поглощение внутри покрытия, как и поглощение в подложке, может быть использовано для получения требуемой характеристики светофильтра. Например, поглощение излучения с длиной волны короче 1,3 мкм в пленках германия устраняет необходимость блокирования видимой области в том случае, когда подложкой служит кварц. Поглощение в кварце (длиннее 4,5 мкм)
или сапфире (длиннее 6,5 мкм) блокирует длинноволновую область
спектра.
Данные о физических свойствах пленок приведены в табл. 2.1.
В этой же таблице указаны способы испарения материалов. Электронно-лучевое испарение (ЭЛИ) предпочтительнее испарения из
лодочек или тиглей с прямым нагреванием, так как позволяет получить более чистые пленки. При столкновении напыляемого вещества и подложки большая часть кинетической энергии превращается в тепловую, и при этом могут быть получены температуры
выше 3000 °С. Тигель непрерывно охлаждается водой, следовательно, взаимодействие между испаряемым веществом и материалом
тигля практически отсутствует.
Кроме того, при электронно-лучевом испарении на подложку попадает поток как нейтральных частиц, так и ионов испаряемого вещества. Таким образом косвенно реализуется метод ионного ассистирования, в котором одновременно с потоком атомов на подложку подается поток ионов с энергией выше тепловой. Дополнительная бомбардировка ионами поверхности увеличивает адгезию пленок к подложке и между собой и плотность пленок.
В табл. 2.1 приведен материал, из которого может быть испарено вещество. В этой таблице указана также относительная плотность q для фиксированной температуры, которая определяется
отношением плотности пленки rf к плотности массивного образца rm. Такая плотность (коэффициент упаковки, коэффициент заполнения) связана с показателем преломления массивного образца
и пленки соотношением
2
nf2 -1 nm
+2
q=
= 2
× 2
,
rm nf + 2 nm -1
rf
(2.1)
где nf и nm – показатели преломления пленки и массивного образца
соответственно.
57
Таблица 2.1
Физические свойства оптических пленок
ρf,
Материал г/см3
Растворимость
в воде при 20 °С,
г/100 см3
Тпл, °С
Тусл*,
°С
Метод
нанесения
Относи- Т
подл,
тельная
плотность q °С
PbTe
8,2
Малорастворим
917
800
Мо
–
–
GeTe
–
Не растворяется
–
–
Ta, Mo
≥0,99
100
Ge
940
1400
ЭЛИ
≥0,97
250
1,7 · 10–3
200
200
Ta, Mo
1
50
Ta, Mo
1
50
5,4 Не растворяется
As2S3
3,2
As2Se3
–
1,5 · 10–3
при 100 °С
200
200
Sb2S3
4,1
–
550
550
Ta, Mo
≥0,99
100
ZnSe
5,4 Не растворяется 1526
850
Ta, Mo,
ЭЛИ
1
100
ZnS
4,8
970
Ta, Mo,
ЭЛИ
≥ 0,85
≥ 0,95
25
150
CeO2
7,13 Малорастворим 1950
1850
ЭЛИ
> 0,90
250
TiO2
4,17 Малорастворим 1870
1700
ЭЛИ
> 0,90
250
при 100 °С
6,5 · 10–5
1850
HfO2
–
Малорастворим 2770
2100
ЭЛИ
–
–
ZrO2
5,9
Малорастворим 2700
2000
ЭЛИ
0,67
≥ 0,82
25
200
ThO2
–
ЭЛИ
–
–
Y2O3
4,84 Не растворяется 2410
–
2400
ЭЛИ
≥ 0,95
350
SiO
2,1 Не растворяется 1705
1100
Ta, W,
ЭЛИ
≥ 0,95
250
750
Pt, C, ЭЛИ
≥ 0,97
150
PbF2
8,2
Малорастворим
6,4 · 10–2
–
855
CeF3
6,2
Малорастворим 1460
1250 Ta, W, ЭЛИ
ThF4
6,3
Малорастворим 1110
950
Ta, Mo
–
Ta, W, ЭЛИ
0,80
25
≥ 0,94
150
YF3
–
Малорастворим
–
–
–
BaF2
4,83
0,17
1280
1130 Ta, W, ЭЛИ
0,82
25
СaF2
3,18
1,7 · 10–3
1360
1200
Ta, W
0,75
25
Ta, W
SrF3
4,24
0,011
1190
1100
0,7
25
MgF2
3,1
7,6 · 10–3
1263
1150 Ta, W, ЭЛИ
0,7
≥ 0,95
25
300
NaF
2,85
4,22
988
850
≥ 0,95
70
*Т
усл
58
Pt, C, ЭЛИ
– приблизительная температура испарения.
Используя формулу (2.1) и значение q для фиксированной температуры подложки из табл. 2.1, можно определить значение коэффициента преломления пленки при известном значении коэффициента преломления монокристалла. Такую же простую связь между
одним параметром при напылении и спектром поглощения найти
не удается.
Халькогениды на основе сульфидов, селенидов и теллуридов
ZnS, ZnSe, Аs2S3, As2Se3, PbSe, PbTe, GeTe, а также фториды ВаF2,
РbF2, SrF2, YF3 являются перспективными пленкообразующими
материалами для изготовления интерференционных покрытий
разного назначения в видимом и ИК-диапазонах спектра. Некоторые оксидные пленки типа SiO, TiO2, Y2O3, Hf02, ZrO2 применяются также в ИК-диапазоне вплоть до 10–13 мкм. По литературным
данным, особенно успешным является применение этих оксидных материалов при совместной ионной бомбардировке инертными
газами.
Контрольные вопросы
1. Какие существуют методы изготовления интерференционных
покрытий?
2. В чем заключается суть метода термического катодного испарения?
3. Каковы особенности методов магнетронного и триодного распыления?
4. Какие материалы используются для изготовления испарителей?
5. Каковы особенности устройства и применения электронно-лучевого испарителя?
6. Какие способы применяются наиболее часто для измерения
толщин пленок?
7. Какие требования предъявляются к пленкообразующим материалам?
8. От чего зависят свойства синтезируемых оптических пленочных покрытий?
59
3. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ
3.1. Модель расчета интерференционных покрытий
Разработка и изготовление интерференционных покрытий [2–4,
10, 13, 17, 18] состоят из нескольких этапов. На первом этапе сначала формулируют требования, предъявляемые к покрытию. Далее
выбирают его структуру, определяют число слоев, их параметры,
оценивают устойчивость покрытия к ошибкам параметров слоев
при напылении, наконец, вырабатывают технологические рекомендации по изготовлению данного типа покрытия. Второй этап включает в себя собственно изготовление покрытий: отработку технологии изготовления, конструирование покрытия, его реализацию на
конкретной установке. Наконец, на последнем этапе проводят исследование покрытия, определение спектральных характеристик,
механической прочности, влагостойкости, лучевой стойкости и т. д.
Требования к оптическим характеристикам покрытий определяются характером их применения. Для покрытий силовой оптики
наиболее существенным становится требование минимизации оптических потерь и лучевой стойкости. В ряде случаев для удовлетворения этих требований снижаются требования к спектральным
и эксплуатационным характеристикам.
Выбор структуры покрытия и последующее нахождение параметров слоев определяют задачу конструирования. Ее обычно делят
на две. Первая задача – задача анализа покрытий [3, 4] – заключается в расчете спектральных характеристик покрытия по известной его структуре. Устанавливаются спектры отражения, пропускания и поглощения, фазовые набеги при отражении и пропускании. Эта задача решена в аналитическом виде вплоть до трехслойных покрытий. В принципе она может быть решена аналитически
и для покрытий из большего числа слоев, но в этом случае решения
настолько громоздки, что не представляют ценности, и их обычно
получают численными методами с использованием компьютера.
Задача нахождения структуры покрытия по заданным спектральным характеристикам – задача синтеза покрытий – является
обратной по отношению к задаче анализа. Разработаны аналитический и численный подходы к ее решению. Компьютерные методы
синтеза основаны на введении некоторой функции качества, которая численно оценивает отклонение аппроксимирующей функции
от заданной. Минимальному значению показателя качества соответствует полученное решение.
60
На заключительном этапе конструирования покрытий исследуется влияние на спектральные и фазовые характеристики различных
дестабилизирующих факторов, связанных с особенностями технологических приемов и методов нанесения покрытий. Обычно эта
часть работы также решается компьютерными методами расчета.
Особенностью конструирования покрытий силовой оптики является использование введенного в параметры слоя поглощения
[3, 17]. Его вводят посредством мнимой части комплексного показателя преломления. Введение поглощения переводит решение задач
анализа и синтеза в общем случае на новую качественную ступень.
В литературе практически не существует работ по решению задач синтеза поглощающих покрытий. В аналитическом виде решение задач анализа поглощающих покрытий имеется только для покрытий из четвертьволновых пленок.
Теория расчета спектральных характеристик многослойных
покрытий основывается на электромагнитной теории Максвелла
[1, 3, 10, 17]. Данная теория хотя и не вполне свободна от неопределенностей, но обеспечивает учет интерференционных и поляризационных эффектов в многослойных покрытиях всех типов.
Определение отражения, пропускания и поглощения многослойного пленочного покрытия, с позиции электромагнитной теории,
сводится к решению граничной задачи. Она заключается в нахождении стационарных амплитуд векторов напряженности электрического и магнитного полей на границах многослойного покрытия при
падении световой волны с определенными характеристиками. Все
энергетические соотношения и фазовые изменения в итоге выражаются через векторы поля.
Электромагнитное излучение, распространяющееся в среде, характеризуется амплитудой колебаний электрического Е или магнитного Н вектора напряженности поля излучения, частотой излучения, состоянием поляризации и направлением распространения,
определяемым волновым вектором k. Относительно падающего на
покрытие излучения делается предположение, что оно описывается плоской линейно поляризованной монохроматической волной
с фронтом бесконечной ширины. Уравнение плоской монохроматической волны в изотропной среде имеет вид
é æ
kr öù
E = E0 exp ê iwççt - n ÷÷÷ú ,
êë è
c øúû
где t – время; r – радиус-вектор; w – круговая частота; с – скорость
света в вакууме; i – мнимая единица; k – волновой вектор (не путать с коэффициентом экстинкции!).
61
Величину n~ = n – ik, описывающую оптические свойства среды,
называют комплексным показателем преломления. Его вещественная часть n – показатель преломления – равна отношению скорости распространения света в вакууме и данной среде, а мнимая
часть k – показатель экстинкции (поглощения) – характеризует
уменьшение интенсивности излучения в среде в результате поглощения. Иногда комплексный показатель преломления записывают
~
как n = n(1 - ik), и тогда величину k называют показателем затухания.
Интенсивность светового потока I, распространяющегося в среде, пропорциональна |E0|2 и согласно закону Бугера–Ламберта–
Бэра после прохождения слоя вещества толщиной l связана с начальным значением интенсивности I0 следующим образом:
æ pkl ÷ö
I = I0 exp(-al) = I0 expçç-4
÷,
çè
λ ÷ø
0
где l0 – длина волны излучения в вакууме; a = 4pk/l0 – натуральный показатель поглощения среды.
Величина A = (I0 – I)/I0, представляющая собой отношение потока излучения, поглощенного телом, к падающему на него потоку,
называется поглощением.
На рис. 3.1 схематически изображено многослойное пленочное
покрытие, состоящее из m слоев, к которым с обеих сторон примыкают полубесконечные среды. Слои пронумерованы сверху вниз
в направлении распространения световой волны.
Математически многослойные оптические системы описываются системой, состоящей из конечного числа слоев с разными комплексными показателями преломления
n j = nj - ikj , j = 1, 2, …, m + 1,
и толщиной lj, сравнимой с длиной световой волны. Здесь nj – показатель преломления, а kj – показатель поглощения j-го слоя.
Величина kj может быть равна нулю, если поглощение в слое отсутствует. Обычно предполагается, что слои системы являются однородными, изотропными и имеют строго параллельные границы
и бесконечную протяженность. Окаймляющие среды также считаются однородными и изотропными.
На практике падающий свет неидеально монохроматичен и коллимирован, и существуют небольшие локальные вариации толщины пленок и подложек. Подложка не всегда ведет себя как элемент многослойной системы, свойства которого зависят от длины
62
N0 = n0
0
N1 = n 1+ ik1
l1
1
N2 = n2 + ik2
l2
2
..
.
..
.
Nj = nj + ikj
lj
j
..
.
..
.
m −1
Nm = nm + ikm
j−1
lm
m
Nm +1 = n m +1 + ikm + 1
Рис. 3.1. Схема многослойной пленочной системы
волны. При решении некоторых математически более простых задач (анализ однослойных, а не синтез многослойных интерференционных покрытий) можно учесть дисперсию ее показателя преломления, а также влияние второй отражающей поверхности подложки на коэффициенты отражения и прозрачности многослойной
системы.
При прохождении света через границу раздела двух прозрачных
сред падающий луч разделяется на отраженный обратно в первую
среду и преломленный во вторую (см. рис. 3.1). Часть света поглощается. Если интенсивность световых потоков обозначим соответственно через I, R и Т, то будем иметь
I = R + T + A.
Поглощение А зависит от расстояния, пройденного светом в среде, и непостоянно. В том случае, когда поглощение не равно нулю,
оно определяется мнимой частью комплексного коэффициента преломления среды n j = nj - ikj . В этом случае во всех последующих
формулах вместо действительного значения показателя n преломления используется показатель n .
Состояние поляризации отраженного и преломленного света
зависит от состояния поляризации падающего излучения. Обо63
значим амплитуду падающего света Ее. Для удобства рассмотрения различных явлений ее удобно разложить на составляющие:
Ер‑компоненту, лежащую в плоскости падения, и Es‑компоненту,
лежащую в плоскости, перпендикулярной к ней. Будем называть
их s- и p-компонентами. Тогда интенсивность
I = Ee2 = E2p + Es2 .
Введем следующие обозначения:
rs = Es Rs ,
rp = E p R p ,
ds = Es Ts
d p = Ep Tp ,
где rs и rp, ds и dp – коэффициенты Френеля, характеризующие ослабление амплитуд при отражении и прохождении света на границах раздела; Rs и Rp – коэффициенты отражения; Тs и Tр – коэффициенты пропускания s- и р-составляющих отраженного и проходящего света.
Соотношения между амплитудами и фазами падающей, отраженной и прошедшей волн определяются формулами Френеля [1–
3, 10, 17]
rs = Es Rs =
n1 cos j1 - n2 cos j2
,
n1 cos j1 + n2 cos j2
rp = E p R p =
n1 cos j2 - n2 cos j1
,
n1 cos j2 + n2 cos j1
ds = Es Rs =
2n1 cos j1
,
n1 cos j1 + n2 cos j2
d p = Ep R p =
(3.1)
2n1 cos j1
,
n1 cos j2 + n2 cos j1
где п1 и п2 – показатели преломления граничащих сред (см. рис. 3.1);
j1 – угол падения в первой среде; j2 – угол преломления во второй
среде.
Формулы Френеля (3.1) служат для расчета амплитуд и интенсивностей отраженного и проходящего света на плоской границе раздела двух диэлектриков. Они позволяют рассчитать амплитуды и интенсивность s- и р-составляющих при разных углах
падения.
64
При нормальном падении света амплитудные коэффициенты
равны
n
- nk
rk-1, k = k-1
,
n k-1 +nk
dk-1, k =
2nk-1
.
n k-1 +nk
Интенсивность света (коэффициент отражения), отраженного от
поверхности прозрачной среды (например, стекла с коэффициентом преломления n2), равна
R=
(1 - n2 )2
.
(1 + n2 )2
Коэффициенты Френеля позволяют проводить расчет интенсивности света, отраженного от поверхности или слоистой среды, при
нормальном и произвольных углах падения.
На основе данной математической модели возможно применение
различных методов описания и расчета оптических свойств многослойной системы. Мы рассмотрим два метода расчета – рекуррентный и матричный. Первый из них позволяет получить аналитические формулы спектров отражения и пропускания многослойных
покрытий, кроме того, он достаточно прост при использовании компьютерных методов. Матричный метод особенно удобен при синтезе покрытий компьютерными методами.
3.2. Рекуррентный метод
Рекуррентные методы основаны на классическом методе суммирования многократно отраженных лучей. Они обеспечивают
возможность решения многих практических вопросов с необходимой точностью, однако не обладают достаточной общностью, неудобны для расчета интерференции в поглощающих слоях. Кроме
того, число необходимых уравнений быстро увеличивается с возрастанием числа слоев. Для расчета отражения света от поверхности с 3-слойной пленкой составляется пять уравнений, с 11-слойной – 21 уравнение и т. д. [3, 10].
Далее излагаются основы рекуррентного метода синтеза покрытий, который был разработан одним из первых. Не умаляя общности изложения, проведем рассмотрение без детализации возможного поглощения в пленках.
65
Как уже отмечалось ранее, для учета поглощения действительный показатель преломления необходимо заменить комплексным.
При этом теряются наглядность и простота метода.
Рассмотрим отражение света в системе, состоящей из двух прозрачных сред с показателями преломления п1 и п3, разделенных
одним тонким слоем с показателем преломления п2. Предположим, что слой однородный, непоглощающий, изотропный, ограниченный параллельными плоскостями, толщина его h2 соизмерима
с длиной световой волны (рис. 3.2).
Плоская волна с амплитудой Е0 = 1 (интенсивность I = 1) падает
по нормали к поверхности границы раздела двух сред с показателями преломления п1 и п2, от которой частично отражается. Амплитуда отраженного луча I равна
r12 =
n1 - n2
.
n1 + n2
Луч II, вошедший в слой, отразившийся от второй границы
раздела и вышедший обратно в первую среду, имеет амплитуду
d12r23d21e-iΔ2 . Здесь δ12, r23, d21 – коэффициенты Френеля для двух
границ раздела. После двукратного прохождения слоя лучом II
между лучами I и II появляется разность хода, равная
Δ2 = 4pn2h2 / λ.
2
Луч III выходит в первую среду с амплитудой d12r23
d21r21e-2iΔ2 .
Аналогично определяют амплитуду лучей IV и т. д.
А =1
I
II
III
IV
n1
h2
n2
n3
1
2
3
Рис. 3.2. Отражение света в системе, состоящей из двух
прозрачных сред с показателями преломления п1 и п3,
разделенных одним тонким слоем с показателем преломления п2
66
Отметим, что на рис. 3.2 выход волн (I–IV) для наглядности условно показан разнесенным в пространстве. На самом деле предполагают, что вся система целиком освещена падающим однородным
пучком света с бесконечным фронтом. Поэтому амплитуду результирующей отраженной волны получают суммированием (интерференцией) бесконечного ряда I + II + III + IV + …
2
r13 = r12 + d12r23 d21e-iΔ2 + d12r23
d21r21e-2iΔ2 + ...
Очевидно, что указанный ряд, начиная со второго члена, представляет собой бесконечную убывающую прогрессию, где постоянный член
равен r23 (1 - r12 )2 e-iΔ2 , а знаменатель прогрессии r12r23 e-iΔ2 . После
суммирования геометрического ряда окончательно получаем
r13 = r12 +
r23 (1 - r12 )2 e-iΔ2
1 + r23r12e-iΔ2
+
r12 + r23eiΔ2
1 + ... + r23r 12 eiΔ2
.
Аналогичное суммирование бесконечного ряда лучей, прошедших в среду, дает амплитуду результирующей прошедшей волны δ13.
Бесконечно убывающая прогрессия со знаменателем r12r23 eiΔ2 дает
в результате суммирования амплитуду прошедшей волны
d13 =
d12d23e-iΔ2
1 + r23r12e-iΔ2
.
Если в среде присутствует поглощение, т. е. показатель преломления комплексный, то поглощение пленки А может быть найдено
из условия нормировки 1 = R + T + A .
Проиллюстрируем расчет на примере отражения от однослойной непоглощающей пленки. Поскольку рассматриваемая система
состоит из непоглощающих сред, ее показатели преломления вещественны, и для расчетов удобно пользоваться абсолютными значениями коэффициентов Френеля. Коэффициент отражения однослойной пленки R13 равен
R13 =
2
2
r12
+ r23
+ 2r12r23 cos(-Δ12 + Δ23 - 4pn2 h2 / λ)
2 2
1 + r12
r23 + 2r12r23 cos(Δ12 - Δ23 - 4pn2 / λ)
.
Формула рассчитана для случая отражения света по нормали с учетом многократных отражений от границ раздела. Характер отраженного света определяется интерференцией света в пленке и зависит от разности хода, которую вносит оптическая толщина пленки на пути лучей. Последняя будет отличаться для лучей
с разной длиной волны.
67
Анализ формулы показывает, что поскольку показатели преломления п1, п2 и п3 имеют постоянные значения, коэффициент
отражения R13 является периодической функцией с аргументом
Δ12 – Δ23 – 4πn2h2/λ, содержащим две переменные величины: оптическую толщину пленки п2h2 и длину волны λ. Поэтому изменение
R13 может быть следствием изменения оптической толщины пленки или длины волны падающего света.
Рассмотрим отражение на фиксированных длинах волн, когда длина волны λ постоянная, а оптическая толщина пленки п2h2
переменная (например, клиновидная пленка).
В отраженном монохроматическом свете в пленке переменной
толщины можно наблюдать ряд чередующихся темных и светлых
полос, имеющих окраску, соответствующую длине волны λ. Положение экстремальных значений R13 соответствует значениям оптической толщины пленки п2h2, кратным λ/4 падающего света:
п2h2 = kl/4, k = 1, 2, 3, …
(3.2)
Если п2 < п3 (показатель преломления пленки меньше, чем
у подложки), минимумы R13 будут соответствовать оптической толщине пленки, кратной нечетному числу λ/4, когда
п2h2 = (2k + 1)λ/4, k = 1, 2, 3, …
Положение максимумов будет соответствовать четному числу
λ/4, когда
п2h2 = 2kλ/4, k = 1, 2, 3, ...
Если n2 > п3 (показатель преломления пленки больше, чем
у подложки), имеет место обратное соотношение. Положение максимумов коэффициента отражения n13 соответствует оптической
толщине пленки, определяемой вторым рядом, а положение минимумов – первым.
Если свет содержит все длины волн и оптическая толщина пленки п2h2 постоянная, то в отраженном свете также наблюдается появление ряда максимумов и минимумов для длин волн
l = 4п2h2/k, k = 1, 2, 3, ...
(3.3)
Если п2 < n3, то первый и все последующие минимумы имеют
место при длинах волн
λ=
68
4n2h2
, k = 1, 2, 3,...
2k + 1
Максимумы располагаются в местах, соответствующих длинам
волн, определяемым рядом
4n2h2
, k = 1, 2, 3,...
2k
При п2 > п3 наблюдается обратное соотношение, и положение
первого и всех последующих максимумов определяется рядом (3.2),
в то время как положение минимумов – рядом (3.3).
Экстремальные значения коэффициента отражения R13 соответственно равны
λ=
R13 =
n22 - n32
n22 + n32
.
(3.4)
Выражение определяет минимальные значения R13 как для условия, когда λ постоянна, так и для условия, когда постоянна п2h2,
если п2 < п3. При этом выражение (3.4) характеризует максимальное значение коэффициента отражения, равное отражению от подложки при отсутствии слоя, каким бы ни был показатель преломления последнего.
На рис. 3.3 приведен пример спектра отражения однослойного
покрытия при разных значениях показателя преломления пленки. В качестве подложки выбран селенид цинка, в качестве пленок
с оптической толщиной λ/4 = 1 мкм – пленки германия, кремния,
фторида свинца и фторида натрия.
R, %
70
60
50
PbF2
40
Ge
30
20
10
0
Si
0,2 0,4
0,6 0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
NaF
→
1,8 2,0 λ, мкм
Рис. 3.3. Спектр отражения однослойного покрытия при разных
значениях показателя преломления пленки
69
Рассмотрим рекуррентный метод применительно к многослойным пленкам. Пусть система представляет собой прозрачную подложку с коэффициентом преломления nm, на поверхности которой
имеется пленка, состоящая из нескольких слоев с разной оптической толщиной и разными показателями преломления.
Рекуррентный метод основан на наглядном методе суммирования
многократно отраженных лучей, уже использованном для расчета отражения света от поверхности с однослойной пленкой. Метод суммирования многократно отраженных лучей хотя и не обладает достаточной общностью (например, он неудобен для расчета интерференции
в поглощающих слоях), однако вполне обеспечивает возможность решения многих практических вопросов с необходимой точностью.
Расчет коэффициентов Френеля r13 или δ13 производится как для
обычной однослойной пленки, находящейся между двумя средами
c иными показателями преломления. Затем поверхность с пленкой
заменяется некоторой эффективной поверхностью, характеризуемой рассчитанными коэффициентами r13 и δ13, играющими роль
френелевских коэффициентов r12 и δ12 для одной поверхности раздела. Этот прием повторяется до тех пор, пока не будет добавлен последний слой многослойного покрытия. Так, например, двухслойная пленка между двумя полубесконечными средами с показателями преломления n1 и n4 окончательно будет иметь всего две границы раздела п1/п3 и n3/n4, вместо трех п1/п2, п2/п3 и п3/п4.
3.3. Матричный метод
Матричный метод, применяемый для анализа и синтеза оптических фильтров, основывается на описании свойств многослойной пленочной системы с помощью характеристической матрицы [3, 13].
Пусть имеет место нормальное падение света. Решая граничную
задачу при нормальном падении электромагнитной волны, можно
получить матричное уравнение, связывающее полные тангенциальные составляющие векторов электрического и магнитного полей в j-х и (j – 1)-х слоях:
æ Ej-1 ö÷ æ cos Φ j
çç
÷ = çç
ççè Hj-1 ÷÷ø ççèiNj sin Φ j
(i / Nj )sin Φ j öæ
÷÷çç Ej ö÷÷ = M æçç Ej ö÷÷,
÷÷çç H ÷÷
÷
jç
cos Φ j
øè j ø
èç Hj ø÷
где Фj = 2πNj lj/λ – фазовая толщина j-го слоя.
70
(3.5)
Матрица Mj, имеющая размер 2×2, называется характеристической матрицей, или матрицей интерференции j-го слоя. Ее детерминант равен единице.
Выпишем последовательно соотношение (3.5) для всех слоев покрытия, начиная с m-го, и исключим значения амплитуд полей на
всех границах внутренних слоев последовательной подстановкой.
Тогда можно получить выражение, связывающее амплитуды электрического и магнитного полей на нулевой и m-й границах:
æ ö
æ
ö
æ
ö m
æ Em ÷ö
çç E0 ÷÷ = M M M M çç Em ÷÷ = M çç Em ÷÷ =
÷÷.
M j ççç
Õ
1 2 3
mç
sys
÷
÷
çè H0 ÷ø÷
ç
è Hm ø÷
è Hm ø÷
è Hm ø÷
(3.6)
j=1
Матрица Msys называется характеристической матрицей интерференционной системы. Из выражения (3.6) следует, что для определения характеристической матрицы системы необходимо перемножить матрицы отдельных слоев в последовательности, совпадающей с направлением распространения световой волны. Поскольку детерминант матрицы Msys равен произведению детерминантов
матриц отдельных слоев, он также равен единице. Это обстоятельство часто используется для контроля правильности вычисления
произведения матриц отдельных слоев.
Пусть mij – матричные элементы характеристической матрицы
многослойной системы. Тогда
æm11 m12 ö÷ æµ11 µ12 ö÷
÷÷ = çç
÷÷.
Msys = ççç
èm21 m22 ÷ø çèµ21 µ22 ø÷
При этом выражения для расчета амплитудных коэффициентов
отражения и пропускания плоской волны связаны с матричными
элементами соотношениями
r=
N0µ11 + iN0 Nm+1µ12 - iµ21 - Nm+1µ22
,
N0µ11 + iN0 + iµ21 + Nm+1µ22
t=
2N0
,
N0µ11 + iN0 Nm+1µ12 + iµ21 + Nm+1µ22
r=
t=
(m11 + Nm+1m12 ) N0 - (m21 + Nm+1m22 )
(m11 + Nm+1m12 ) N0 + (m21 + Nm+1m22
,
2N0
.
(m11 + Nm+1m12 ) N0 + (m21 + Nm+1m22 )
71
Энергетические коэффициенты отражения R и пропускания T
определяются выражениями
2
R= r ,
T= t
2
Re(Nm + 1)
.
N0
Из уравнений (3.5) и (3.6) следует, что многослойная система описывается матрицей, элементы которой не зависят от оптических параметров окружающих сред. Кроме того, изменение фазовой толщины Фj и показателя преломления Nj влияет только на матрицу j-го
слоя. При этом частные произведения остаются неизменными.
3.4. Основные типы интерференционных покрытий
Просветляющие покрытия. Просветление поверхностей элементов оптических систем [3, 10, 18, 19, 23] используют в двух случаях. Во-первых, если оптическая система состоит из элементов
с высокими показателями преломления или если число их велико
и потери света из-за отражения могут быть недопустимо большими. Во-вторых, если в плоскость изображения попадает свет, претерпевший многократное отражение от поверхностей элементов,
что приводит к уменьшению контрастности и четкости изображения.
Пропускание пластины (без учета интерференции проходящего
света) равно
T=
где Rs =
Ts2
1 - Rs2
=
1 - Rs
,
1 + Rs
1 - ns
; ns – показатель преломления подложки (рис. 3.4).
1 + ns
Для увеличения пропускания оптических деталей на их преломляющие поверхности наносятся просветляющие покрытия, которые уменьшают коэффициент отражения преломляющих поверхностей до 0,001 на одной длине волны и до 0,05 в широком спектральном диапазоне. Просветляющие оптические покрытия получают обычно в ИК-области спектра осаждением в вакууме.
В зависимости от конструктивных и эксплуатационных условий
работы детали выбирают конструкцию просветляющего покрытия
72
T, %
100
80
60
40
20
0
2
4
6
ns
Рис. 3.4. Зависимость пропускания плоскопараллельной
подложки от ее коэффициента преломления
(число и толщина слоев, составляющие покрытие материалы, способы их осаждения в вакууме). Наиболее дешевыми и простыми
в изготовлении являются однослойные четвертьволновые покрытия, минимальная отражательная способность которых при нормальном падении света определяется выражением
æ 2
ö2
çç n1 - n0ns ÷÷
Rmin = ç
÷ ,
çè n12 + n0ns ÷÷ø
где n0 – показатель преломления воздуха;
n1 – показатель преломления пленки с оптической толщиной
n1d1 = λ0/4;
ns – показатель преломления подложки;
λ0 – длина волны, при которой R = Rmin и производится контроль осаждения слоя;
d1 – геометрическая толщина пленки.
Минимальная отражательная способность R = 0 реализуется
при условии
 
n2 
1 = n0ns.
Применительно к оптическим материалам, прозрачным в инфракрасной области спектра, ns подложки изменяется от 1,40–1,45
(фторид бария, кальция) до 4 (германий). Показатель преломления
n1 должен иметь значение от 1,2 до 2,0. Пленкообразующих ве73
ществ, обладающих достаточной механической прочностью и стабильностью с показателем преломления меньше, чем 1,38 (на длине волны 1 мкм), не существует. Часто для однослойного просветления применяют пленки фтористого магния (MgF2, n = 1,38) на
сапфире с ns = 1,68 для λ0 = 4 мкм или фтористого свинца (PbF2,
n = 1,6) для λ0 =10 мкм на селениде цинка, которые дают нулевое
отражение для подложек с ns = 1,9 и ns = 2,6 соответственно.
Хотя однослойные покрытия удовлетворительны для ряда задач
и просты в изготовлении, они обладают некоторыми серьезными
ограничениями. Так, для крона наименьшее отражение с пленкой
фторида магния равно 1,33 %. Для веществ с большими показателями преломления можно реально получить и нулевое отражение.
Однако отражение весьма быстро возрастает при отклонении длины волны в ту или иную сторону. Даже небольшие ошибки в толщине пленки могут существенно снизить просветление на рабочей
длине волны. Эти трудности можно преодолеть, используя покрытия из нескольких (двух-трех) слоев.
Уменьшение отражательной способности материалов (до значений, близких к нулю в широкой области спектра, как в видимой,
УФ- и ближней ИК-областях спектра) достигается применением
многослойных просветляющих покрытий.
Наиболее часто используют двухслойные покрытия, состоящие
из следующих компонентов: Ge, Sb2S3, ZnS, ZnSe, PbF2, MgF2, ZrO2
и др. Оптическая толщина слоев этих материалов определяет положение спектральной кривой остаточного коэффициента отражения и зависит от значений показателей преломления слоев и подложки. Значения оптических толщин определяют в зависимости
от показателей преломления пленкообразующих материалов и подложки из условия R = 0 при λ = λ0, где λ0 – длина волны, на которой измеряется R для заданного спектрального интервала (обычно
R < 0,008).
Значение показателей преломления зависит от условий осаждения диэлектриков, т. е. значения остаточного давления в вакуумной камере, состава остаточных газов, изменения стехиометрического состава вещества во время осаждения слоя, скорости испарения, температуры подложки. Отклонение значений показателей
преломления и оптических толщин слоев вызывает отличия экспериментальной спектральной кривой от теоретической. Поскольку
в формировании покрытия участвует не один материал, число факторов, влияющих на отклонение спектральной кривой, увеличивается с увеличением числа слоев просветляющего покрытия. По74
этому при выборе конструкции такого покрытия желательно обходиться минимальным числом слоев.
Покрытия, состоящие из тугоплавких веществ (ZrO2, HfO2,
MgO, Ge, а также PbF2) изготавливаются методом электронно-лучевого испарения вещества в вакууме. Покрытия, содержащие
остальные элементы, могут изготавливаться также с помощью резистивного испарения. Режимы осаждения (температура подложки, остаточное давление в камере, скорость испарения) определяются технико-эксплуатационными условиями применения детали.
Режимы испарения (ток накала, эмиссии, ускоряющее напряжение) для электронно-лучевого испарения и ток накала для резистивного испарения выбираются в зависимости от пленкообразующего материала и типа испарителя.
Прежде чем рассматривать конкретные просветляющие диэлектрические системы, выведем несколько соотношений, полезных
для более подробного анализа.
Условие просветления означает равенство нулю энергетического
коэффициента отражения, т. е. R = 0. По определению R = r02, отсюда следует, что условие просветления может быть записано в виде r0 = 0. Амплитудный коэффициент отражения непоглощающей
системы слоев, выраженный через элементы матрицы интерференции, равен
r=
(n0m11 - nsm22 ) + i(n0nsm12 - m21 )
.
(n0m11 + nsm22 ) + i(n0nsm12 + m21 )
Нетрудно показать, что равенство нулю амплитудного коэффициента отражения выполняется, если одновременно равны нулю
действительная и мнимая части числителя.
Наиболее часто используются двухслойные покрытия, оптические толщины которых не равны друг другу.
Матрица интерференции, описывающая такие покрытия, имеет
вид [3]
é
ùé
ù
i
i
æ
ö ê
sin j1 ú ê cos j2
sin j2 ú
çç m11 im12 ÷÷ = ê cos j1
ú
ê
ú
n
n
,
1
2
úê
ú
çèim21 m22 ÷÷ø ê
ê in1 sin j1
cos j1 úû êë in2 sin j2
cos j2 úû
ë
где n1 – показатель преломления слоя, граничащего с воздухом;
j1 = 2p n1d1 λ – оптическая толщина слоя, граничащего с воздухом; n2 – показатель преломления слоя, прилегающего к подложке; j2 = 2p n2d2 λ – оптическая толщина слоя, прилегающего к подложке.
75
Значения элементов матрицы интерференции, выраженные через параметры слоев, равны
n2
sin j1 sin j2 ,
n1
1
1
m12 =
cos j1 sin j2 + sin j1 cos j2 ,
n2
n1
m21 = n1 sin j1 cos j2 + n2 cos j1 sin j2 ,
n
m22 = cos j1 cos j2 - 1 sin j1 sin j2 .
n2
m11 = cos j1 cos j2 -
Условие просветления после подстановки имеет вид
æ n0n2 nsn1 ö÷
÷sin j1 sin j2 = 0,
çè n1
n2 ø÷÷
æ n0ns
ö
æn n
ö
- n2 ÷÷÷cos j1 sin j2 + çç 0 s - n1 ÷÷÷sin j1 cos j2 = 0.
çç
÷ø
÷ø
çè n2
çè n1
(n0 - ns )cos j1 cos j2 - ççç
n2
→
Предположим, что некоторые пленкообразующие материалы выбраны в соответствии с требованиями к механической прочности,
химической стойкости и влагоустойчивости, т. е. известны возможные значения показателей преломления пленкообразующих
материалов n1 и n2. Задача определения конструкции просветляющего покрытия сводится к нахождению оптической толщины
пленкообразующих слоев. Подставляя известные (n0, ns, n1, n2, l0)
n2 = n1(ns/n0)0,5
(n0ns)0,5
n0 (n n )0,5
0 s
→
n1
Рис. 3.5. Диаграмма Шустера для определения соотношений
коэффициента преломления двойных пленок
76
и неизвестные (j1 и j2) величины, найдем оптические толщины
слоев n1d1, n2d2, определив предварительно j1 и j2. Здесь d1, d2 –
геометрическая толщина соответствующих слоев.
Полное просветление получают при выполнении условия
n2 = n1 ns n0 .
Для произвольных толщин условию просветления будут удовлетворять значения n1, n2, лежащие в заштрихованных областях
диаграммы (рис. 3.5). Эту диаграмму называют диаграммой Шустера по имени ее создателя. Она позволяет определить соотношение между коэффициентами преломления двухслойных пленок,
которые дают нулевое отражение на заданной длине волны. Если
решена задача с двухслойным просветляющим покрытием, у которого n0 < n1 < ns < n2, то расширение области просветления можно получить, вставив между двумя пленками третью с толщиной
λ0/2. Коэффициент преломления третьей пленки должен быть
больше, чем у каждой из двух первых. Его реальное значение можно подобрать, используя программы расчета спектров покрытий на
основе численных методов. В качестве примера на рис. 3.6 приведены рассчитанные спектры отражения покрытий трехслойных
пленок.
R, %
30
1
20
2
10
0
4
0,3
3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9 λ, мкм
Рис. 3.6. Рассчитанные спектры отражения трехслойного
просветляющего покрытия на стекле в видимой области.
1 – двухслойная пленка; 2 – трехслойная пленка с ZrO2;
3 – двухслойная пленка с ZnS; 4 – двухслойная пленка с ZnSe
77
Здесь в качестве первой и третьей пленки использованы четвертьволновые пленки из фторида свинца и фторида бария, а в качестве промежуточной полуволновой пленки – пленки из окиси
циркония, сульфида цинка, селенида цинка и кремния. Из рисунка видно, что по мере роста коэффициента преломления ширина
области просветления сначала расширяется, а затем снова сужается. Оптимальные по пропусканию и ширине области просветления
покрытия получают из окиси циркония с коэффициентом преломления 2 и сульфида цинка с коэффициентом преломления 2,15.
Дальнейшее расширение полосы просветления возможно при
исследовании системы пленок с уменьшающимся коэффициентом
преломления. Первая пленка имеет максимальный коэффициент
преломления, близкий, но меньше коэффициента преломления
подложки, а последняя – коэффициент преломления, максимально
близкий к единице.
Диэлектрические зеркала. Рассмотрим высокоотражающие покрытия из четвертьволновых пленок с коэффициентом отражения R. Как было показано в разделе 3.2, диэлектрическая пленка
толщиной h (показатель преломления nв), нанесенная на подложку
с показателем преломления n0(n0 < nв), увеличивает коэффициент
отражения, если nâ h = λ 4. Действительно, в этом случае на передней грани происходит скачок фазы волны на π, и такое же изменение фазы дает оптическая разность хода лучей.
На рис. 3.7 показано, как изменяется коэффициент отражения
R системы воздух (nн = 1) – пленка–стекло (n0 = 1,5) для излучения
с длиной волны λ в зависимости от оптической толщины пленки
nвh. В случае если пленка является четвертьволновой (nвh = qλ/4,
q = 1, 3, 5,...), для R получаем выражение
æ n n - n2 ö÷
ç
â ÷.
R = çç í 0
÷
çè nín0 + nâ2 ø÷÷
Максимальное значение коэффициента отражения системы тем
выше, чем больше показатель преломления пленки nв. Чем «сильнее» выполняется неравенство nâ > nín0 , тем ближе значение R
к единице. Отсюда и следует возможность увеличения отражения
от поверхности путем нанесения на нее четвертьволнового слоя.
На практике высокого коэффициента отражения добиваются,
применяя многослойные покрытия с чередующимся высоким (nв)
и низким (nн) показателем преломления. Вещества, используемые
в интерференционных зеркалах, должны образовывать прочные,
стойкие к атмосферным воздействиям покрытия и обладать ма78
R, %
n = 2,5
40
n = 2,3
30
20
10
0
n = 1,3
n =1,5
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
λ, мкм
Рис. 3.7. Зависимость коэффициента отражения системы
от оптической толщины пленки для разных значений показателя
преломления вещества пленки и заданной длины волны
Таблица 3.1
Спектр отражения пятислойного просветляющего покрытия на германии
λ, мкм
R, %
T, %
А, %
  2,000
  2,444
  2,889
  3,333
  3,778
  4,222
  4,667
  5,111
  5,556
  6,000
  6,444
  6,889
  7,333
  7,778
  8,222
  8,667
  9,111
  9,556
10,000
0,819
0,651
1,164
0,356
1,077
1,160
0,731
0,663
0,972
1,299
1,410
1,277
0,993
0,686
0,468
0,417
0,574
0,948
1,524
99,181
99,349
98,836
99,644
98,923
98,840
99,269
99,337
99,028
98,701
98,590
98,723
99,007
99,314
99,532
99,583
99,426
99,052
98,476
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
Фаза
R(λ)
T(λ)
85,08
24,59
17,90
–5,11
–19,98
–7,42
–8,82
–25,84
–34,40
–32,78
–28,11
–23,91
–22,30
–25,71
–37,48
–57,79
–76,73
–87,30
88,42
–27,11
–68,98
  25,34
–85,44
–32,51
   9,07
  42,89
  70,97
–85,44
–65,39
–48,14
–33,07
–19,76
  –7,88
   2,82
  12,50
  21,30
  29,34
  36,69
79
лым поглощением в рабочей области длин волн. В видимой области
спектра для этих целей используют криолит Na3AlF6 (nн = 1,34),
ZnS (nв = 2,3), CaF2 (nн = 1,3), SbO3 (nв = 2,05), MgF2 (nн = 1,38), PbF2
(nв = 1,8) и др.
В инфракрасной области спектра для этих целей используют ZnS
(nв = 2,1), ZnSе (nв = 2,4), Ge (nв = 4), CaF2 (nн = 1,3), SbO3 (nв = 2,05),
MgF2 (nн = 1,38), PbF2 (nв = 1,65) и др.
Значение коэффициента отражения многослойного четвертьволнового зеркала зависит от числа слоев (например, для зеркала из
ZnS и MgF2 см. табл. 3.2). Для получения коэффициентов отражения, превышающих 99 %, обычно наносят на подложку 11–15 слоев диэлектриков.
На pис. 3.8 изображены кривые коэффициента отражения зеркал с разным числом слоев ZnS и криолита. По кривым видно, что
с ростом числа слоев область хорошего отражения сужается, вершина ее становится все более плоской и приобретает вид плато,
а значение отражния в области плато возрастает. Ширина его Δλ
(ширина области высокого отражения) зависит от разности коэффициентов преломления использованных слоев. Чем она больше,
тем шире область отражения. Для приведенного в табл. 3.1 примера Δλ = 0,25.
R, %
100
90
1
80
70
2
60
50
40
3
30
20
10
0
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4
4
1,6 1,8 2,0 λ, мкм
Рис. 3.8. Коэффициенты отражения зеркал с разным числом слоев.
1 – 11 слоев; 2 – 7 слоев; 3 – 3 слоя; 4 – 1 слой
80
Таблица 3.2
Максимальное отражение многослойных зеркал из пленок сульфида цинка и криолита
Число слоев
R, %
1
30,0
3
67,6
5
87,3
7
95,7
9
98,5
11
99,5
13
99,8
На рис. 3.9 приведен результат расчета коэффициента отражения по мощности R семислойного зеркала из слоев ZnS и криолита, напыленных на стеклянную подложку. Величина R представлена в зависимости от λ. Часто графики приводят также в масштабе
λ0 λ , где λ0 – длина волны, для которой все слои зеркала являются
четвертьволновыми, т. е.
nнhн = nвhв = λ0/4.
Очевидно, что полученная кривая отражения будет иметь широкое плато в длинноволновой области спектра и значительно более узкое плато в коротковолновой его области. Если по оси абсцисс откладывать обратную величину (единицей измерения является см–1), то кривые повторяются с периодом, равным трем.
Для принятой на рисунке величины λ0 = 1,5 мкм первое плато
высокого отражения расположено целиком в инфракрасной области, а второе – вблизи λ = λ0/3 = 0,5 мкм. Ширина узкого плато всего 50 нм, поэтому такое зеркало в видимой области почти совсем
прозрачно (лишь слегка окрашено). Оно быстро меняет цвет при
наклоне, так как полосы отражения с наклоном смещаются в сторону коротких волн. Между областями высокого отражения имеется ряд минимумов. Число этих минимумов равно числу слоев
зеркала.
Для слоев равной оптической толщины получены рекуррентные
формулы максимумов коэффициентов отражения R (коэффициентов пропускания T = 1 – R). В случае, когда первая прилегающая
к подложке П пленка изготовлена из вещества с высоким показа81
R,%
100
R,%
80
60
40
20
0
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 λ, мкм
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 1/λ,104 cм–1
Рис. 3.9. Коэффициент отражения семислойного зеркала,
напыленного на стеклянной подложке (расчет)
телем преломления, а следующие из чередующихся слоев пленок
обладают высоким (обозначим их как В) и низким показателем
преломления (обозначим их как Н), структура зеркала имеет вид
ПВ(НВ)N. В случае, когда первая прилегающая к подложке пленка изготовлена из вещества с низким показателем преломления,
а следующие из чередующихся слоев пленок обладают высоким
и низким показателем преломления, структура зеркала имеет вид
П(НВ)N.
При точном равенстве оптической толщины слоев четверти
длины волны света коэффициенты отражения многослойного зеркала при падении света по нормали из воздуха рассчитываются
для четного (2N) и нечетного (2N + 1) числа слоев соответственно
[2, 3, 10]:
R2N
R2N
2 N ö2
æ
çç 1 - (n n0 )(n1 n2 ) ÷÷
÷ ,
= çç
2N ÷
ççè1 + (n n0 )(n1 n2 ) ÷÷ø
2 N ö2
æ
çç 1 - (n1 n0 )(n1 n)(n1 n2 ) ÷÷
÷ ,
= çç
2N ÷
ççè1 + (n1 n0 )(n1 n)(n1 n2 ) ÷÷ø
где n – показатель преломления подложки; n1 и n2 – показатели преломления первого (и всех нечетных) и второго (и всех четных) слоев, считая от подложки; n0 – показатель преломления
воздуха.
82
Узкополосные светофильтры, построенные по схеме интерферометра Фабри–Перо. Узкополосные светофильтры, как правило,
построены по схеме интерферометра Фабри–Перо. Данный интерферометр образован двумя зеркалами, расположенными параллельно друг другу на некотором расстоянии. Узкополосный светофильтр на основе схемы интерферометра Фабри–Перо также образован двумя зеркалами, расположенными на одной подложке
и разделенными слоем диэлектрика.
В качестве зеркал могут выступать слои металла, диэлектрические четвертьволновые зеркала или слои диэлектрика, работающие при углах падения, больших критического. На рис. 3.10 изображены схема интерференционного светофильтра и ход лучей
в нем. Здесь J0 – угол падения света на фильтр, J1 – угол распространения излучения в разделительном слое толщиной d1 и показателем преломления n1, Jm – угол распространения света в подложке, З1 и З2 – зеркала.
Допустим, что амплитудные коэффициенты отражения зеркал
r1 = r1 eir1 и r2 = r2 eir1 ,
пропускания –
t1 = t1 eiτ1 и t2 = t2 eiτ1 .
В этом случае энергетическое пропускание и отражение такой
системы определяются формулами Эйри
L
ϑ0
n = n0
З1
n1, d1
ϑ1
ϑm
3
2
1
З2
n = nm
Рис. 3.10. Схема интерференционного светофильтра
83
T=
1 + r1
2
t1
2
2
t2
r2 - 2 r1 r2 cos Φ
2
R=
2
,
(3.7)
2
r1 + r2 - 2 r1 r2 cos Φ
1 + r1
2
2
r2 - 2 r1 r2 cos Φ
,
где
Φ=
4pn1d1
+ r1 + r2 .
λ
(3.8)
Выражение (3.8) определяет спектральную зависимость энергетических коэффициентов пропускания и отражения от длины волны падающего излучения, оптической толщины разделительного
слоя и коэффициентов отражения зеркал. Как нетрудно видеть из
выражения (3.8), максимальное пропускание светофильтра (Tmax),
равное
Tmax =
t1
2
t2
(1 - r1
2
2
r2 )
,
наблюдается при Φ = 2kp , а минимальное Tmin –
Tmin =
t1
2
(1 + r1
t2
2
2
r2 )
при Φ = (2k + 1)p .
Контрастность светофильтра
2
Tmax æç1 + r1 r2 ö÷
÷
ç
=
C=
÷ .
Tmin èçç 1 - r1 r2 ø÷
Как видно из этих выражений, контрастность светофильтра
зависит только от коэффициентов отражения образующих этот
светофильтр зеркал, а значение максимального и минимального пропускания – от коэффициентов пропускания и отражения
зеркал. Можно показать, что максимальное пропускание, равное
единице, будет реализовано при равенстве коэффициентов отражения и отсутствии поглощения в зеркалах. Для интерференционного светофильтра, образованного четвертьволновыми диэлек84
трическими зеркалами, максимальное пропускание определяется пропусканием подложки, на которой сформирован этот светофильтр.
Действительно, если обозначить матрицы интерференции четвертьволновых слоев на длине волне λ = λ0 (В – матрица интерференции слоя с большим показателем преломления и Н – матрица
интерференции слоя с меньшим показателем преломления), то матрица интерференции такого светофильтра будет выглядеть следующим образом:
(ВНВ…ВНВ2НВНВ…ВНВ) или (ВНВ…ВН2ВНВ…ВНВ).
В первом случае зеркало содержит нечетное число слоев, во втором – четное. Здесь 2Н или 2В – полуволновые слои, для которых
матрица интерференции на длине волны λ0 – отрицательно определенная единичная матрица.
Воспользуемся при определении матричного произведения правилом скобок. Расставим скобки следующим образом:
для первого случая
(В(Н(В…(В(Н(В2НВ)Н)В)…В)Н)В),
для второго –
(В(Н(В…(Н(В(Н2ВН)В)Н)…В)Н)В).
Вычислим матрицы интерференции в центральных скобках.
Здесь (В2НВ) или (Н2ВН) – единичная матрица. Далее с учетом
этого найдем произведение в скобках Н(В2НВ)Н или В(Н2ВН)В –
отрицательную единичную матрицу и т. д. Если число слоев составляющих интерференционных светофильтр зеркал одинаково,
то в результате получим отрицательно или положительно определенную единичную матрицу. В случае если число слоев составляющих зеркал неодинаково, матрица интерференции системы будет
определяться четвертьволновым зеркалом, у которого число слоев
равно разности числа слоев зеркал.
В первом случае пропускание светофильтра на длине волны
λ = λ0 равно пропусканию подложки, во втором – пропусканию
четвертьволнового зеркала, число слоев которого равно разности
числа слоев образующих светофильтр зеркал.
Оценим спектральную полуширину светофильтра (рис. 3.11).
По определению, полуширина – это спектральная ширина фильтра
на уровне 0,5Tmax.
85
Tmax
Т
0,5Тmax
Tmin
λ
δλ 0,5
Рис. 3.11. Спектральная зависимость коэффициента пропускания
интерференционного светофильтра
Очевидно, что половина максимального пропускания равна
2
2
t t
1
T= × 1 2
.
2 (1 - r r )2
1 2
Тогда для определения полуширины, используя (3.7), можно записать
1 + r1
2
t1
2
t2
2
2
2
t t
1
= × 1 2
,
2
2
r2 - 2 r1 r2 cos Φ1 2 (1 - r1 r2 )
где Ф1 – фазовая толщина разделительного слоя на длине волны
λ = λ1, соответствующей половине максимального пропускания.
Пусть
λ1 = λ0 + ∆λ0,5.
Тогда
Φ1 = 2kp + a =
4pn1d1
+ r1(1) + r2(1) ,
λ0 + Δλ
(1)
(1)
где r1 è r2 – аргументы коэффициента отражения на длине волны λ1.
86
Переходя к функции половинного угла, получаем
2
4 r1 r2 sin2 Φ1 = (1 - r1 r2 ) .
Отсюда
sin Φ1 =
(1 - r1
r2 )
2 r1 r2
.
Условие, при котором на длине волны λ0 наблюдается максимальное пропускание Ф0 = 2kπ, выглядит следующим образом:
Φ0 =
4pn1d1
+ r1(0) + r2(0) = 2kp,
λ0
(0)
(0)
где r1 è r2 – аргументы коэффициента отражения на длине
волны λ0.
Можно видеть, что по мере увеличения коэффициентов отражения составляющих светофильтр зеркал полуширина интерференционного светофильтра, построенного по схеме интерферометра
Фабри–Перо, уменьшается. Если r1 = r2 , выражение упрощается
еще больше, и получаем
2
dλ 1 - r
=
×
2p r
λ0
1
.
æ
λ0 ç ¶r1 ¶r2 ö÷÷
+
k + çç
÷
2p èç ¶λ
¶λ ø÷÷
Проведем анализ параметров, характеризующих светофильтры,
построенные по схеме интерферометра Фабри–Перо. Как видно из
приведенных выражений, максимальное пропускание достигается при равенстве амплитудных коэффициентов отражения составляющих его зеркал. При этом контрастность увеличивается, а полуширина уменьшается по мере увеличения амплитудных коэффициентов отражения. Полуширина уменьшается также по мере
увеличения толщины разделительного промежутка и дисперсии
разности фаз между падающим и отраженным излучением ¶r ¶λ
в окрестностях длины волны, соответствующей максимальному
пропусканию.
Для четвертьволновых зеркал амплитудный коэффициент отражения зависит от числа слоев, для слоев металлов он обусловливается значениями n и k и их дисперсией. Максимально возможная
87
толщина разделительного слоя (слой диэлектрика) определяется
условием осаждения и не может превышать 2 мкм. Это обстоятельство, а также ограничение на величину r, связанное с потерями света в слоях, накладывают естественное ограничение на полуширину светофильтра. Максимальное светопропускание светофильтра
ограничивается потерями света (поглощение, рассеивание) в слоях.
Потери света в слоях составляют около 1–20 %.
Однако, если не получается решить проблему напрямую, ищут
обходной путь. Решить ее можно достаточно просто, основываясь
на тех структурных построениях, которые были выполнены ранее,
когда рассматривались зеркальные и фильтрующие диэлектрические системы. Действительно, для того чтобы система работала как
интерференционный светофильтр, необходимо, чтобы она (с максимальным пропусканием) могла быть описана единичной матрицей:
В – слой с высоким показателем преломления, и матрица соответственно обозначается так же, Н – слой с низким показателем преломления и соответствующая ему матрица.
Рассмотрим систему, образованную из двух зеркал, каждое из
которых состоит из трех слоев (ВНВ). Для того чтобы такая система имела максимальное пропускание, необходимо ввести разделительный полуволновой слой (ВНВ2НВНВ). В качестве разделительного помещается не один слой с низким показателем преломления,
как это традиционно делается, а диэлектрическая система полуволновых слоев (…2Н2В2Н2В2Н2В2Н…). Такая полуволновая система,
помещенная между двумя зеркалами, будет вести себя аналогично,
поскольку она описывается единичной матрицей (см. рис. 3.11). Эта
система будет вести себя в окрестностях λ0 как один полуволновой
слой, расположенный между двумя зеркалами.
Это довольно простой путь, который позволяет существенно уменьшить полуширину интерференционного светофильтра. Контрастность
будет определяться коэффициентом отражения зеркал, который входит в систему, а полуширина светофильтра существенно уменьшится, и можно легко выделять любой заданный интервал спектра.
На рис. 3.12 изображены спектральные зависимости энергетического коэффициента пропускания диэлектрических систем
(ВНВНВНВ2НВНВНВНВ)
(кривая 1) и (ВНВНВНВ2Н2В2Н2В2НВНВНВНВ)
(кривая 2) в широком спектральном интервале (область максимального коэффициента отражения диэлектрических зеркал, со88
Т, отн. ед.
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0
1
2
960
980
1000
1200
λ, нм
Рис. 3.12. Спектральные зависимости энергетических
коэффициентов пропускания диэлектрических
светофильтров, образованных разными структурами.
1 – ВНВНВНВН2ВНВНВНВНВ;
2 – ВНВНВНВН2В2Н2В2Н2ВНВНВНВНВ
ставляющих зеркало). Как видно из сравнения этих зависимостей,
для диэлектрической системы
(ВНВНВНВ2Н2В2Н2В2НВНВНВНВ)
появляются два дополнительных максимума пропускания. Число
дополнительных максимумов отражения определяется оптической
толщиной разделительного промежутка
(2Н2В2Н2В2Н).
В зависимости от соотношения между оптической толщиной
разделительного промежутка и спектральной шириной максимума
отражения диэлектрических зеркал, составляющих интерференционный светофильтр, число дополнительных максимумов пропускания может быть увеличено.
Аналогичными характеристиками обладают интерференционные светофильтры, образованные системами симметричных слоев
с разделительным промежутком. Действительно, если рассматривать зеркала, образованные системой симметричных слоев, например, (0,5ВН0,5В)k или (0,5НВ0,5Н)k и поместить между ними четвертьволновый слой для первого случая В, а для второго – Н, получим узкополосный диэлектрический светофильтр, структура которого может иметь следующий вид:
для первого случая
(0,5ВН0,5В)k В(0,5ВН0,5В)k,
89
для второго ­
(0,5НВ0,5Н)kН(0,5НВ0,5Н)k.
Контрастный узкополосный диэлектрический светофильтр в этом
случае образован повторением структур
[(0,5ВН0,5В)kВ(0,5ВН0,5В)k]2
или
[(0,5НВ0,5Н)kН(0,5НВ0,5Н)k]2.
На рис. 3.13 изображены спектральные зависимости энергетического коэффициента пропускания структур
[(0,5ВН0,5В)kВ(0,5ВН0,5В)k]
(кривая 1) и
[(0,5ВН0,5В)kВ(0,5ВН0,5В)k]2
(кривая 2).
Как видно из этих рисунков, происходит смещение максимума пропускания в коротковолновую область спектра. Это связано с тем, что зеркала, формирующие светофильтр, имеют максимум отражения на длине волны, смещенной в коротковолновую
T, отн. ед.
1,0
0,8
1
0,6
2
0,4
0,2
0
960
970
980
990
1000
1100 λ , нм
Рис. 3.13. Спектральные зависимости энергетических
коэффициентов пропускания диэлектрических светофильтров,
образованных структурами.
1 – [(0,5BH0,5B)8B(0,5BH0,5B)8]; 2 – [(0,5BH0,5B)8B(0,5BH0,5B)8]2
90
часть спектра, что, в свою очередь, определяется структурой этого
зеркала.
Узкополосные интерференционные светофильтры могут быть
образованы комбинацией металлических и диэлектрических пленок. Металлические пленки играют роль зеркал, а диэлектрическая пленка – роль разделительного промежутка. Толщина разделительного промежутка в этом случае отличается от 0,5λ0.
Это вызвано тем, что разность фаз между падающим и отраженным излучением на границе раздела металл–диэлектрик отличается от π.
В процессе эксплуатации возникает проблема, которая заключается в нестабильности оптических характеристик светофильтров,
построенных на основе оксидных пленок. Пленки пористые, и хотя пористость не превышает 5–10 %, этого уже достаточно для того, чтобы при нахождении в атмосфере полоса такого светофильтра смещалась на значения в пределах или больше полуширины
интерференционного светофильтра из-за изменений температуры
и влажности. Такая конструкция может представлять ценность,
если только она находится в стабильной атмосфере, поэтому светофильтры с полушириной меньше 0,1 нм используются редко. Светофильтры с полушириной 1 и 5 нм достаточно широко применяются на практике.
3.5. Программа расчета интерференционных покрытий
На основе методики расчета, изложенной в разделе 3.3, на кафедре физики СПбГУАП была разработана программа FilmMgr.exe,
позволяющая проводить расчет многослойных интерференционных покрытий. Программа позволяет выполнять многоплановые
расчеты спектров отражения, пропускания и поглощения покрытий, в том числе варьирование числа слоев, их толщины и показателей преломления, а также минимизировать поглощение на заданной длине волны. Методика расчета строится на рекуррентном
методе. В программе предусмотрен диалоговый режим работы, что
при продуманном, удобном и функциональном интерфейсе позволяет пользователю корректировать или оптимизировать синтезируемые покрытия в реальном масштабе времени и находить устойчивые решения.
Основное окно программы показано на рис. 3.14.
91
92
Рис. 3.14. Основное окно программы расчета интерференционных покрытий
Рассмотрим основные элементы управления. В верхней части
главного окна программы расположен переключатель вкладок, содержащих ее элементы управления:
– «Ввод данных» – ввод параметров среды, подложки, слоев,
угловых характеристик излучения и т. д., а также запуск процесса
оптимизации покрытия.
– «Результаты» – отображение спектральных значений пропускания, отражения и поглощения, а также структура оптимизированного покрытия.
– «График» – графическое изображение спектров.
– «Материалы» – редактор базы данных используемых материалов.
– «Выход» – окончание работы с программой.
Для расчета покрытия вводятся исходные данные:
– «Среда» – из списка выбирается материал среды.
– «Подложка» – из списка выбирается материал подложки.
– «Опорная длина волны» – длина волны (мкм), относительно
которой измеряются толщины слоев покрытия.
– «Количество точек спектра» – число точек, для которого вычисляются значения отражения и пропускания. Максимальное число 200.
– «Режим вычислений» – выбирается шкала длин волн (мкм)
или волновых чисел (см–1).
– «Начальная длина волны» («Начальное волновое число») –
длина волны (мкм) (волновое число, см–1), соответствующая началу
рассматриваемого спектрального диапазона.
– «Конечная длина волны» («Конечное волновое число») – длина
волны (мкм) (волновое число в см–1), соответствующая окончанию
рассматриваемого спектрального диапазона.
Кнопки выбора основного режима работы программы:
– «Расчет спектра введенной структуры» – вводится структура
покрытия и вычисляется спектр.
– «Нормальное падение излучения» – предполагается, что излучение падает на покрытие нормально к его поверхности.
– «Наклонное падение излучения» – излучение падает на поверхность покрытия под углом. Задаются угол падения излучения относительно нормали к поверхности и поляризация падающего света.
– «Описание слоев (начального приближения)» – на этой вкладке расположены органы управления, позволяющие задать структуру покрытия:
– «Материал» – список, из которого выбирается материал слоя
или «Показатель преломления слоя» – поле ввода показателя преломления для абстрактного слоя.
93
– «Толщина в четвертях опорной длины волны» – поле ввода
толщины слоя в четвертях введенной ранее опорной длины волны.
– «Ввод опт. толщины» – если эта кнопка включена, то вводится
оптическая толщина слоя, равная показателю преломления слоя
на опорной длине волны, помноженному на геометрическую толщину слоя в четвертях опорной длины.
– Список введенных данных о слоях содержит номер слоя (нумерация ведется от подложки), его материал или показатель преломления и толщину слоя. Параметры выделенного из списка слоя
попадают в соответствующие поля редактирования для изменения.
Запись изменений выполняется нажатием кнопки «Изменить».
Слева от параметров каждого слоя имеется отметка «», наличие
которой свидетельствует о том, что параметры этого слоя варьируются в процессе оптимизации. При необходимости пользователь
имеет возможность отключить отметку «», оставляя тем самым
в процессе оптимизации параметры соответствующего слоя неизменными.
– «Добавить» – добавляет введенный слой в конец списка.
– «Вставить» – вставляет введенный слой перед выбранным
в списке.
– «Запомнить слой» – если эта кнопка включена, то выделенный слой запоминается и в дальнейшем может быть вставлен в необходимое место в списке структуры, что часто бывает необходимо
при создании периодических структур.
– «Изменить» – записывает изменения в параметрах текущего
слоя.
– «Удалить» – удаляет выбранный слой из списка слоев
покрытия.
– «Замена на эквив. слои» – эта кнопка доступна только в случае, если включена кнопка «Использовать эквивалентные слои».
Задействуется в профессиональном режиме работы.
– «Параметры накл. излучения» – эта вкладка видна только
в том случае, когда включен режим наклонного падения излучения. Она содержит следующие органы:
– «Угол падения излучения» – угол падения излучения относительно нормали к поверхности покрытия (в градусах).
– «Тип поляризации» – задает тип поляризации падающего излучения:
– «P-поляризация»;
– «S-поляризация»;
– «Круговая» – круговая поляризация;
94
– «Произвольная» – если выбран данный тип поляризации, то
необходимо ввести угол наклона плоскости поляризации (d), измеряемый в градусах.
– «Новое покрытие» – нажатие на эту кнопку вызывает очистку
всех полей ввода данных для ввода нового покрытия.
– «Загрузить данные» – загрузка предварительно сохраненных
исходных данных из файла. При нажатии на эту кнопку вызывается стандартный диалог выбора файла.
– «Сохранить данные» – сохранение всех введенных параметров
покрытия и оптимизации в файле на диске. При нажатии на эту
кнопку вызывается стандартный диалог выбора файла.
Задания к практической работе
Задание 1. Определить толщину слоев одно- и двухкомпонентных просветляющих систем, образованных слоями фторида свинца
и сульфида мышьяка на подложке из кремния или германия.
Задание 2. Определить толщину слоев одно- и двухкомпонентных просветляющих систем, образованных слоями фторида свинца
и сульфида мышьяка на подложке из стекла или сапфира.
Задание 3. Синтезировать двухслойную систему, имеющую максимально широкую область спектра просветления в указанной
преподавателем области, на подложке из SiO2, CaF2, BaF2, Al2O3,
ZnSe.
Задание 4. На основе предложенных веществ сконструировать
двухслойное просветляющее покрытие типа λ/2–λ/4 с максимально
широкой областью спектра в ИК-диапазоне. Сравнить спектр полученного покрытия со спектром пропускания однослойного покрытия. Коэффициент отражения не должен превышать 1 %. Подложка ZnSe или Al2O3.
Задание 5. На основе предложенных веществ сконструировать
отра­жающее покрытие из четвертьволновых пленок с коэффициентом отражения R = 85 ± 2 % в области (10 ± 0,3) мкм. Определить
требуемое число слоев и структуру покрытия. Получить спектр покрытия в области 5–15 мкм.
Задание 6. На основе пленок BaF2 и ZnSe сконструировать отражающее покрытие с коэффициентом отражения R = 93 % в области 10 мкм. Допускается варьирование толщин пленок. Требуется
получить отражение, близкое к заданному в максимально широкой области спектра. Подложка ВаF2 или ZnSe задается преподавателем.
95
Контрольные вопросы
1. Каким образом строится математическая модель интерференционного покрытия?
2. Каково содержание закона Бугера–Ламберта–Бэра?
3. Что определяют с помощью коэффициента поглощения и экстинкции?
4. Каким образом формулы Френеля определяют отражение
и преломление волны?
5. От каких оптических характеристик зависит амплитудный
коэффициент отражения от границы раздела двух пленок?
6. Каким образом определяется амплитудный коэффициент отражения от пленки?
7. От чего зависит коэффициент отражения от однослойной
пленки?
8. Какие существуют основные типы просветляющих покрытий?
9. Как определяют коэффициенты отражения зеркал из четвертьволновых пленок?
10. Каковы основные идеи рекуррентного метода анализа покрытий?
11. В чем заключаются идеи матричного метода анализа покрытий?
96
4. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
Лабораторная работа № 1
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ
Цель работы: знакомство с методами изготовления интерференционных пленок и покрытий разного назначения (одиночных пленок, просветляющих покрытий, зеркал), их изготовление и исследование в лабораторных условиях.
Методические указания
Методы создания пленочных покрытий подробно описаны в разделе 2 данного учебного пособия. Тонкослойные покрытия позволяют изменять оптические, механические, химические, электрические и другие свойства оптических деталей. В настоящее время более 98 % оптических деталей имеют покрытия. Эти покрытия можно разделить на оптические, электропроводящие и защитные. К основным видам покрытий относятся оптические покрытия, которые
составляют около 90 % всех покрытий.
Описание лабораторной установки
Вакуумная установка термического испарения (см. рис. 2.3)
подробно описана в разделе 2.2. Она состоит из камеры, закрытой от окружающей атмосферы 12, рабочей плиты 18, откачивающей вакуумной системы, подколпачного устройства для крепления напыляемых деталей и их вращения, испарителей 5 и пульта управления работой узлов и агрегатов установки. Для наблюдения за ходом процесса напыления в двери камеры имеется
иллюминатор 7. Чаще всего он используется при электронно-лучевом испарении, когда необходимо следить за режимом работы
луча.
Напыляемые подложки 13 и образец-свидетель 11 для контроля толщины пленки в процессе напыления устанавливают в отверстия приспособления 14. В установке находится оправа, позволяющая устанавливать до десяти сменных свидетелей. Для поддержания равномерности толщины пленки приспособление 14 вращается
с частотой до 100 об/мин на роликовых опорах. Привод вращения
приспособления осуществляется через конический ролик 16 и бес97
контактную электромагнитную муфту 19, расположенную на рабочей плите установки.
Окончательная очистка подложек производится в вакуумной
камере тлеющим разрядом при давлении 10–1–10–2 торр в течение
5–10 мин. Тлеющий разряд обеспечивает нагревание и десорбцию
примесей, расщепляет органические молекулы с образованием летучих соединений, улучшает прочность сцепления напыляемых
слоев и сокращает время откачки рабочего объема вакуумной установки.
В качестве подложек для дальнейших исследований используются полированные шайбы из ZnSe, кварца, Si, Ge, KBr и NaCl диаметром 20 мм. Температура подложек во время напыления фиксируется с точностью ±5 °C в диапазоне 50–200 °С. Температуру
подложек определяют специальными спиральными термопарами,
устанавливаемыми на место подложек. Параллельно проводят измерения температуры с помощью проволочных термопар, которые
являются вторичным источником измерения.
Скорость вращения подложек обычно составляет 30–90 об/мин.
Постоянство пределов скорости вращения поддерживается не хуже
+2 % за один оборот при работе в течение нескольких часов.
Контроль толщины напыляемых пленок и скоростей осаждения
конденсата осуществляется фотометрическим методом по пропусканию в области спектра 0,4–1,1 мкм. Необходимая длина волны
выделяется монохроматором МУМ-2 (Приложение 1) и регистрируется ФЭУ-62. Контроль толщины пленок осуществляется также
на длинах волн 1–2,5 мкм. Указанные длины волн регистрируются
фотоприемником на основе PbS.
Оптическую толщину пленок h на длине волны l0 определяют
по числу наблюдаемых экстремумов пропускания света:
h = dn(λ0 ) =
n(λ0 ) kλ ê
,
n(λ ê ) 4
где lк – длина волны фотометрического контроля; n(lк) – показатель преломления пленки на длине волны контроля; d – геометрическая толщина пленки; n(l0) – показатель преломления на длине
волны l0 = 10,6 мкм; k – число экстремумов (максимумов или минимумов) пропускания света. При k = 12 длина волны фотометрического контроля лежит в интервале 0,90–0,94 мкм. Относительная погрешность измерения пропускания фотометрической системы не превышает 0,5 %. Это обеспечивает точность контроля тол98
щины напыляемой пленки на длине волны 10,6 мкм при k = 12
не хуже 1 %.
Равномерность пленок по толщине достигается благодаря использованию вращающегося подложкодержателя и оптимизации
расположения относительно него испарителей. Расстояние от тиглей до подложек не превышает 150 мм, что позволяет наносить
равнотолщинные пленки на площади с диаметром до 100 мм со
скоростями до 15 нм/с без нарушения стехиометрического состава
пленок, возникающего в результате перегрева пленкообразующего
материала при испарении.
В качестве пленкообразующих материалов в данной работе используются фторид свинца PbF2, селенид цинка ZnSe, фторид бария BaF2, фторид магния MgF2 и сульфид сурьмы Sb2S3. Оптические и механические свойства пленок приведены на рис. 2.8
и в табл. 2.1.
Задания к лабораторной работе
Задание 1. Изготовить 5-слойное зеркало из четвертьволновых
пленок селенида цинка и фторида стронция на подложке из стекла или кварца, если длина волны 0,85 мкм. Изготовленное зеркало
используется как выходное зеркало резонатора полупроводникового лазера. Провести измерение спектра пропускания и сравнить его
с теоретически рассчитанным спектром.
Задание 2. Изготовить 6-слойное зеркало из четвертьволновых
пленок сульфида сурьмы и фторида стронция на подложке из селенида цинка, если длина волны 10,6 мкм. Контрольную длину волны и кратность наблюдаемых экстремумов рассчитать при помощи
преподавателя. Зеркало может быть использовано как выходное
зеркало резонатора СО2-лазера. Провести измерение спектра пропускания и сравнить его с теоретически рассчитанным спектром.
Задание 3. Изготовить 13-слойное зеркало из четвертьволновых
пленок, селенида цинка и фторида стронция на подложке из стекла, если длина волны 0,63 мкм. Зеркало может быть использовано
как глухое зеркало резонатора гелий-неонового лазера. Провести
измерение спектра пропускания и сравнить его с теоретически рассчитанным спектром.
Задание 4. Изготовить 2-слойное просветляющее покрытие из
пленок сульфида сурьмы и фторида свинца на подложке из кремния. Рабочая область 3–5 мкм. Рассчитать контрольную длину волны и кратность для контроля в видимой области спектра. Провести
99
измерение спектра пропускания и сравнить его с теоретически рассчитанным спектром.
Задание 5. Изготовить однослойное просветляющее покрытие
из пленки фторида магния на стекле. Центральная длина волны
0,55 мкм. Провести измерение спектра пропускания и сравнить его
с теоретически рассчитанным спектром.
Лабораторная работа № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ КОНСТАНТ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК
Цель работы: исследование оптических характеристик диэлектрических пленок спектрофотометрическим методом.
Методические указания
Большое значение при изготовлении интерференционных покрытий имеют оптические параметры пленок, из которых они сконструированы. Особое место среди параметров занимают коэффициент поглощения и показатель преломления. Коэффициенты поглощения и показатели преломления пленкообразующих материалов
в интересующих нас областях спектра приведены на рис. 2.8.
Показатель преломления пленки, как правило, может отличаться от показателя преломления кристалла на несколько процентов.
Поглощение пленок может отличаться от поглощения монокристаллов в 10–100, а иногда даже в десятки тысяч раз.
Существует много методов определения показателей преломления и коэффициента поглощения, среди которых особо можно выделить эллипсометрические и спектрофотометрические. Для пленок, применяемых в инфракрасной и видимой области спектра,
наиболее широко используются спектрофотометрические методы.
Суть большинства из них состоит в анализе спектров пропускания
и отражения света. Для этого используются монохроматоры с дифракционными решетками или призмами, осуществляющие автоматическое сканирование по спектру с одновременной регистрацией прошедшего излучения.
Наряду с данным методом определения малого поглощения
в пленках в последнее время стали широко применять калориметрический метод. Преимущество этого метода по сравнению со
100
спектрофотометрическими заключается в том, что он позволяет измерять собственное поглощение, расходуемое на джоулеву теплоту, в то время как при анализе спектров пропускания и отражения
невозможно сказать, связаны изменения в спектрах с поглощением или рассеиванием. Кроме того, определение оптических параметров по спектрам пропускания или отражения осложняется наличием в спектрах полос поглощения воды, адсорбированной в порах
пленки, и, наконец, чувствительность такого метода несоизмеримо
выше, чем спектрофотометрического.
Спектрофотометрические методы определения коэффициентов
преломления основываются на измерении абсолютного значения
коэффициента пропускания или отражения при разных длинах
волн, т. е. по спектрам пропускания или отражения. Один из применяемых методов состоит в измерении пропускания в экстремумах спектра. Этот метод удобен также тем, что его можно использовать для определения показателя преломления пленки на длине
волны контроля непосредственно в процессе напыления, т. е. в вакууме.
На рис. 4.1 приведен спектр пропускания однослойных пленок
As2S3 и As2Se3 с коэффициентом преломления 2,9 на подложке из
Т, %
100
90
80
70
60
50
40
30
Расчет
20
10
0
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2 λ, мкм
Рис. 4.1 Спектр пропускания однослойных пленок As2S3 и As2Se3
на подложке из стекла
101
стекла с коэффициентом преломления n3 = 1,52. Оптическая толщина пленки п2h2 намного больше длины волны λ. В некоторой области спектра (где пропускание падает) пленка поглощает, и интенсивность уменьшается.
Если свет содержит все длины волн и оптическая толщина пленки nh постоянна, то в спектре наблюдается ряд максимумов и минимумов для длин волн
4n2h2
, k = 1, 2, 3,...
(4.1)
k
Если п2 > n3, то первый и все последующие минимумы появляются при длинах волн
λ=
λ min k =
4n2h2
, k = 1, 2, 3,...
2k + 1
Максимумы располагаются в местах, соответствующих длинам
волн, определяемым рядом
4n2h2
, k = 1, 2, 3,...,
(4.2)
2k
т. е. на пленках, толщина которых кратна половине длины волны,
свет не отражается. В этом случае пропускание пленки на подложке обусловливается только отражением на передней грани подложки и поглощением в пленке. Если через Т0 обозначить пропускание
подложки, то ее пропускание с поглощающей пленкой на длинах
волн, кратных получаемым по (4.2), будет равно
λ max k =
T = T0 (1 - A ),
(4.3)
где A – поглощение в пленке. Поглощение в пленке A можно определить как разницу между максимальным значением пропускания
в длинноволновой области 0,7–1,0 мкм и значениями в максимумах
экстремумов на фиксированных длинах волн в более коротковолновых областях спектра 0,4–0,7 мкм.
Зная геометрическую толщину пленки h, по закону Бугера
I = I0 exp(-ah), или T = T0 exp(-ah)
(4.4)
можно найти коэффициент поглощения пленки αп на длине
волны λ0
a0 = -ln (1 - A ) / h
102
(4.5)
и ее комплексный показатель поглощения k из уравнения
a = 4pnk λ0 .
(4.6)
Из формул (4.1)–(4.6) можно определить коэффициент преломления и толщину пленки d = nh по положению экстремумов пропускания на шкале длин волн.
Пусть соседние экстремумы находятся на длинах волн λ min k
и λ max k . Неизвестными являются k, n и h. Возьмем три соседних экстремума с определенными длинами волн λ max k , λ min k
и λ max k + 1. Для них можно составить систему из трех уравнений
с тремя неизвестными:
λ max k =
4n2h2
,
2k
λ min k =
4n2h2
,
2k + 1
λ max k+1 =
4n2h2
.
2(k + 1)
Решая эту систему, можно найти оптическую толщину п2h2 и k.
Значение пропускания T в экстремумах (Tmin и Tmax) можно использовать также для вычисления показателей преломления пленок n в области с минимальным поглощением с помощью следующих соотношений:
(
)
n = N + N 2 - n32 ,
N = 2n3
Tmax - Tmin n32 + 1
.
+
Tmax + Tmin
2
Определив таким образом показатель преломления пленки n2
на длине волны контроля, можно, воспользовавшись формулой
Лорентц–Лоренца, вычислить относительную плотность пленки ρ:
r=
2
+2
n2 -1 nm
×
,
2
2
n + 2 nm -1
где nm – показатель преломления монокристалла соответствующего пленкообразующего вещества на данной длине волны контроля.
103
Описание лабораторной установки
Среди разнообразных оптических методов особое место занимают
спектроскопические методы, использующие различные спектральные
приборы для исследования спектров излучения, поглощения, отражения, рассеивания и другими разными спектральными приборами.
Изучение спектров позволяет получить большую информацию как
о физических процессах, происходящих в источнике излучения, так
и о свойствах той среды, через которую распространяется излучение.
Спектральным прибором называют оптический прибор, предназначенный для разложения электромагнитного излучения в спектр
по длинам волн или частотам, изучения этого спектра. Под исследованием спектров подразумевают определение зависимости энергии излучения (поглощения, рассеивания) от длины волны или
частоты. Происходящая в таких приборах процедура разложения
излучения в спектр соответствует математической операции разложения электромагнитного излучения в ряд или интеграл Фурье.
Операция исследования зависимости энергии излучения в спектре
от длины волны соответствует операции определения коэффициентов в Фурье-разложении.
Приемником излучения называется прибор, в котором под действием излучения возникает какой-либо сигнал или «отклик». В настоящее время наибольшее распространение получили методы, в соответствии с которыми проводят условное разделение спектральных
приборов: визуальные (спектроскопы), фотографические (спектрографы) и, наконец, фотоэлектрические (спектрофотометры) методы. В последнем, самом распространенном, методе приема излучения, приемниками излучения служат разного рода фотоэлементы и тепловые
приемники, например, болометры, термоэлементы и пироприемники.
Каждый спектральный прибор характеризуется следующими
основными параметрами: линейной дисперсией, разрешающей способностью, областью дисперсии, светосилой, фотометрической точностью и областью спектра, в которой его можно использовать (область спектра часто называют областью дисперсии).
Линейная дисперсия определяется как отношение dl/dλ, где dl –
расстояние в спектре между близкими длинами волн λ и λ + dλ.
Часто используют угловую дисперсию dj/dλ, которая однозначно связана с линейной дисперсией:
dl
dj
=f ,
dλ
dλ
где f – фокусное расстояние выходного коллиматора спектроскопа.
104
Разрешающая способность R характеризуется минимальным
спектральным интервалом Δλ между близкими монохроматическими линиями λ и λ + Δλ, которые может разделить, или разрешить,
данный спектральный прибор:
R = λ/Δλ.
Областью дисперсии называют ту область длин волн в спектре,
в которой имеется однозначная связь между длиной спектральной
линии и ее положением в спектре.
Светосила спектрального прибора F характеризует фотометрические свойства прибора. Она равна коэффициенту пропорциональности между яркостью источника В и непосредственно измеряемей
энергией (или другой энергетической величиной) Ф:
Φ = FB.
Светосила прибора определяет относительную ошибку измерения энергии в спектре.
В настоящей работе мы будем использовать спектральные приборы с пространственным разложением излучения в спектр, в которых излучение с разными длинами волн разделяют по направлению. Падающее на такой спектральный прибор излучение преобразуется в совокупность пучков с разными длинами волн, выходящих из диспергирующего элемента в разных направлениях.
При этом угол отклонения пучка зависит от длины волны. К таким
спектральным приборам относятся призменные и дифракционные
спектральные приборы, в которых диспергирующим элементом
служат призмы и дифракционные решетки.
В настоящей работе используются спектрометры ИКС-22
и ИКС-16 (Приложение 2), которые служат для исследования спектров поглощения, пропускания и отражения в диапазоне длин волн
2–25 мкм. Этому диапазону соответствуют частоты 5000–500 см–1.
В оптике инфракрасного диапазона λ = 1–100 мкм частоты принято
задавать в обратных сантиметрах.
Связь между длиной волны λ (заданной в сантиметрах) и частотой n (заданной в см–1) имеет вид
ν =1 λ .
Диспергирующим элементом ИКС-22 служит призма из KCl,
а у ИКС-16 – дифракционная решетка. Точность измерения коэффициентов пропускания в ИКС-22 равна 3 %, а в ИКС-16 – 1 %.
При исследовании спектров в видимой и ближней инфракрасной областях спектра используется спектрометр МУМ-2 (Прило105
жение 1). C его помощью можно наблюдать спектры пропускания
и поглощения в диапазоне длин волн 0,3–1,1 мкм. Диспергирующим элементом в МУМ-2 является дифракционная решетка. Точность измерения коэффициентов пропускания равна + 0,2 %.
Задания к лабораторной работе
При выполнении работы используются технические описания
спектрофотометров ИКС-22, ИКС-16 и МУМ-2. Все задания дополнительно согласуются с преподавателем.
Задание 1. Снять спектр пропускания подложки с пленкой в области 0,5–1,0 мкм спектрофотометром МУМ-2. Определить в этой
области коэффициент поглощения α (или коэффициент экстинкции k). При расчетах учитывать, что максимальный коэффициент
пропускания с непоглощающей пленкой определяется отражением
от двух поверхностей подложки. Подложка – стекло (n = 1,52).
Задание 2. Снять спектр пропускания подложки с пленкой в области 0,5–1,0 мкм спектрофотометром МУМ-2. Найти в этой области коэффициент преломления пленки и определить по справочнику материал пленки. Подложка–стекло (n = 1,52).
Задание 3. Снять спектр пропускания и отражения пленки PbTe
на подложке из селенида цинка в области длин волн 2–8 мкм спектрофотометром ИКС-22. Определить коэффициент преломления
вещества. Рассчитать спектр и сравнить с экспериментально измеренным спектром.
Задание 4. Снять спектр пропускания и отражения пленки Ge
на подложке из селенида цинка в области длин волн 2–8 мкм спектрофотометром ИКС-22. Определить коэффициент преломления
вещества. Рассчитать спектр и сравнить с экспериментально измеренным.
Задание 5. Исследовать на спектрофотометре МУМ-2 поглощение в цветных стеклах (КС-13, КС-17).
Лабораторная работа № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗЕРКАЛ
Цель работы: изучение спектральных характеристик многослойных диэлектрических зеркал.
106
Методические указания
При изготовлении зеркал наиболее часто используют четвертьволновые пленки. Четвертьволновой называется пленка, оптическая толщина которой равна λ/4.
Рассмотрим высокоотражающие покрытия из четвертьволновых пленок с коэффициентом отражения R. Они обладают максимальным для заданного числа пленок коэффициентом отражения.
Для слоев равной оптической толщины получены рекуррентные
формулы коэффициентов отражения и пропускания. В случае когда первая прилегающая к подложке П (с коэффициентом преломления n) пленка изготовлена из вещества с высоким показателем преломления и следующие из чередующихся слоев пленок обладают
высоким п (обозначим их как В) и низким показателем преломления (обозначим их как Н), структура зеркала имеет вид ПВ(НВ)N.
Таким образом, при точном равенстве оптической толщины слоев
четверти длины волны света коэффициенты отражения многослойного зеркала при падении света по нормали из воздуха для четного
2N и нечетного 2N + 1 числа слоев рассчитываются соответственно
[3, 10] по формулам
R2N
æ 1 - (n / n )(n / n )2N ö÷2
ç
0
1
2
= çç
÷÷ ,
çè1 + (n / n0 )(n1 / n2 )2N ø÷÷
2 N ö2
æ
ç 1 - (n1 / n0 )(n1 / n)(n1 / n2 ) ÷÷
R2N +1 = çç
÷ .
çè1 + (n1 / n0 )(n1 / n)(n1 / n2 )2N ø÷÷
Область спектра, в которой пропускание минимально, называется областью заграждения. Она характеризуется шириной полосы заграждения 2Δλ. Ширину полосы заграждения можно связать
с коэффициентами преломления.
На рис. 4.2 изображены кривые, показывающие зависимость
коэффициента отражения зеркал от длины волны (с разным числом слоев ZnS и криолита).
По кривым видно, что с ростом числа слоев область хорошего отражения сужается, вершина ее становится все более плоской и приобретает вид плато, а величина отражения в области плато возрастает. Ширина плато Δλ (ширина области высокого отражения) зависит от разности коэффициентов преломления использованных
слоев. Чем она больше, тем шире область отражения. Число слоев
107
R, % 100
– 1 слой
– 3 слоя
– 7 слоев
– 11 слоев
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0 λ, мкм
Рис. 4.2. Коэффициенты отражения зеркал с разным числом слоев
в периодической системе зеркала можно определить по числу экстремумов между двумя полосами заграждения. Их число равно
числу используемых слоев (см. рис. 4.2).
На практике эта методика ограничена областью используемых длин волн, в которой снимается спектр. Реально число слоев
можно определить, сравнивая расчетные спектры с измеренными
в области полосы заграждения и ближайших экстремумов по длинам волн (или частот), соответствующих положению ближайших
экстремумов.
Описание лабораторной установки
Практическое изучение характеристик зеркал проводится
в ручном режиме на спектрофотометре МУМ-2. Его описание приведено в Приложении 1.
Линзу конденсора следует расположить так, чтобы входная
щель монохроматора была равномерно освещена по высоте 7–8 мм,
чего можно добиться, если щель находится вблизи фокуса конденсора. При этом достигается эффективное заполнение коллиматорного зеркала монохроматора.
108
Ширину как входной, так и выходной щели следует подбирать
исходя из того, что спектральная ширина щели на выходе монохроматора должна быть во много раз меньше полосы пропускания
фильтра (т. е. Sсп << 2δλ). Для 2δλ ≈ 30 нм с учетом величины обратной линейной дисперсии прибора D–1 = 4,8 нм/мм можно выбрать S. Рекомендуется S < 10–2(2Δλ / D-1) ≈ 0,06 мм.
Устанавливая питание ФЭУ, следует иметь в виду, что при чрезмерно высоком напряжении может произойти разрушение фотокатода в случае его паразитной засветки. Поэтому на блоке питания
ФЭУ необходимо установить напряжение питания ФЭУ не более
1300 В.
Чувствительность усилителя следует выбрать такой, чтобы при
открытом входном затворе сигнал источника не превышал 10 В во
всем рабочем диапазоне длин волн. (Помните, что максимальная интенсивность источника находится у красной границы этого диапазона.) Рекомендуемая чувствительность усилителя 10 мА.
Если даже при максимальной чувствительности усилителя сигнал
невелик (меньше 2 В), то необходимо проверить освещенность щели. Для увеличения светового потока допускается также некоторое
увеличение щелей прибора, но с соблюдением изложенных требований.
При подготовке к работе необходимо заранее задать три исходные величины: начало рабочего спектрального диапазона, конец
диапазона и максимальное значение сигнала пропускания светофильтра или зеркала (в вольтах). Для их нахождения необходимо
провести сканирование по длинам волн в достаточно широком диапазоне. Для грубого определения полосы пропускания фильтра
и границ записи пропускания зеркала удобно выполнять сканирование на достаточно большой скорости (около 80 нм/мин), для детального ее определения скорость необходимо снизить до 10 нм/мин.
Зеркало устанавливается в кюветном отделении и может выдвигаться из светового пучка с помощью специального рычага. Перпендикулярность пучка обеспечивается кюветным держателем.
Запись пропускания зеркала производится в достаточно широком спектральном интервале. Следует заметить, что при этом записанный спектр по пропусканию будет несколько отличаться
от «истинного» вследствие действия по крайней мере трех факторов. Во-первых, источник имеет разную интенсивность на разных
длинах волн. Во-вторых, дифракционная решетка монохроматора
имеет разную отражательную способность под разными углами.
И, в-третьих, ФЭУ имеет разную чувствительность на разных дли109
нах волн. Скомпенсировать влияние этих факторов можно, взяв отношение двух сигналов на каждом шаге. Полученное таким образом в необходимом спектральном диапазоне относительное пропускание зеркала и является «истинным».
Примеча ние. Если запись спектров производится без использования самописца, следует самостоятельно выбрать разумный
шаг записи, позволяющий с точностью около 5 % численно зафиксировать все детали спектров.
Задания к лабораторной работе
Задание 1. Установить исследуемое зеркало в световой пучок. Получить спектр пропускания диэлектрического зеркала в широком
спектральном интервале. Этот интервал должен содержать основные
спектральные закономерности изменения пропускания зеркала. Найти плато зеркального отражения (область минимального пропускания). Определить максимальное относительное пропускание в этой
области, а также в областях всех других минимумов пропускания.
Задание 2. Снять спектр пропускания зеркала в области длин
волн 0,5–1 мкм спектрофотометром МУМ-2. Считая, что материал пленки с низким показателем преломления известен (n = 1,4),
определить коэффициент преломления вещества с высоким показателем преломления и по справочнику найти само вещество. Путем
сравнения пропускания зеркала в минимуме с рассчитанным пропусканием установить число слоев.
Задание 3. Снять спектр пропускания зеркала в области длин
волн 2–8 мкм спектрофотометром ИКС-22. Определить число пленок в зеркале и материал пленки с высоким показателем преломления. Подложка и пленка с низким показателем преломления изготовлены из фторида бария. Рассчитать спектр и сравнить с экспериментально измеренным.
К отчету необходимо приложить графики пропускания зеркала.
Лабораторная работа № 4
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ СВЕТОФИЛЬТРОВ
Цель работы: изучение спектральных характеристик интерференционных светофильтров.
110
Методические указания
При прохождении световой волны через плоскопараллельную
диэлектрическую пластинку толщиной d и показателем преломления n (рис. 4.3) возникает интерференция световых пучков. При
этом поглощение в пластине должно быть мало, а отражение от граней достаточно велико. Тогда при анализе интерференции будут
учитываться лучи, многократно отразившиеся внутри пластинки [22]. В дальнейшем предполагается, что угол падения θ0 мал,
и компоненты света с поляризацией, параллельной и перпендикулярной плоскости падения, имеют один и тот же коэффициент отражения R от граней пластины.
Для того чтобы найти интенсивность света, прошедшего сквозь
пластинку, необходимо рассмотреть бесконечную последовательность убывающих по амплитуде лучей. Применяя к этой последовательности формулу суммы геометрической прогрессии, можно
получить следующее соотношение для прозрачности пластинки T
и коэффициента отражения R (формула Эйри):
T=
Iïð
Iïàä
=
(1 - R)2
(1 - R)2 + 4R sin2 (d / 2)
,
(4.7)
где d = (4p λ0 )nd cos θ – разность фаз между двумя соседними интерферирующими пучками; λ0 – длина волны света.
d
Iпад
n
θ0
θ
Iпр
Iотр
Рис. 4.3. Интерференция световых пучков
при прохождении световой волны через
плоскопараллельную диэлектрическую пластину
111
T
R = 0,2
R = 0,5
R = 0,8
m
m+1
δ/(2π)
Рис. 4.4. Зависимости прозрачности пластинки от относительной
разности фаз между соседними интерферирующими пучками
для разных коэффициентов отражения граней R
Соответствующий график представлен на рис. 4.4. Зависимость
прозрачности T от величины δ имеет вид системы максимумов,
причем чем больше коэффициент отражения R, тем острее становятся максимумы.
Фазовая ширина интерференционного максимума на полувысоте описывается выражением
Δ=
1- R
p R
.
Таким образом, чем выше коэффициент отражения R граней,
тем меньше ширина полосы пропускания Δ. Для получения высоких значений R в интерференционных светофильтрах используют
многослойные диэлектрические зеркала.
Интерференционный светофильтр состоит из двух зеркал (чаще всего интерференционных) и разделительного слоя между ними (рис. 4.5). Четвертьволновые слои зеркал и разделительный
слой нанесены на стеклянную пластинку (подложку), другая стеклянная пластинка наклеена на фильтр для защиты слоев от влаги
и механических повреждений. Разделительный слой толщиной d
играет роль интерференционной пластинки. Согласно (4.7) слой яв112
Трехслойное зеркало
Защитная пластинка (стекло)
Разделительный слой
n0
nв
nн
nв
nр
d
nв
nн
nв
n0
Подложка (стекло)
Трехслойное зеркало
Рис. 4.5. Схема устройства интерференционного светофильтра
с трехслойными зеркалами
ляется прозрачным для тех длин волн, для которых его оптическая
толщина
λ
n ðd = k ,
2
k=1, 2, 3,…
т. е. разделительный слой толщиной λ0/2, может служить фильтром для пропускания длин волн λ0, λ0/2, λ0/3,...
Формирование спектральной характеристики интерференционного светофильтра с семислойными диэлектрическими зеркалами
иллюстрирует рис 4.5.
Коэффициент отражения диэлектрического зеркала, толщина
слоев которого равна λ0/4 = 140 нм, приведен на рис. 4.6, а.
Пропускание двух зеркал с разделительным слоем между ними представлено на рис. 4.6, б. Узкий максимум прозрачности расположен на расчетной длине волны λ0 = 560 нм. Широкие полосы
113
(крылья) соответствуют тем областям, где коэффициент отражения
зеркал мал. Прозрачность в области ниже 360 нм отсутствует из-за
поглощения в стеклянной подложке фильтра. Пунктиром показаны кривые прозрачности двух цветных поглощающих светофильтров, которые часто включают в состав интерференционного фильтра для устранения широких крыльев.
Прозрачность готового светофильтра изображена на рис. 4.6, в.
Ширина пика реальных фильтров составляет обычно 2–5 нм, прозрачность в максимуме – 60–70 %.
Фильтры более высоких порядков (k = 3 – 5) имеют более узкие
максимумы, однако их пропускание, как правило, заметно ниже.
Так как максимумы высоких порядков расположены чаще, могут
возникать также трудности с выделением одного максимума.
а)
R, отн. ед.
1,0
0,5
0
б)
T, отн. ед.
1,0
0,5
0
в)
T, отн. ед.
1,0
0,5
0
200
300
400
500
600
700
800 λ, нм
Рис. 4.6. Формирование спектральной характеристики
интерференционного светофильтра
114
Хотя интерференционные светофильтры рекомендуется располагать в параллельном пучке лучей, по условиям экспериментов их
часто используют в наклонных и расходящихся пучках. При этом
необходимо учитывать изменение их характеристик: положения
максимума полосы пропускания, ширины полосы 2δλ, формы контура полосы.
Изменение свойств светофильтра как многослойной системы
при наклонном падении света происходит по двум главным причинам. Это, во-первых, изменение эффективной оптической толщины
слоев nhcosq (θ – угол преломления в слое), а, во-вторых, изменение
френелевских амплитудных коэффициентов отражения и пропускания на границах слоев. Рассмотрим их влияние.
Зависимость относительного смещения полосы Dl/l0 светофильтра, состоящего из двух зеркал и разделительного слоя толщиной
λ
n p d = k , выражается соотношением
2
Dl/l0=q02/(2nр2),
где q0 – угол падения света на систему.
Для расходящегося конического пучка относительный сдвиг полосы оказывается вдвое меньше. Определим апертуру светофильтров qм как значение угла падения, при котором смещение полосы
Dlм равно ширине полосы пропускания 2dl (рис. 4.7). Тогда выражение для qм будет иметь вид
θì = n ð 4dλ / λ0 .
(4.8)
Это соотношение позволяет сделать два важных качественных
вывода:
1. Наибольшие углы падения допускают использование светофильтров с высоким показателем преломления разделительного
слоя, например, выполненные на основе веществ ZnS, ZnSe, Ge,
РbF2 и др. Отметим, кроме того, что на практике чаще применяют
разделительные слои с низким показателем преломления из-за их
преимуществ, связанных с малым поглощением.
2. Светофильтры с широкой полосой пропускания допускают
работу при больших углах наклона светового пучка. Так, для светофильтров с nр = 1,9 на длине волны l0 = 500 нм с шириной полосы от 10 до 1 нм значение апертуры qм изменяется от 22 до 7°.
Простая формула (4.8) достаточно хорошо работает в диапазоне
углов падения, в котором коэффициенты отражения и пропускания лучей, поляризованных параллельно и перпендикулярно плос115
∆λм
T
2δλ
0
λм
λ0
λ
Рис. 4.7. Определение апертуры светофильтра
кости падения, не слишком заметно различаются. В противном
случае происходит расщепление полосы пропускания светофильтра соответственно на р- и s- компоненты.
Более точно угловые зависимости светофильтров могут быть
описаны с учетом спектрального хода скачков фазы bp′ и bs′ на многослойных зеркалах, граничащих с разделительным слоем.
Описание лабораторной установки
Практическое изучение характеристик интерференционных
светофильтров проводится в ручном режиме на спектрофотометре
МУМ-2. Его описание приведено в Приложении 1.
Линзу конденсора следует расположить так, чтобы входная
щель монохроматора была равномерно освещена по высоте 7–8 мм.
Этого можно добиться, если щель находится вблизи фокуса конденсора. При этом достигается эффективное заполнение коллиматорного зеркала монохроматора.
Ширину как входной, так и выходной щели следует подобрать
с таким расчетом, чтобы спектральная ширина щели на выходе монохроматора была во много раз меньше полосы пропускания фильтра (т. е. Sсп << 2dl). Для 2dl ≈ 30 нм с учетом обратной линейной
116
дисперсии прибора D–1 = 4,8 нм/мм можно выбрать S. Рекомендуется выбирать S ≤ 10–2(2dl/D–1) ≈ 0,06 мм.
Устанавливая питание ФЭУ, следует иметь в виду, что при чрезмерно высоком напряжении при паразитной засветке может произойти разрушение фотокатода. Поэтому на блоке питания ФЭУ
необходимо установить напряжение питания ФЭУ не более 1300 В.
Чувствительность усилителя следует выбрать такой, чтобы при
открытом входном затворе сигнал источника не превышал 10 В во
всем рабочем диапазоне длин волн. Помните, что максимальная интенсивность источника находится у красной границы этого диапазона. Рекомендуемая чувствительность усилителя 10 мА.
Если даже при максимальной чувствительности усилителя сигнал
невелик (меньше 2 В), то необходимо проверить освещенность щели. Для увеличения светового потока допускается также некоторое увеличение щелей прибора, но с соблюдением требований, изложенных ранее.
При подготовке к работе необходимо заранее задать три исходные величины: начало рабочего спектрального диапазона, конец диапазона и максимальный сигнал пропускания светофильтра (в вольтах). Для их определения требуется провести сканирование по длинам волн в достаточно широком диапазоне. Для грубого определения полосы пропускания фильтра удобно провести
сканирование на достаточно большой скорости (около 80 нм/мин).
Для детального ее определения скорость необходимо снизить до
10 нм/мин. При выполнении работы запись спектра пропускания
фильтра следует проводить при наклонном падении света, когда
его полоса пропускания сдвинута на расстояние до 30 нм в сторону
коротких длин волн. При определении границ рабочего спектрального диапазона необходимо это учесть, так как все записи удобно
делать без изменения границ.
Светофильтр помещают на юстировочный столик, имеющий регулировку наклона и шкалу поворота вокруг вертикальной оси, градуированную в градусах. Указатель этой шкалы устанавливают на
нулевую отметку, затем с помощью регулировочных винтов юстировочного столика фильтр располагают по возможности перпендикулярно падающему свету. Перпендикулярность контролируется по
отраженному световому пучку. Перед записью пропускания светофильтра необходимо убедиться в том, что интерференционное зеркало, установленное в кюветной части, выведено из светового пучка.
Примечание. В случае если запись спектров производится без
использования самописца, следует самостоятельно выбрать разум117
ный шаг записи, позволяющий с точностью около 5 % внести все
особенности спектра в протокол измерений.
Задания к лабораторной работе
Задание 1. Установить фильтр. Получить спектр относительного
пропускания фильтра при нормальном падении света (в процентах
к падающему излучению). Определить рабочую длину волны фильтра λ0 (максимум пропускания) и ширину полосы пропускания.
Задание 2. Получить спектры пропускания фильтра при разных
углах падения света: q = 10, 15, 20, 25 и 30°. По полученным спектрам построить следующие графики: а) зависимость длины волны,
соответствующей максимальному пропусканию lmax, от угла падения θ; б) зависимость пропускания Т0 на длине волны l0 от q. Определить угловую апертуру данного светофильтра.
Задание 3. Рассчитать структуру интерференционного светофильтра, спектр которого был исследован в эксперименте. К отчету необходимо приложить график пропускания фильтра и графики
зависимостей lmax(q) и Т0(q).
Лабораторная работа № 5
ИССЛЕДОВАНИЕ МОЩНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Цель работы: исследование поглощения в пленках и подложках
на длине волны 10,6 мкм калориметрическим методом.
Описание лабораторной установки
Описываемый метод позволяет проводить измерения очень малых поглощений (А ∼ 0,1 %), что невозможно сделать традиционным фотометрическим методом, имеющим погрешность измерений
А ≥ 0,3 %. При должной калибровке калориметра диапазон измерения поглощения составляет от А = 10–4 до А = 10–1 с достаточно высокой точностью измерения.
Поглощение в пленках и подложках можно определить калориметрическим методом по следующей методике [24].
Источником излучения служит одномодовый непрерывный
СО2-лазер с выходной мощностью до 5 Вт. Излучение лазера прохо118
дит через систему диафрагм и направляется на образец с пленкой,
находящийся в оправе. Оправа помещена в калориметр. На оправе и калориметре размещены термодатчики, включенные в одно
из плеч сбалансированного моста. Другое плечо моста собрано на
прецизионных сопротивлениях, нечувствительных к температуре.
При нагревании подложек и оправы лазерным излучением происходит разбалансировка моста, и сигнал ее измеряется вольтметром.
Идея метода калориметрического измерения поглощения слабо поглощающих веществ состоит в том, что при определенных условиях изменение температуры исследуемого образца в результате поглощения части падающей на него энергии оказывается прямо пропорциональным падающей энергии. Измерив в этом случае
мощность источника излучения (лазера) W, изменение температуры образца ΔT и время падения излучения на образец (нагревания) τн, поглощение A можно вычислить по формуле
A=
cΔT
.
W τí
(5.1)
Здесь c – теплоемкость образца и оправки, в которую он помещен:
c = cóäm + c0óäm0 = cóäm + c0 ,
где m и m0 – массы, cуд и c0уд – удельные теплоемкости образца
и оправки; c0 – теплоемкость оправки.
Следует отметить, что формула (5.1) написана в предположении,
во-первых, полной теплоизоляции образца и, во-вторых, равномерного и одинакового нагревания образца и оправки, что практически не выполняется.
Для уменьшения теплообмена с окружающей средой образец
помещают в калориметр. Однако в любом реальном калориметре
часть энергии, поглощенной образцом во время измерения, рассеивается во внешнюю среду, т. е. происходит утечка теплоты. Это
обстоятельство следует учитывать посредством введения в формулу (5.1) поправки, которая позволяет компенсировать утечку теплоты в процессе измерения (см. далее).
Так как сечение лазерного пучка мало по сравнению с размером
оправки, быстрее всего нагревается центр образца, медленнее –
его края, еще медленнее – оправка. Поэтому как температура каждой точки образца, так и ее изменение ΔT за время измерения τн
для разных точек образца будут разными, т. е. нагревание образца
и оправки существенно неодинаковое и неравномерное. Необходи119
мо установить связь между величиной ΔT, измеряемой на оправке,
и изменением температуры в образце.
Для преодоления этих затруднений используется метод имитации, суть которого заключается в следующем. Из того же вещества,
что и образец, изготавливается подобный ему имитатор, внутрь которого помещается небольшой резистор. Тогда распределение температур в образце (под действием лазерного луча) и имитаторе (под
действием протекающего по нему электрического тока) при одинаковой поглощаемой мощности практически совпадает. Джоулеву
теплоту, выделяемую на резисторе, легко вычислить, а далее можно определить чувствительность установки (рис. 4.8).
На рис. 4.8 1 – источник излучения (лазер ЛГ-74); 3 – измеритель
мощности излучения с основной 4 и вспомогательной 2 головками.
Мощность пучка измеряется с помощью прибора ИМО-3 до и после
основных измерений. Во время измерений входной зрачок измерителя мощности лучше закрыть асбестовой заслонкой 11, чтобы обратный световой поток из него не попал снова в калориметр. Диафрагма 8 служит для отсечения неглавных мод лазера, бликов от
непросветленной поверхности выходного зеркала лазера. Ее следует располагать не перпендикулярно лучу, а под некоторым углом,
чтобы луч, отраженный от образца и попавший на ее поверхность,
не был снова направлен в калориметр; 10 – светоделительная пластина; 5 – асбестовая заслонка; 7 – калориметр с образцом.
2
3
7
1
11
10
4
8
9
5
6
Рис. 4.8. Блок-схема измерительной установки
120
Разность температур оправки и окружающей среды определяется с помощью мостиковой схемы на термосопротивлениях. Одно
плечо схемы закреплено на нагреваемой и ненагреваемой части калориметра, а другое вынесено наружу. Питание схемы осуществляется блоком 6, сигнал с мостиковой схемы регистрируется микровольтметром 9.
Для прозрачных образцов с известным коэффициентом пропускания мощность лазерного излучения можно измерить основной
головкой 4, но в этом случае на образец могут попасть отраженный
луч или тепловое излучение, выходящее из отверстия головки измерителя мощности, и внести искажения в результаты измерений.
Поэтому мощность излучения лучше измерять с помощью вспомогательной головки 2. Следует отметить, что для непрозрачных зеркал этот метод измерения мощности является единственно возможным. Часть лазерного луча отражается от светоделительной пластины 10, изготовленной из ZnSe, и попадает на вспомогательную
головку. Показания, снимаемые с головок 3 и 2, приводят в соответствие друг с другом, после чего перед основной головкой ставят
асбестовую заглушку 11.
Калориметр (рис. 4.9) размещают на специальном столике 1
с тремя подвижками 6, которые позволяют проводить тонкую
юстировку системы. Он закрыт кожухом 4 из оргстекла, выполняющим роль внешнего теплоизолятора. На входное и выходное отверстия кожуха поставлены диафрагмы, подобранные по диаметру
а)
б)
4
5
7
3
8
2
9
1
10
6
Рис. 4.9. Устройство калориметра
121
лазерного пучка. Головка калориметра 5 укреплена на столике 1.
Она может находиться в вертикальном (рабочем) или горизонтальном (удобном для установки образца) положении. Во входное и выходное отверстия головки калориметра также вставлены диафрагмы. Внутри корпуса калориметра (рис. 4.9, б) закреплен алюминиевый полый цилиндр 9, к которому на растяжках крепится в подвешенном состоянии оправка 8 с образцом 7. Термосопротивления
приклеены: два на оправках (наружной и внутренней) и два на цилиндре. Сигнал с этих сопротивлений через разъем 2 подается на
микровольтметр.
Методические указания
Перед проведением измерений установку необходимо тщательно
отъюстировать: лазерный луч должен проходить через центры всех
диафрагм, отверстий, оправки с образцом и нигде не задевать каких-либо посторонних предметов. После юстировки образец укладывают в оправку, а калориметр устанавливают в рабочее положение. Открывается заслонка 5 (см. рис. 4.8), и образец начинает нагреваться. Одновременно через определенные промежутки времени τн (обычно 0,5–1 мин) снимают показания с микровольтметра 9
и измерителя мощности. Примерный график зависимости напряжения на микровольтметре от времени приведен на рис. 4.10.
U
I
II
III IV
V
Ui +1
Ui
t
Рис. 4.10. Зависимость напряжения
на микровольтметре от времени
122
На левой части приведенной кривой можно выделить три характерных участка: I – область прогрева образца и установления
температурного режима в образце и оправке; II – область линейной зависимости нагревания от времени; III – область, в которой потери теплоты калориметром существенно возрастают. Зависимость U(t) в этой области становится нелинейной. График
постепенно приближается к горизонтальной линии, соответствующей установлению в системе термодинамического равновесия, при котором поглощаемая образцом мощность становится равной мощности, рассеиваемой калориметром в окружающую
среду.
Для вычисления коэффициента поглощения используют измеренные за равные промежутки времени τнi значения Ui из области II и начального участка области III, так как точность расчетов
уменьшается с уменьшением отношения ΔU Δt.
После окончания измерений при нагревании образца производят измерения при остывании системы (правая часть кривой на
рис. 4.10). Причем при охлаждении измеряют промежутки времени τоi между теми моментами, в которые показания микровольтметра Ui имеют те же значения, что и при нагревании. Это позволяет
учесть потери теплоты калориметром.
В итоге по разности двух соседних значений напряжения
ΔUi = Ui + 1 – Ui и разности соответствующих промежутков времени
при нагревании τнi и охлаждении τоi, а также средней мощности излучения Wi можно найти поглощение
Ai =
cΔUi
cΔUi
cΔUi çæ 1
1 ÷ö
÷,
+
=
+
çç
Wi τíi χ Wi τîi χ χWi è τíi τîi ø÷÷
где χ – чувствительность установки, определяемая по имитации.
В результате серии измерений получают ряд значений коэффициента поглощения, которые необходимо обрабатывать статистически.
Для определения чувствительности установки в имитатор, изготовленный из того же материала и имеющего такие же размеры,
как и образец, помещают небольшой резистор, который нагревается при протекании по нему электрического тока. Рассеиваемую
на резисторе мощность можно вычислить, зная его сопротивление
и калибровочное напряжение, подаваемое от внешнего источника
питания. Измерения проводят так же, как и при падении на образец лазерного излучения. Так как для имитатора поглощение равно
123
единице (A = 1), чувствительность установки χ можно рассчитать
по формуле
χ=
1ö
cΔU æç 1
çç + ÷÷÷,
W è τí τî ø÷
где W = U 2 R ; U – калибровочное напряжение, подаваемое на резистор R.
Значение χ зависит от диаметра оправки, и потому его следует определять для каждой оправки и калориметра. Кроме того,
чувствительность прямо пропорциональна напряжению питания, подаваемому на измерительную мостиковую схему, а также
зависит от поглощаемой мощности и теплоемкости образца (его
толщины и материала). Поэтому напряжение питания следует
оставлять фиксированным, а зависимость χ(W) и χ(c) необходимо
изучить.
Оказалось, что для имеющихся оправок изменение мощности на
порядок (что превосходит пределы изменения мощности лазерного
излучения при измерениях) вызывает изменение чувствительности
на 10–15 %. Примерно к таким же изменениям чувствительности
приводит изменение в пять раз теплоемкости образца. Таким образом, каждая из указанных причин вызывает отклонение величины χ от среднего значения на 5–8 %. Вместе они вызывают относительную погрешность около 10 %. Обычно такая точность бывает
достаточной, и тогда можно использовать среднее значение χ как
константу установки.
Для более точного определения поглощения A следует построить номограмму χ(W, c) и пользоваться при расчетах значениями χ
для W и c.
Поглощение пленки Aп толщиной l связано с коэффициентом поглощения вещества αп соотношением
Aп = 1 – exp(–αпl),
следующим из закона Бугера–Ламберта.
Для тонких слабо поглощающих пленок αпl << 1, и поэтому, раскладывая экспоненту в ряд и ограничиваясь первыми двумя членами, получаем
aï =
124
Aï
.
l
n0
ns
l
ls
Рис. 4.11. Падение излучения на систему
пленка–подложка
Так как пленка конденсируется на подложку, измеряя сначала
поглощение подложки As, а затем поглощение системы пленка–подложка A, можно вычислить коэффициент поглощения пленки
A - As
.
l
При этом, однако, не учитывается влияние возвращения излучения в пленку в результате отражения от границ раздела пленка –
подложка и подложка–воздух.
Имеется аналитическое выражение поглощения системы пленка–подложка. При этом предполагается отсутствие поглощения
на границах раздела воздух–пленка–воздух. Тогда, если излучение лазера падает на рассматриваемую систему со стороны пленки
(рис. 4.11), для поглощения A можно записать
aï =
1 (1 - R)R ¢
A = A1 + ×
A2 + A3 ,
n 1 - RR ¢
где A3 = As
A1 =
(5.2)
(1 - R)R ¢
;
1 - RR ¢
2
n1
t01
al
×
n0 1 - 2r12r10 cos(4pn1l/λ + (r12r10 )2
é
ù
ê(1 + r12 )2 + r12λ sin(4pn1l/λ)ú ;
ê
ú
2pn1l
ë
û
2
é
ù
t21
al
ê(1 + r10 )2 + r10 λ sin(4pn1l/λ)ú ;
A2 = n ×
2
ê
ú
n0 1 - 2r r cos(4pn l/λ) + (r r ) ë
2pn1l
û
12 10
1
12 10
125
R=
(n0 - n2 )2 cos2 (2pn1l/λ) + [(n0n2 /n1 ) - n1 ]2 sin2 (2pn1l/λ)
(n0 - n2 )2 cos2 (2pn1l/λ) + [(n0n2 /n1 ) + n1 ]2 sin2 (2pn1l/λ)
;
æ n - n0 ÷ö2
÷ ;
R ¢ = çç 2
çè n2 + n0 ÷÷ø
rij =
tij =
ni - nj
ni + nj
;
2ni
;
ni + nj
As – поглощение подложки, измеренное в отсутствие пленки;
n0 – показатель преломления воздуха;
n1 – показатель преломления пленки;
n2 – показатель преломления подложки;
l – геометрическая толщина пленки;
ls – геометрическая толщина подложки;
A – коэффициент поглощения пленок.
При выводе формулы (5.2) предполагалось выполнение условия
αпl << 1.
Формула (5.2) принимает наиболее простой вид, когда оптическая толщина пленки равна половине длины волны (nl = λ/2).
В этом случае ее коэффициент поглощения определяется формулой
aï =
Aï - As
,
Bλ
(5.3)
где
B=
n12 + n22
n12 (1 + n2 )2
+
n2 (n12 + 1)(n2 -1)2
2n12 (n22 + 1)(1 + n2 )2
.
(5.4)
В таблице приведены значения коэффициента B, вычисленные
согласно выражению (5.4) для веществ, часто используемых в качестве компонентов инфракрасных покрытий. В случае полуволновой пленки l = λ/(2n), и поэтому согласно соотношению (5.3),
в формуле (5.4) коэффициент B = 1/2, что может существенно отличаться от правильного значения, рассчитанного по (5.3). Например, для полуволновой пленки Ge, напыленной на подложку ZnSe,
B = 0,15.
126
Подложка
Значение коэффициента B для системы пленка–подложка
Ge
Пленка
ZnSe
ZnS
Ge
0,201 0,224
–
Si
Sb2S3
–
PbF2
SrF2
Y2O3
ZrO2
0,141 0,191 0,436 0,343 0,458 0,253 0,271
BaF2 0,241 0,253 0,203 0,211 0,236
ZnSe
BaF2
–
0,313 0,371 0,268 0,277
0,226 0,150 0,162 0,201 0,391 0,317 0,407 0,249 0,263
Указания к лабораторной работе
ВНИМАНИЕ! В качестве источника света в настоящей работе используется СО2-лазер ЛГ-74, генерирующий невидимое глазом излучение на длине волны 10,6 мкм. В силу большой выходной мощности лазер является источником повышенной пожарной
опасности, а также опасности для здоровья людей. Во время измерений необходимо следить, чтобы посторонние предметы и руки
не попадали в лазерный пучок, так как это может вызвать их возгорание или ожог. КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩАЕТСЯ включать
лазер без разрешения и без присмотра преподавателя.
Перед началом работы необходимо ознакомиться с инструкцией по работе с лазером и калориметрическим стендом.
Предварительно измеряют поглощение в подложках As. После
напыления полуволновой (5,3 мкм) или волновой (10,6 мкм), не
влияющей на пропускание пленки исследуемого вещества определяют суммарное поглощение в подложке и пленке А, а затем вычисляют поглощение в пленке.
Порядок закладки образца в калориметр: снять кожух из оргстекла, установить калориметр горизонтально, освободить крепежные винты и снять крышку. Специальным ключом отвинтить наружную медную оправку, вынуть медную (или алюминиевую) прокладку, взяв ее пальцами за выступающие стерженьки. Пинцетом
осторожно поместить образец в центр медного стакана. Повторяя
действия в обратном порядке закрыть калориметр, установить его
вертикально и закрыть кожухом.
Порядок измерения чувствительности установки: переключив
милливольтметр в режим омметра, измерить электрическое сопротивление имитатора. Поместить имитатор в калориметр, следя за
127
тем, чтобы оголенные контакты подводящих проводов не касались
его металлических деталей. Провода вывести наружу через любое
из имеющихся отверстий и подсоединить к выключенному источнику постоянного тока. Подождать около 10 мин и измерить сигнал U. Подать на резистор постоянное напряжение, выбранное с таким расчетом, чтобы выделяющаяся на нем тепловая мощность была того же порядка, что и в образце, поглощающем лазерное излучение, т. е. W = 0,01–0,05 Вт. Через каждый промежуток времени
t = 8 мин измерить сигналы U от нагретого и остывшего образца.
Порядок измерения пропускания и поглощения образца: включить лазер и измерительную схему (выполняет преподаватель).
Провести юстировку оптической схемы. Необходимо добиться,
чтобы лазерный луч проходил через середину диафрагмы оправки
и входил в центр отверстия головки измерителя мощности. Излучение лазера на длине волны 10,6 мкм является невидимым и может быть обнаружено по зажиганию бумажки, помещенной в пучок. Юстировку калориметра проводить с помощью специальных
подвижек.
Измерить мощность лазерного излучения W. Для этого подать
излучение в измеритель мощности, минуя образец. В этот момент
калориметр должен находиться в горизонтальном положении со
снятой крышкой. Если мощность лазера оказывается больше 1 Вт,
следует включить ослабитель (делитель 1/10) излучения. Закрыть
асбестовой заслонкой лазерное излучение, поместить образец в калориметр, подать на него излучение и измерить мощность прошедшего излучения Wt.
Задания к лабораторной работе
Задание 1. Измерить поглощение в образце селенида цинка
и определить его коэффициент поглощения, используя закон Бугера.
Задание 2. Измерить поглощение в 7-слойном зеркале из четвертьволновых пленок фторида свинца и селенида цинка на подложке из селенида цинка. Считая поглощение в пленках одинаковым, определить коэффициент экстинкции пленок k. Поглощением
в подложке пренебречь.
128
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ МОНОХРОМАТОРА МУМ-2
Основные данные
Монохроматор универсальный малогабаритный МУМ-2 [29] предназначен для выделения монохроматического излучения, исследования источников света, приемников излучения, решения аналитических задач и других работ в области спектра 300–1200 нм.
Основные технические данные:
рабочий диапазон длин волн 300–1200 нм;
наблюдаемое разрешение для длины волны 589 нм равно 0,6 нм;
обратная линейная дисперсия 4,8 нм/мм;
расфокусировка спектральных линий ±1,5 мм в диапазоне длин
волн 400–1000 нм;
погрешность показаний счетчика длин волн в диапазоне 400–
1100 нм равна ± 0,5 нм;
щели сменные постоянной ширины 0,05; 0,25; 1,0; 3,0 мм;
блок приемника излучения обеспечивает работу в диапазоне
300–1100 нм.
Устройство монохроматора
Рассмотрим устройство монохроматора (рис. П.1).
Излучение от источника света 1 через конденсор 2 попадает на
входную щель 3 и посредством зеркала 4 отклоняется на вогнутую
дифракционную решетку 5, которая играет роль фокусирующего
и диспергирующего элементов. В монохроматоре имеется решетка
с переменным шагом нарезки и криволинейными штрихами, что
дает возможность существенно скомпенсировать расфокусировку
и другие аберрации. Закон изменения шага дифракционной решетки определяют по формуле
N(y) = N0(1 + my – (my)2/2),
где N0 = 1200 штр/мм – постоянная решетки в ее вершине;
m = 0,001048 мм–1; y – расстояние от вершины решетки, мм.
Дифрагированное решеткой излучение направляют на выходную щель 6 или 7 (в зависимости от положения второго плоского диагонального зеркала). Щели сменные, постоянной ширины.
Для установки щелей на корпусе монохроматора имеются гнезда.
129
6
7
1200 штр/мм
5
4
3
2
1
Рис. П.1. Оптическая схема монохроматора
Для получения большей спектральной чистоты выделяемого излучения при работе в области спектра 435–1065 нм входную и выходную щели устанавливают в положение I, а при работе в областях
спектра 300–435 нм и 1065–1200 нм их переводят в положение II.
Номинальные размеры щелей и обозначения положений нанесены
на их поверхности.
Для устранения влияния вторых порядков в диапазоне 360–
600 нм применяют бесцветный, в диапазоне 600–1000 нм – оранжевый, в диапазоне 1000–1500 нм – инфракрасный светофильтр.
Сканирование спектра осуществляется поворотом решетки 5 вокруг оси на угол от 6°54′ до 28°44′. Закон движения решетки обеспечивается синусным механизмом, в котором для перемещения
опорной поверхности служит винт. Системой зубчатых передач синусный механизм связан с решеткой и рукояткой, расположенной
на торцевой стенке монохроматора, и цифровым механическим
счетчиком, вмонтированным в его корпус. С помощью счетчика
осуществляется непосредственный отсчет длин волн с точностью
± 0,5 нм. После проведенной доработки на ось ручки может быть
установлена зубчатая передача, через которую посредством шаго130
вого двигателя можно управлять положением решетки с помощью
компьютера.
В качестве источника излучения применяют галогенную лампу
накаливания КIМН6.
Источник излучения размещен в закрытом кожухе. Световой поток выводят через конденсор, встроенный в стенку кожуха.
Предусмотрена возможность юстировки положения источника излучения относительно оптического канала.
Блок приемника излучения содержит малошумящий кремниевый фотодиод типа ФДУК-20, используемый в качестве чувствительного в широкой области спектра фотоэлектрического преобразователя. На оптическом входе приемника излучения размещена
диафрагма с регулируемой высотой, что позволяет в определенных
пределах выбрать и установить оптимальное для конкретного измерения значение потока излучения.
131
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СПЕКТРОФОТОМЕТРА ИКС-22
Основные данные
Автоматический двухлучевой инфракрасный спектрофотометр
ИКС-22 [27, 31] предназначается для регистрации и измерения
спектров поглощения жидких, твердых и газообразных веществ
и измерения коэффициентов пропускания в процентах. Регистрация спектров производится пером на бумажном бланке, калиброванном по пропусканию в процентах и по волновым числам в обратных сантиметрах. В зависимости от материала призмы прибор
работает в разных диапазонах (см. таблицу).
Монохроматор одинарный призменный, построен по автоколлимационной схеме Литтрова, снабжен автоматикой, обеспечивающей непрерывную запись спектров поглощения во всем диапазоне.
Материал призм и рабочие диапазоны группы приборов ИКС-22
Шифр
Материал призмы
ИКС-22
NaCl
ИКС-22А
ИКС-22Б
ИКС-22В
Рабочий диапазон
мкм
см–1
2–15
5000–650
CaF2
2–8
5000–1250
KBr
12,5–25
800–400
CsI
20–50
500–200
Относительное отверстие монохроматора 1:5,5.
Коллиматорное зеркало – внеосевой параболоид с диаметром
90 мм и фокусным расстоянием 270 мм.
Преломляющий угол призмы 69°, основание 89 мм, высота 60 мм.
Диапазон раскрытия щелей 0,01–1,1 мм, высота 15 мм.
Развертка спектра осуществляется равномерно по волновым
числам.
Точность определения полос пропускания по волновым числам
в области 3000 см–1 равна ±15 см–1.
Воспроизводимость результатов определения полос пропускания по волновым числам равна ±0,5 %.
Воспроизводимость градуировки шкалы волновых чисел для
3000 см–1 равна ±5 см–1.
132
Количество рассеянного света при 1250 см–1 – не более 3 %.
Разрешение в области 1470 см–1 равно 1,5–2 см–1.
Частота 9 Гц.
Источник излучения – силитовый стержень (глобар), имеющий
яркостную температуру 1300–1400 °С.
Осветитель двухлучевой с одним модулятором.
Приемник излучения – висмутовый болометр, имеющий пороговую чувствительность 2·10–1 Вт и размеры светочувствительной
площадки 0,4×1,9 мм.
Принцип действия и оптическая схема
Принцип действия спектрофотометра, работающего по двухлучевой схеме, основан на нулевом методе. Излучение от источника
направляется в кюветное отделение двумя пучками. В один из пучков помещается исследуемый образец, в другой – фотометрический
клин и кювета с эталоном. Фотометрические свойства световых
пучков, проходящих через оба канала, одинаковы, так как одинаковы длина их пути, число отражающих поверхностей и углы падения. С помощью прерывателя пучки энергии попеременно проходят через монохроматор и разлагаются в спектр, после чего поступают на приемник излучения – болометр.
При одинаковой интенсивности пучка образца и пучка сравнения на болометр поступает постоянная тепловая радиация, при
этом сигнал на входе усилительной системы отсутствует. При разнице в интенсивностях пучков на входе усилительной системы появляется переменный сигнал, частота которого равна частоте прерывания энергетического потока. Этот сигнал после преобразования подается на двигатель перемещения фотометрического клина.
При этом возникшая разность интенсивностей пучков уменьшается до нуля.
Фотометрический клин связан с самописцем: перемещение пера
самописца пропорционально перемещению клина и характеризует
поглощение исследуемого вещества в процентах.
Согласно схеме прибора (рис. П.2) свет от источника 1, в качестве
которого используется глобар, направляется сферическими зеркалами 2, 3, 24 и 25 в каналы I и II и проецируется в плоскость фотометрического 5 и компенсирующего 22 клиньев. Свет, отраженный
зеркалами 6, 20, 21 и зеркальной поверхностью 19, направляется
на торическое зеркало 7. Прерываемые попеременно пучки света
133
7 8 9 10 11 12
2
3 4
5
13 14
6
II
23
1
18
I
25
24
22
21
19
15
17
16
20
Рис. П.2. Оптическая схема прибора
с помощью зеркал 7 и 8 поступают на входную щель монохроматора 12 и фокусируются в плоскости этой щели.
Пройдя входную щель монохроматора, свет попадает на параболический зеркальный объектив 15 и, отразившись от него, параллельным пучком падает на призму 16, раскладывающую излучение по длинам волн. Разложенный в спектр свет, отразившись от
зеркала Литтрова 17, вторично проходит призму и фокусируется
объективом 15 на выходную щель 11. Пройдя выходную щель, поток энергии направляется плоскими зеркалами 9 и 10 на эллиптическое зеркало 14, которое образует изображение выходной щели
на светочувствительной площадке болометра 13.
Для компенсации кривизны изображения спектра, вносимой
призмой, лезвия ножей входной щели изготовлены по радиусу.
Благодаря этому на входную щель поступает выпрямленное изображение спектра. Прибор имеет защитные пластины 4, 18 и 23 из
фтористого кальция.
Отличительной особенностью ИКС-16 по сравнению с ИКС-22
является использование в качестве диспергирующего элемента
дифракционной решетки.
134
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
ПРИСТАВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОТРАЖЕНИЯ
Приставка предназначена для установки образцов при измерении коэффициентов отражения с помощью спектрофотометров.
Вид приставки, находящейся в одном из пучков монохроматора,
приведен на рис. П.3. Здесь 1 – плоское зеркало, 2 – держатель образца, 3 – образец, 4 – прижимные губки, 5 – сферическое зеркало.
1
2
3
4
5
Рис. П.3. Приставка для измерения
коэффициента отражения
135
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЧЕРТЕЖЕЙ ОПТИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
При выполнении чертежей оптических деталей придерживаются общих правил машиностроительного и приборостроительного
черчения с учетом особенностей назначения и использования оптических элементов. Правила выполнения чертежей и схем оптических изделий установлены ГОСТ 2.412–81. Пример выполнения
чертежа представлен на рис. П.4.
Оптическую деталь следует изображать на чертеже по ходу луча, направленного слева направо. На чертежах поверхности оптических деталей обозначают прописными буквами русского алфавита, которые наносят на полки линий-выносок. Поверхности, к которым предъявляют одинаковые требования по точности и качеству изготовления, допускается обозначать одной и той же буквой.
Числовое значение радиусов кривизны сферических поверхностей
обозначают буквой R, асферические поверхности определяют уравнением воспроизводящей кривой профиля поверхности вращения.
В правой верхней части чертежа помещают таблицу, в которой
отражены требования к материалу, из которого выполнена оптическая деталь, к ее изготовлению и расчетные данные. В левом
столбце таблицы указываются требования к материалу, обычно это
Δne – категория и класс по показателю преломления, ΔnF¢ - nC¢ –
категория и класс по средней дисперсии, «Однородн.» – категория
по оптической однородности, «Двулучепр.» – категория по двулучепреломлению, «Бессвильн.» и «Пузырн.» – категории и классы по
бессвильности и пузырности и др.
Там же ниже приводятся требования к изготовлению разного вида деталей: N – число интерференционных полос или колец,
характеризующее отклонение поверхности детали от тестовой поверхности, ΔN – число интерференционных полос или колец, определяющее допуск формы поверхности, Р – класс чистоты поверхности и др.
В нижней части таблицы должны быть представлены расчетные
данные. Для линз это фокусное расстояние f′ и фокальные отрезки
SF и SF′, для призм – геометрическая длина хода луча l, а также
О∅ – световой диаметр, если размер на изображении не указан.
В поле чертежа и примечаниях отмечаются дополнительные
конструктивные особенности и технологические требования – чер136
теж штрихов и цифр в увеличенном масштабе с указанием размеров, размеры для справок обозначаются звездочкой.
На рабочие грани большинства оптических деталей наносятся
одно- или многослойные тонкопленочные покрытия, соответствующим образом формирующие фазовые и энергетические характеристики изделия. По функциональному назначению покрытия оптических деталей подразделяют на типы, представленные в табл. П.1.
Условные обозначения отдельных типов покрытий с учетом
последовательности нанесения слоев выстраиваются по следующей схеме: условное графическое изображение типа покрытия
(табл. П.2), исходного материала первого слоя, способа нанесения
(табл. П.3). То же выполняется для второго, третьего и т. д. слоев.
Таблица П.1
Обозначения оптических покрытий на чертежах
Тип покрытия
Условное обозначение
Отражающие (зеркала):
внешнее
внутреннее
Светоделительные
Просветляющие
Фильтрующие:
отрезающие
узкополосные
полосовые
специальные
Защитные
Токопроводящие
Поляризующие
137
Таблица П.2
Способы нанесения оптических покрытий
Способ нанесения
покрытия
Условное
обозначение
Способ нанесения
покрытия
Условное
обозначение
Из раствора
Р
Катодное
высокочастотное
распыление
Испарением
в вакууме
И
Обработка
с нагреванием
в расплаве
Н
Испарением
с помощью
электронного
нагревания
ИЭ
Кистью,
пульверизатором или
центрифугированием
П
Обработкой в парах
или газах
Г
Электролизом
Е
Катодным
распылением
К
КВЧ
Таблица П.3
Условные обозначения некоторых покрытий
Обозначение
на чертеже
Тип покрытия
Буквенное
обозначение
Просветляющее
24И
Зеркальное
1И.41И
Способ нанесения покрытия
Испарение фтористого
магния в вакууме
Алюминирование
с защитным слоем двуокиси
кремния, оба слоя наносятся
испарением в вакууме
Просветляющее 15К.14К.15К Трехслойное просветление
катодным распылением
титана и кремния
в кислороде
Условное обозначение материала включает в себя номер пленкообразующего материала в соответствии с принятыми обозначениями. Так, для Al – это номер 1, для Au – 2, для Ge – 16, для PbF2 – 37,
для ZnSe – 39.
Существует более сотни пленкообразующих материалов, условные обозначения которых приведены, например, в справочнике [9].
138
Рис. П.4. Пример выполнения чертежа положительной линзы
139
В дополнение отметим, что при выполнении чертежей и схем оптических изделий руководствуются в том числе следующими нормативными документами:
– обозначения основных величин физической оптики (ГОСТ
7601–78);
– обозначения основных величин геометрической оптики (ГОСТ
7427–76);
– обозначения элементов оптических деталей, предельных отклонений физических величин и допускаемой неточности изготовления оптических деталей, шероховатости поверхностей (ГОСТ
2.309–73);
– классы чистоты полированных поверхностей (ГОСТ 11141–76);
– типы интерференционных фильтров вакуумного напыления
(ОСТ 3-854–88 и ОСТ 3-1901–95).
140
Рекомендуемая литература
1. Борн, М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф; пер. с англ.; под ред.
Г. П. Мотулевич. М.: Наука, 1970. 856 с.
2. Фурман, Ш. А. Тонкослойные оптические покрытия / Ш. А. Фурман.
Л.: Машиностроение, 1977. 264 с.
3. Мешков, Б. Б. Проектирование интерференционных покрытий /
Б. Б. Мешков, П. П. Яковлев. М.: Машиностроение, 1987. 185 с.
4. Путилин, Э. С. Оптические покрытия / Э. С. Путилин. СПб.: ГУ ИТМО,
2005.
5. Айхель, Ю. Лазеры. Исполнение, управление, применение / Ю. Айхель, Г. И. Айхель; пер. с нем. Л. Н. Казанцевой. М.: Техносфера, 2012.
495 с.
6. Дудкин, В. И. Квантовая электроника. Приборы и их применение /
В. И. Дудкин, Л. Н. Пахомов. М.: Техносфера, 2006. 432 с.
7. Игнатов, А. Н. Оптоэлектронные приборы и устройства / А. Н. Игнатов. М.: Экотрендз, 2006. 269 с.
8. Пихтин, А. Н. Квантовая и оптическая электроника / А. Н. Пихтин.
М.: Высшая школа: Абрис, 2012. 655 с.
9. Физика тонких пленок: в 8 т. / под общ. ред. Г. Хасса, Р. Э. Тауна;
пер. с англ.; под ред. В. Б. Сандомирского, А. Г. Ждана. М.: Мир, 1967.
10. Крылова, Т. Н. Интерференционные покрытия / Т. Н. Крылова. Л.:
Машиностроение, 1973. 224 с.
11. Исследование оптических констант пленок халькогенидов мышьяка в области длин волн 0,5–2,5 мкм / Е. Н. Котликов, В. А. Иванов,
В. А. Крупенников и др. // Оптика и спектроскопия. 2007. Т. 103. № 6.
С. 983–987.
12. Оптические пленкообразующие материалы для инфракрасной
области спектра / Е. Н. Котликов, Ю. Н. Кузнецов, Н. П. Лавровская,
А. Н. Тропин // Научное приборостроение. 2008. Т. 18. № 3. С. 32–37.
13. Технология тонких пленок: справочник: в 2 т. / под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга; пер. с англ.; под ред. М. И. Елинсона, Г. Г. Смолко. М.: Советское радио, 1977. 664 с.
14. Формирование пленок постоянной величины на осесимметричной подложке / А. Ф. Большанин, А. Г. Жиглинский, С. Г. Парчевский,
Э. С. Путилин // Оптико-механическая промышленность. 1978. № 3. С. 39–42.
15. ОСТ 3-854–88. Фильтры оптические интерференционные вакуумного напыления. Типы; введ. 1988–12-23. М.: Изд-во стандартов, 1988.
С. 22.
16. ОСТ 3-1901–95. Покрытия оптических деталей. Типы, основные параметры и методы контроля; введ. 1995–07-06. М.: ЦНИИ «Комплекс»,
1995. С. 190.
17. Калитеевский, Н. И. Волновая оптика / Н. И. Калитеевский. СПб.:
Лань, 2006. 466 с.
18. Справочник по лазерам / под ред. А. М. Прохорова: в 2 т. М.: Советское радио, 1978. Т. 1. 505 с. Т. 2. 401 с.
141
19. Справочник технолога-оптика / под общ. ред. С. М. Кузнецова,
М. А. Окатова. Л.: Машиностроение. 1983. 414 с.
20. Холлэнд, Л. Нанесение тонких пленок в вакууме / Л. Холлэнд. М.:
Госэнергоиздат. 1963. 607 с.
21. Справочник конструктора оптико-механических приборов / под
ред. В. А. Панова. Л.: Машиностроение, 1980. 742 с.
22. Спектральные характеристики интерференционных светофильтров и диэлектрических зеркал / сост. А. И. Федосеев. М.: Изд-во МГУ,
1997. 22 с.
23. Карлов, Н. В. Лекции по квантовой электронике / Н. В. Карлов. М.:
Наука, 1983. 320 с.
24. Изучение возможных механизмов оптических потерь спектроскопическими методами: отчет о НИР (промежуточ.) / ЛИАП; рук. Е. Н. Котликов; № 53785. Л., 1990. 32 с.
25. Хасс, Г. Физика тонких пленок / Г. Хасс. М.: Мир, 1967. Т. 1. 343 с.
26. Оптические свойства металлических пленок. Физика тонких пленок / под ред. М. К. Франкомба, Р. У. Гофмана. М.: Мир, 1973. Т. 6. 393 с.
27. Тарасов, К. И. Спектральные приборы / К. И. Тарасов. Л.: Машиностроение, 1977. 368 с.
28. Малышев, В. И. Введение в экспериментальную спектроскопию /
В. И. Малышев. М.: Наука, 1979. 480 с.
29. Монохроматор универсальный малогабаритный МУМ-2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 1989. 65 с.
30. Спектрофотометр ИКС-16. Техническое описание и инструкция по
эксплуатации, 1970. 37 с.
31. Спектрофотометр ИКС-22. Техническое описание и инструкция по
эксплуатации, 1972. 34 с.
142
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.......................................................................... 3
1. Оптические материалы........................................................ 5
1.1. Материалы проходной оптики......................................... 5
1.2. Материалы для инфракрасной оптики.............................14
1.3. Материалы отражательной оптики................................ 18
1.4. Материалы для активных элементов лазеров................... 23
2. Технология изготовления оптических покрытий................... 32
2.1. Методы изготовления оптических покрытий................... 32
2.2. Экспериментальное оборудование для изготовления
оптических пленок методами термического напыления.......... 41
2.3. Методы контроля толщин пленок.................................. 50
2.4. Пленкообразующие материалы
для оптических пленок...................................................... 54
3. Анализ и синтез интерференционных покрытий.................... 60
3.1. Модель расчета интерференционных покрытий............... 60
3.2. Рекуррентный метод.................................................... 65
3.3. Матричный метод....................................................... 70
3.4. Основные типы интерференционных покрытий............... 72
3.5. Программа расчета интерференционных покрытий ......... 91
4. Лабораторные работы........................................................ 97
Лабораторная работа № 1. Изготовление
интерференционных покрытий........................................... 97
Лабораторная работа № 2. Исследование оптических
констант диэлектрических пленок.....................................100
Лабораторная работа № 3. Исследование спектральных
характеристик диэлектрических зеркал..............................106
Лабораторная работа № 4. Спектральные характеристики
интерференционных светофильтров................................... 110
Лабораторная работа № 5. Исследование мощности
лазерного излучения калориметрическим методом............... 118
Приложение 1. Техническое описание монохроматора МУМ-2.....129
Приложение 2. Техническое описание спектрофотометра
ИКС-22.............................................................................. 132
Приложение 3. Приставка для исследования отражения........... 135
Приложение 4. Основные требования при выполнении
чертежей оптических деталей...............................................136
Рекомендуемая литература................................................... 141
143
Учебное издание
Котликов Евгений Николаевич
Андреев Михаил Владимирович
Лавровская Наталья Павловна и др.
ОПТИКА ЛАЗЕРОВ
Учебное пособие
Редактор А. А. Гранаткина
Компьютерная верстка И. Н. Мороз
Сдано в набор 10.12.15. Подписано к печати 30.12.15.
Формат 60×841/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 8,31.
Уч.-изд. л. 8,94. Тираж 100 экз. Заказ № 546.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
144
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
4 833 Кб
Теги
kotlikov
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа