Градиентные интерференционные системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский Государственный университет информационных технологий, механики и оптики

На правах рукописи

Специальность 05.11.07 -

Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Градиентные интерференционные системы

ГУБАНОВА Л.А.

Санкт-Петербург 2008

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном университете информационных технологий, механики и оптики

Научный консультант:

доктор технический наук, профессор

Путилин Эдуард Степанович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, Евгений Николаевич Котликов

доктор технический наук, профессор Дёмин Анатолий Владимирович доктор технический наук, профессор Сокольский Михаил Наумович

Ведущая организация:

ФГУП НТК ГОИ им. С.И.Вавилова

Защита состоится “15” апреля 2008 года в 15.30 часов на заседании специализированного совета Д212.227.01 при Санкт-Петербургском Государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190031, г. Санкт-Петербург, переулок Гривцова, д.14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики

Автореферат разослан “15” марта 2008 г.

Учёный секретарь специализированного совета Д212.227.01

Кандидат технических наук, доцент Красавцев В.М.

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы:

Градиентные многослойные диэлектрические лазерные зеркала являются одним из наиболее удобных и простых средств управления пространственным профилем лазерного излучения и могут быть использованы в лазерных системах различного назначения. Для решения прикладных задач, связанных с обеспечением заданного распределения поля на выходе лазера, используют градиентные зеркала с переменным по радиусу коэффициентом отражения, а также так называемые градиентные фазовые корректоры, размещённые внутри резонатора. В настоящее время внутрирезонаторные градиентные фазовые корректоры применяют, в том числе, и для компенсации линейных и нелинейных фазовых искажений лазерных мод, возникающих в процессе генерации лазера. Однако, в литературе значительно менее детально обсуждаются факторы, связанные с влиянием погрешностей экспериментальной реализации градиентных многослойных оптических покрытий вакуумным испарением на точность распределения коэффициента отражения и распределения толщины градиентных пленкообразующих слоев по поверхности оптического компонента. Дополнительного рассмотрения требует также задача математического моделирования процессов, протекающих в камерах вакуумных установок при изготовлении градиентных многослойных оптических компонентов.

При создании устройств волоконно-оптической связи основной проблемой является разделение каналов связи. Для разделения каналов связи используется спектральное разделение опорного лазерного или светодиодного излучения. Спектральная ширина используемого излучения составляет от нескольких до десятков нанометров. Для выделения из него, например, пятидесяти каналов необходимо выделить спектральный интервал шириной от нескольких десятых до одного нанометра. В настоящее время для этого используются узкополосные диэлектрические светофильтры с соответствующей полушириной. Основным недостатком таких светофильтров является их нестабильность в процессе эксплуатации, что приводит к периодическому или постоянному ухудшению светопропускания волоконно-оптических систем.

При широкозональном спектральном исследовании поверхности Земли, необходимом при проведении сельскохозяйственных работ, геологических изысканий, прогнозировании чрезвычайных ситуаций техногенного и природного характера в качестве необходимого устройства используются элементы, позволяющие получить спектральное разложение отражённого светового сигнала. В качестве таких элементов используется сканирующие спектрофотометры. Эти спектрофотометры могут использовать механические, электрооптические и иные способы разложения излучения в спектр. Однако, наиболее перспективным при создании устройств разделения каналов связи является использование клиновых фильтров, использование же клиновых фильтров совместно с ПЗС матрицей, регистрирующей излучение соответствующего спектрального диапазона позволит создать малогабаритные спектрофотометры. Все вышеперечисленное и определяет актуальность работы.

Целью данной работы является: разработка и исследование методов формирования тонких интерференционных слоёв с заданным распределением коэффициента отражения (пропускания) по поверхности оптического элемента, позволяющие формировать энергетические и фазовые характеристики отражённого и прошедшего излучения.

Достижение указанной цели невозможно без решения следующих задач:

- разработки методов создания градиентных слоёв путём испарения плёнкообразующего вещества в вакууме с использованием диафрагм различной формы;

- определения факторов, влияющих на распределение толщины формируемого покрытия;

- определения параметров, влияющих на характер распределения коэффициента отражения по поверхности оптического элемента;

- анализа влияния структуры многослойной диэлектрической системы на характер распределения энергетических и фазовых характеристик градиентного покрытия по поверхности оптического элемента;

- анализа параметров, определяющих форму отражённого от градиентного покрытия волнового фронта;

- синтеза условий получения градиентных покрытий с заданными свойствами методом термического испарения плёнкообразующих веществ в вакууме.

Объект исследования. Многослойные диэлектрические и металлодиэлектрические системы, формирующие энергетические и фазовые характеристики отражённого и прошедшего светового излучения.

Предмет исследования. Процессы формирования многослойных диэлектрических и металлодиэлектрических градиентных систем, создающих отражённое и (или) прошедшее излучение с заданными характеристиками.

Методы исследования: Для решения поставленной задачи были использованы основные положения теоретических моделей, описывающих: энергетические и фазовые характеристики многослойных систем, образованных слоями из поглощающих и непоглощающих материалов, эмиссионные характеристики испарителей, влияние формы приёмной поверхности и формы диафрагмы на характер распределения толщины слоя по поверхности оптической детали. Для создания градиентных слоёв с заданным распределением толщины или коэффициента отражения по поверхности оптической детали была разработана программа синтеза, позволяющая определить условия изготовления градиентного покрытия с использованием данного вида диафрагм.

Научная новизна работы состоит в обосновании возможности формирования градиентных тонких слоёв при испарении плёнкообразующих материалов в вакууме, в решении научной проблемы формирования амплитудных и фазовых характеристик отраженного и (или) прошедшего излучения. Предложен метод формирования градиентных тонких слоёв металлов и диэлектриков при испарении из малого поверхностного испарителя на подложки, вращающиеся или совершающие планетарное вращение с использованием диафрагм или экранов простейшей формы, размещаемых между испарителем и подложками.

Показано что:

ь заданное распределение толщины слоя по поверхности оптической детали может быть получено при его формировании в вакууме методом термического испарения с помощью диафрагм (экранов) простейшей формы, путём корректировки эмиссионных характеристик испарителей;

ь характер распределения толщины слоя по поверхности оптического элемента определяется радиусом испарителя (или его удалением от оси вращения деталей, в случае малого поверхностного испарителя), расстоянием от плоскости, в которой расположен испаритель, до плоскости расположения детали, радиусом диафрагмы (экрана), расстоянием от оси вращения до центра диафрагмы; расстоянием от края диафрагмы до оси вращения деталей для диафрагм в виде полуплоскости, расстоянием между плоскостями, в которых расположены диафрагмы и испаритель, формой приёмной поверхности оптического элемента поверхности;

ь характер распределения коэффициента отражения по поверхности оптического элемента определяется не только распределением геометрической толщины слоя, но и показателем преломления материала, из которого изготовлен этот слой, максимальной оптической толщиной слоя, структурой покрытия (количеством слоёв с переменной и постоянной толщиной, а так же их показателями преломления).

Установлено влияние характера распределения толщины слоя, показателя преломления материала, из которого он формируется, максимальной толщины слоя, структуры покрытия на форму волнового фронта отражённого (прошедшего) излучения;

Продемонстрирована возможность синтеза условий необходимых для получения заданного распределения коэффициента отражения (пропускания) по поверхности оптического элемента в стандартных вакуумных установках;

Экспериментально показано, что для получения слоёв, распределение толщины которых по поверхности оптического заранее заданно, необходимо использовать разработанную универсальную технологическую оснастку, разработанную для промышленных вакуумных установок типа ВУ.

Практическая значимость работы заключается в том, что проведённые исследования позволили:

§ Рассчитать условия формирования лазерных зеркал с заданным распределением коэффициента отражения по поверхности оптического элемента.

§ Определить степень влияния радиуса диафрагмы, её расположения относительно детали и испарителя, скорости изменения радиуса диафрагмы и её положения относительно плоскости испарителя на характер распределения толщины слоя по поверхности оптического элемента.

§ Синтезировать и реализовать:

- лазерные диэлектрические зеркала с заданным распределением коэффициента отражения по поверхности оптического элемента;

- оттенители (фильтры переменной плотности) с заданным распределением коэффициента пропускания по поверхности оптического элемента;

- клиновые интерференционные светофильтры с заданным распределением длины волны максимального пропускания по поверхности оптического элемента;

§ Разработать условия создания равномерного покрытия на больших площадях с помощью использования диафрагм простейшей формы.

§ Разработать конструкции подложкодержателей, позволяющие одновременно изготавливать несколько лазерных зеркал с заданным распределением коэффициента отражения по поверхности оптического элемента.

§ Спроектировать и реализовать универсальную технологическую оснастку для изготовления градиентных диэлектрических лазерных зеркал различного диаметра.

§ Определить:

-условия изготовления оптических элементов с разными осесимметричными распределениями коэффициента отражения по их поверхности.

-условия осаждения клиновых интерференционных светофильтров с заданным распределением пропускания по поверхности оптического элемента

Результаты работы и её выводы в настоящее время реализованы на кафедре оптических технологий СПбГУИТМО, в ЗАО УНП «Лазерный центр ИТМО», в ФИООЛИСе, в Белорусско-японском исследовательском центре.

Отдельные результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе на кафедре - в курсе лекций по дисциплинам «Технология оптических покрытий», «Специальные вопросы оптической технологии», «Перспективные оптические технологии», «Оптика тонких плёнок» в курсовом и дипломном проектировании.

Материалы диссертационной работы могут быть использованы в любых организациях, занимающихся разработкой, изготовлением и эксплуатацией оптических элементов, в том числе и для силовой оптики.

Защищаемые положения:

Толщина слоя формируемого покрытия определяется формой, характером перемещения используемых диафрагм, формой поверхности, расположением и способом перемещения оптического элемента относительно испарителя при формировании покрытий методом термического испарения материалов в вакууме;

Энергетические и фазовые характеристики отражённого и прошедшего излучения, формируемые интерференционными системами, определяются градиентными слоями с заданным распределением толщины слоёв по поверхности оптического элемента;

Процесс формирования тонких слоёв с управляемым коэффициентом отражения по поверхности подложки градиентных при испарении плёнкообразующих материалов в вакууме на подложках, вращающихся или совершающих планетарное вращение с использованием простейших диафрагм (экранов), размещённых между испарителем и подложками.

Критерий определения условий осаждения градиентных слоёв с заданным распределением коэффициента отражения по поверхности оптического элемента,

Результаты экспериментального исследования оптических характеристик градиентных покрытий.

Публикации Основные материалы диссертации отражены в 70 научных работах, в том числе 2 монографии, 1 авторское свидетельство, 28 статей, 49 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях. 2 работы выполнены в личном авторстве, доля автора в остальных работах от 25% до 75%. В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК для докторских диссертаций 18 статей: 1 статья в личном авторстве, 17 в соавторстве с долей автора от 33% до 50%

Личный вклад автора.

В диссертации излагаются результаты, вклад в которые автора был существенным на всех этапах, включая постановку задачи, проведение теоретического исследования и непосредственное участие в экспериментах и при изготовлении и исследовании параметров промышленных образцов.

Апробация работы: Результаты работы обсуждались на научно-технических конференциях: Методы изготовления и контроля асферических поверхностей - М.ЦНШ Информации 1990, The 9 th meeting on оptical engeneering in Israel. Oct.1994, "Прикладная оптика-94". С-Петербург, 1994, V международной конференции «Лазерные технологии `95», Techn. Digest jf 8-th Laser Optics Conference, S. - Peterburg, Международной конференции “Прикладная оптика-96”, V Петербургской семинар-выставке "Лазеры для биологии и медицины", С.-Петербург, октябрь, 1997, VI Международной конференции "Лазерные технологии-98". Шатура, 1998, Конференции "Прикладная оптика-98", Международной конференции "220 лет геодезическому образованию в России" 1999, РНПК Оптика -- ФЦП «Интеграция». Санкт-Петербург, 1999, Международной конференции « Прикладная оптика -2000». Тезисы докладов. Санкт-Петербург, с. 19, 2000г., конференции к 100 -летию СПбГИТМО(ТУ), Санкт-Петербург.2000, на Российская научно-практической конференции «Оптика и научное приборостроение - 2000 ФЦП «Интеграция» Санкт-Петербург.2000, на Всероссийской научно-технической дистанционной конференции "Электроника", Москва, ноябрь 2001г, IV международной научно-технической конференции «Электроника и информатика -2002» Зеленоград, 2002, V Международной конференции ПРИКЛАДНАЯ ОПТИКА, Санкт-Петербург октябрь 2002, II Всероссийская научно-техническая дистанционная конференция «Электроника» МГИЭТ (ТУ) Москва 2003, VI Международная конференция «Прикладная оптика» Санкт- Петербург, октябрь 2004, Международная конференция «Прикладная оптика - 2006», Санкт-Петербург, 16-20 октября 2006, Москва, Международный форум «Оптика - 2007», 23-25 октября 2007.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Материал изложен на 292 страницах, включающих 261 страниц основного текста и 8 стр. приложений, 117 рисунков, 3 таблиц и список литературы из 199 наименований.

Краткое содержание работы.

Во введении диссертации приводится анализ состояния лазерного и оптического приборостроения на современном этапе развития. Задачей сегодняшнего дня является совершенствование устройств и методов контроля технологических процессов, связанных с нанотехнологиями. Контроль размеров наночастиц, образующихся как на стадии протекания реакций их образования, так и на стадии использования, требуют создания лазеров с высокой осевой яркостью. Эти же устройства найдут широкое применение в системах реализующих оптическую связь, как в свободном пространстве, так и в волоконно-оптических линиях. Увеличение объёма информации, передаваемой по линиям оптической связи не возможно без увеличения количества каналов реализуемых в пределах несущего интервала оптических частот. Решение перечисленных выше задач не возможно без использования оптических покрытий, свойства которых меняются по поверхности оптического элемента.

Аргументирована актуальность и научная новизна работы, изложена её практическая значимость, сформулированы цель, задачи и защищаемые положения диссертационной работы, приведена структура работы.

В первой главе рассматривается возможность формирования интерференционных слоёв методом термического испарения в вакууме с заданным распределением толщины слоя по поверхности оптического элемента с помощью диафрагм (экранов) простейшей формы. Эти диафрагмы (экраны) расположены в плоскости параллельной плоскости испарителя и плоскости, в которой расположены оптические элементы, на которых формируется слой с некоторым распределением толщины (рис. 1). Показано, что характер распределения толщины слоя при формировании его термическим методом в вакууме определяется по следующей зависимости:

где:

a - радиус тонкого кольцевого поверхностного испарителя (расстояние от малого поверхностного испарителя до оси вращения подложек), h - расстояние между плоскостями, в которых расположены испаритель и диафрагма (экран), H - расстояние от плоскости, в которой размещён испаритель, до плоскости, в которой размещена деталь, с - радиальная координата на поверхности подложки, rd - радиус диафрагмы или экрана круглой формы, центры которых расположены на расстоянии «b» от оси, проходящей через центр испарителя, - угловая координата

На рис. 2. представлены возможные распределения толщины слоя при формировании их с использованием схемы, представленной на рис.1.

исследуемой точки на поверхности подложки в момент начала осаждения слоя, t(с) - толщина формируемого слоя в точке с координатой с, t(0) толщина слоя в максимуме.

Здесь, так же, показана связь между условиями формирования градиентных слоёв при использованием пульсирующей диафрагмы.

За время осаждения слоя распределение относительной толщины слоя B(с, ф) по радиальной координате с будет определяться интегралом от статического расчётного распределения относительной толщины слоя, осаждаемого на неподвижную подложку с использованием диафрагмы, по времени:

.

Если F(с,ф) периодическая функция c периодом T и за время осаждения реализуется целое число периодов подынтегральной функции - N, то B(с,ф)=. На практике, однако, за время осаждения может быть реализовано не целое число периодов, поэтому , где . При обработке экспериментальных результатов, как правило, пользуются средним по времени относительным распределением толщины слоя по поверхности подложки, равным:

Если уT, то выражение (3) может быть преобразовано к следующему виду:

.

Обозначим через величину равную , тогда отклонение от расчётного значения может быть определено из следующего соотношения:

Подынтегральная функция F(с,ф) определяется следующим выражением:

F(с,ф) =

В этом случае толщина слоя будет определяться следующим образом:

,



где введённые ранее параметры (h, H, a, с) имеют тот же смысл, а , , где h1 - расстояние между плоскостью, в которой расположен испаритель, и плоскостью, в которой расположена подожка в

Формирование слоя происходит при постоянных a=1, H/a=2, h₁/a=1.91, h₀/a =0.017_, r₀/a=0.022, r_d /a=0.030, T=9 б=2 начальный момент времени, h0 - амплитуда, с которой изменяется расстояние между диафрагмой и плоскостью испарителя, (rd)1 - радиус диафрагмы в начальный момент времени, (rd)0- амплитуда изменения радиуса диафрагмы, - угловые скорости изменения радиуса диафрагмы и положения центра диафрагмы на оси симметрии испарителя, ф - время осаждения слоя, величина может принимать любые значения (целые, дробные, иррациональные). Зависимость изменения толщины слоя от времени представлена на рис.3. В работе приведён анализ влияния изменения основных параметров технологической оснастки на характер распределения толщины слоя.

Рис. 3. Формирование слоёв осуществляется при условии, что диафрагма меняет свой размер и положение в пространстве.

Получение заданного распределения толщины слоя возможно также с помощью диафрагм в виде полуплоскости (рис. 4). В этом случае распределение толщины слоя может быть рассчитано из соотношения (7-9).

,

если

t=0, если,

,

если , где

,

здесь: x1, y1,- координаты на поверхности подложки, a - радиус тонкого кольцевого поверхностного испарителя (расстояние от малого поверхностного испарителя до оси вращения подложек), h - расстояние между плоскостями, в которых расположены испаритель и диафрагма (экран), H - расстояние от плоскости, в которой размещён испаритель, до плоскости, в которой размещена деталь, «b» расстояние от центра испарителя в случае тонкого кольцевого поверхностного испарителя до края диафрагмы (расстояние от малого поверхностного испарителя до оси вращения подложек в случае малого поверхностного испарителя) а ,ц - координаты элементарного тонкого кольцевого поверхностного испарителя (координаты исследуемой зоны на поверхности подложки в случае неподвижного малого поверхностного испарителя), а, ц - координаты элементарного кольцевого испарителя.

На рис.5 показаны варианты распределения толщины слоя при его формировании с использованием диафрагмы в виде полуплоскости.

С целью получения более широкого диапазона распределений толщины слоёв по поверхности оптического элемента была рассмотрена возможность получения их с помощью диафрагмы в виде полуплоскости, меняющей своё положение в пространстве. В этом случае, при условии, что расстояние от края диафрагмы до оси вращения детали меняется от времени (b(ф)), а расстояние между плоскостями, в которой расположена диафрагмы и в которой расположен испаритель h(ф) то же зависит от

Рис.5 Распределение толщины слоя при различных положениях диафрагмы в виде полуплоскости относительно испарителя при одинаковых внутрикамерных габаритах: H=2.18, h=1.82, a=1 и b=0.8. Рис. 5а соответствует расположении., представленному на рис. 4а, рис. 5 б - 4б, соответственно.

времени ф, распределение слоя по поверхности оптического элемента может быть определено из следующего соотношения:

x и y - координаты на поверхности подложки, где:

,

.

Характер распределения толщины слоя в этом случае будет иметь вид, представленный на рис. 6

Здесь же рассмотрены возможности формирования слоёв на поверхностях оптических деталей с заданным распределением толщины слоёв с использование диафрагм простейшей формы на деталях, совершающих двойное вращение, градиентных слоёв на сферической поверхности, слоёв на подложках на подложках сферической формы, совершающих двойное вращение с диафрагмой, расположенной соосно. В работе приводятся математические зависимости, устанавливающие связь между толщиной слоя в разных точках поверхности и параметрами расположения элементов вакуумной камеры, влияющих на это распределение.

Рис.6. Распределение относительной толщины слоя при изменении амплитуды удаления границы линейной диафрагмы от оси симметрии испарителя. b₀=1.0, H=2, а=1, h₁ =1.91, h₀=0.1, b₁=0.8.



Рис. 7. Распределение коэффициента отражения по поверхности оптического элемента при формировании слоя из различных материалов.

1- n₁=2.00, 2 - n₁=1.60, 3- n₁=1.45, 4- n₁=1.38, n_m=1.50; а - распределение толщины слоя; б - распределение коэффициента отражения; в - относительное распределение коэффициента отражения по поверхности оптического элемента.

В главе рассмотрена возможность получения равномерного слоя на больших площадях с помощью использования диафрагмы простейшей формы.

Вторая глава посвящена рассмотрению факторов, влияющих на получение заданного распределения коэффициента отражения и на характер формы волнового фронта отражённого (пошедшего) излучения.

Здесь показано, что на характер распределения коэффициента отражения существенное влияние оказывает не только распределение геометрической толщины слоя по поверхности оптической детали, но и показатель преломления материала, из которого формируется этот слой (рис.7). Как видно из этого рисунка при показателе преломления слоя n1 > nm коэффициент отражения при уменьшении толщины слоя уменьшается по мере уменьшения толщины, а при n1 < nm увеличивается с уменьшением толщин. Помимо этого, распределение коэффициента отражения по поверхности оптической детали определяется максимальной оптической толщиной градиентного слоя, а также структурой рассматриваемого покрытия. Здесь под структурой покрытия понимается общее количество слоёв, их показатели преломления, а также количество и расположение градиентных слоёв и слоёв с постоянной толщиной. Поскольку градиентные диэлектрические системы нашли широкое практическое применение в качестве лазерных зеркал, которые формируются из диэлектрического слоя (слоёв) с заданным распределением толщины на поверхности оптического элемента, содержащего просветляющее покрытие, то в главе дан анализ влияния структуры этого покрытия на характер распределения коэффициента отражения.

Помимо этого рассмотрены распределения коэффициента отражения по поверхности оптической детали четвертьволновых зеркал, толщина слоёв которых меняется по известному закону. Распределение коэффициента отражения по поверхности оптического элемента будет определяться не столько структурой диэлектрического зеркала и распределением толщины слоя по поверхности оптического элемента, сколько количеством и положением слоёв с переменной толщиной.

Здесь так же рассмотрено влияние градиентного слоя на форму отражённого волнового фронта. Показано, что форма отражённого волнового фронта определяется характером распределения геометрической толщины градиентного слоя, показателем преломления материала, из которого он изготовлен, структурой градиентного покрытия.

В зависимости от соотношения показателей преломления материала подложки и плёнкообразующего материала, из которого изготовлен градиентный слой, форма отражённого фронта может быть как сходящейся, так и расходящейся (рис.8). При одинаковом распределении толщины слоя по поверхности оптического элемента (фрагмент а) форма волнового фронта в зависимости от соотношений между показателями преломления материала подложки (nm) и материала слоя, из которого формируется градиентный слой (n1) волновой фронт может быть как «сильносходящимся» (рис.8в,г), так и «слабосходящимся» (рис.8б.), имеющим форму тора.

Рис.8 Влияние показателя преломления материала, из которого изготовлен градиентный слой, на формирование волнового фронта отражённой волны

Соотношение между показателями преломления оказывают так же влияние на градиент волнового фронта. На форму отражённого волнового фронта оказывает существенное влияние так же и структура рассматриваемого покрытия.

Для интерференционных покрытий, содержащих несколько градиентных слоёв, нанесённых на поверхность оптического элемента с просветляющей диэлектрической системой и формирующих зеркальное покрытие, величина коэффициента отражения и форма волнового фронта отражённого излучения зависят от структуры и количества градиентных слоёв.

Для увеличения разности фаз между падающей и отражённой волнами при одинаковом законе изменения толщины слоёв предлагается использовать диэлектрические системы, состоящие из двух подсистем, каждая из которых образована слоями с большой и малой разницей в показателях преломления. При этом, если сочетать две системы, состоящие из 27 четвертьволновых слоёв ZnS и MgF2 (показатели преломления 2.3 и 1.38) и 20 слоёв SiO2 и MgF2 (показатели преломления 1.45 и 1.38), изменение разности фаз между падающей и отражённой волнами при примерно одинаковом изменении толщины слоёв увеличиться в два с половиной раза, а общее изменение формы волнового фронта отражённого излучения измениться с 2.9 л0 до 9 л0, т.е. более, чем в три раза.

Градиентные слои в составе интерференционных диэлектрических узкополосных светофильтров позволяют изменять коэффициент отражения от максимального значения, близкого к единице (0.99) до минимального значения, близкого к нулю (0.001), при условии, что в состав интерференционного светофильтра входит просветляющая система, которая может быть расположена как на подложке, так и на интерференционном светофильтре. Форма отражённого волнового фронта будет определять распределением разделительного слоя по поверхности оптического элемента.

Разность фаз между падающей и отражённой волнами для зеркальных покрытий меняется по линейному закону в зоне, где величина коэффициента отражения слабо зависит от изменения толщины слоя. Форма волнового фронта отражённого излучения в этой зоне определяется изменением толщины и слабо влияет на формирование волнового фронта отражённого излучения. В зоне, где коэффициент отражения быстро изменяется, форма волнового фронта определяется не только толщинами градиентных слоёв, но и изменением разности фаз между падающим и отражённым излучением.

В зависимости от количества градиентных слоёв и их расположения в диэлектрической системе изменение формы волнового фронта находится в интервале от 0.15л0 до 0.6л0.

Третья глава посвящена синтезу условий формирования градиентных слоёв с распределением толщины слоя, реализующих заданное распределение коэффициента отражения по поверхности оптического элемента. Рассмотрены различные способы (аналитический способ, использование критерия качества) для нахождения условий формирования градиентных слоёв с использованием простейших диафрагм, имеющих форму диска, отверстия или полуплоскости диафрагм, смещённых относительно центра вращения детали, диафрагм, меняющих свои размеры и положение относительно испарителя в процессе формирования слоя.

Рис. 9. Распределение толщины градиентного слоя (фрагмент «а»), коэффициента отражения до первого минимума ( фрагмент «б»), формы отражённого волнового фронта по поверхности оптической детали (фрагмент «в») интерференционного фильтра.

1 - ВНВН(с)ВНВН(с)ВНВН(с)ВНВ Н(с)ВНВПрП, Пр- просветляющее покрытие сформировано четвертьволновыми слоями с показателями преломления 1.78 и 1.45 и нанесёно на оптический элемент (П) с показателем преломления 1.51. Градиентный слой формируется при следующих условиях: H = 2.2, a = 1, r_d = 0.27, h = 0.45.

Аналитический способ позволяет оценить возможность изготовления покрытия с заданным распределением коэффициента отражения по поверхности оптического элемента. При выборе условий формирования покрытия, следует помнить, что факторами, определяющими окончательный выбор пленочной системы, будут:

близость распределений R(с) систем к требуемому распределению;

фазовые соотношения;

сложность конструкции;

величина максимальной толщины градиентного слоя;

количество градиентных слоёв;

технология изготовления.

Для градиентных систем, содержащих один слой с меняющейся по поверхности оптического элемента толщиной, получено аналитическое выражение, устанавливающие связь между распределением коэффициента отражения и распределением толщины градиентного слоя. Для получения слоёв с этим распределением толщины необходимо определить условия, при которых это распределение может быть получено при испарении плёнкообразующих материалов в вакууме на поверхность оптического элемента из малого поверхностного испарителя в случае, когда между плоскостями, в которых расположен оптический элемент и испаритель размещена диафрагма простейшей формы.

Аналогичная задача решена для зеркальных лазерных элементов, у которых коэффициент отражения близок к нулю вне рабочей зоны.

Добиться точного совпадения распределения толщины слоёв, полученного экспериментально реализуемого с расчётным, не всегда удаётся. Поэтому в общем случае, когда трудно установить связь между заданным распределением коэффициента отражения и распределением толщины слоёв по поверхности оптического элемента эту стадию решения задачи определения условий осаждения при которых экспериментальное распределение коэффициента отражения, определяемого зависимостью толщины слоёв от радиальной координаты, будет совпадать наилучшим образом с требуемым необходимо исключить. Целесообразно решать задачу определения условий осаждения при которых экспериментальное распределение коэффициента отражения, определяемого зависимостью толщины слоёв от радиальной координаты, будет совпадать наилучшим образом с требуемым. Решение этой задачи заключается в выполнении следующего условия, определяющего качество покрытия:

где Rкз - заданное распределение коэффициента отражения по поверхности оптического элемента, Rэ - коэффициент отражения покрытия, зависящий от условий осаждения и определяемый зависимостями, приведёнными в главах 1-2, F(с)-весовая функция, обеспечивающая наилучшее приближение в требуемой зоне. Весовая функция может быть задана аналитически или в виде кусочно-непрерывной функции. Распределение коэффициента отражения определяется техническим заданием и, в зависимости от требований, задаётся либо аналитически, например, в виде функций:

,

,

где R(0) - энергетический коэффициент отражения в центре оптического элемента, с - радиальная координата, - некие постоянные, - целое число. f(с) - функция, которая может быть задана либо в виде кусочно-непрерывной функции, эта функция должна удовлетворять двум условиям: f(с)= R(0) при с, лежащем в интервале от 0 до с1 и f(с)= 0 при с>с2, где с2 соответствует половине светового диаметра оптического элемента.

Рассматриваемый критерий позволяет получать условия формирования градиентный слоёв, обеспечивающие максимальное совпадение экспериментальных и требуемых распределений коэффициента отражения (см.рис.8). В работе приведено влияние функции качества на достижение приближения требуемого распределения к реально реализуемому распределению коэффициента отражения по поверхности оптического элемента.

В данной главе рассмотрен синтез условий получения градиентных слоёв с малым коэффициентом отражения, нанесённых как непосредственно на оптическую деталь, так и сформированных на просветляющих покрытиях, оптические толщины слоёв которых либо кратны четверти рабочей длины волны или не кратны. Показана возможность синтеза как градиентных диэлектрических систем слоёв, у которых коэффициент отражения меньше 0.3, так и больше, вплоть до 0.99. Последнее достигается как за счёт включения в градиентное покрытие нескольких градиентных слоёв с чередующимися показателями преломления (высоким и низким), так и сочетания слоёв с постоянной толщиной со слоями, имеющими необходимое распределение слоя по поверхности оптического элемента.

Рис.8 1- заданное распределение, коэффициента отражения, 2- реализуемое с учётом выбранных условий осаждения градиентного слоя

В данной главе рассмотрен поиск требуемых условий изготовления оптических элементов с разными осесимметричными распределениями коэффициента отражения по их поверхности. Помимо этого показана возможность определения условий осаждения клиновых интерференционных светофильтров с заданным распределением пропускания по поверхности оптического элемента. Для реализации таких фильтров необходимо, чтобы при заданном распределении толщины слоя по одной координате на плоскости, толщина слоя по другой оставалась неизменной. Величина градиента диэлектрического слоя будет определять разрешающую способность клинового фильтра.

Проведён анализ свойств многослойных диэлектрических зеркал, в результате которого показано, что определяющими факторами выбора плёночной системы являются: близость распределений R(с) систем к требуемому распределению, фазовые соотношения, сложность конструкции, величина максимальной толщины градиентного слоя, количество градиентных слоёв, технология изготовления.

На основе анализа свойств многослойных диэлектрических систем предложен критерий выбора условий осаждения этих систем. Критерий выбора условий осаждения заключается в поиске условий, при которых наблюдается наименьшее расхождение между заданным и реально реализуемым распределением коэффициента отражения по поверхности оптического элемента. градиентный испарение пленкообразующий волновой

Показано, что степень совпадения реально реализуемых и требуемых осесимметричных распределений коэффициента отражения существенно зависит от структуры используемой диэлектрической системы, т.е. числа слоёв и показателей преломления плёнкообразующих материалов. При реализации данного распределения в стандартной вакуумной установке ВУ-1А, имеющей расстояние от малого поверхностного испарителя до оси вращения деталей 230мм, расстояние между плоскостью, в которой расположен испаритель и плоскостью, в которой расположены детали 460мм были рассчитаны условия формирования слоёв с заданным распределением коэффициента отражения. При распределения коэффициента отражения вида , R(0)=0.77 оптимальный результат получен при радиусе диафрагме, расположенной в плоскости, параллельной плоскости испарителя, rd - 3мм, расстоянии между плоскостями размещения испарителя и диафрагмы h-455мм, вида, rd - 2.5мм, h-454мм, вида rd - 1.8мм, h-456.5мм.

При создании оптических элементов, обладающих плоскостью симметрии, разработан интегральный критерий близости реально реализуемых и требуемых распределений толщины слоёв интерференционных светофильтров, учитывающий эту особенность.

где t(x,y), - необходимое распределение толщины слоя по поверхности оптического элемента, x,y, - декартовы координаты на поверхности подложки, б и в - постоянные, определяемые спектральным диапазоном действия клинового интерференционного светофильтра

Рис. Спектральные характеристики металлодиэлектрических светофильтров: а - Ag (0.006) -MgF₂(- переменная толщина) - Ag (0.006).

Представлен анализ свойств клиновых интерференционных светофильтров на основе диэлектрических, металлодиэлектрических систем. Показано, что для создания клиновых интерференционных светофильтров, перекрывающих видимый диапазон спектра целесообразно использовать металлодиэлектрические светофильтры высоких порядков. В таких светофильтрах толщина разделительного слоя меняется по заданной зависимости, при этом в видимом диапазоне величина максимума пропускания меняется в зависимости от координаты на поверхности подложки.

В четвёртой главе описана технология изготовления и исследование оптических свойств градиентных тонкослойных покрытий. Показаны возможности экспериментального изготовления и исследования фильтров переменной плотности, конструкции технологических оправ, обеспечивающих центрировку градиентного слоя и оптической детали. Приведены характеристики экспериментально изготовленных фильтров переменной плотности, представлен разброс характеристик мелкосерийной партии таких фильтров.

В главе приведены основные характеристики градиентных зеркал лазерных резонаторов, изготовленных на стандартной вакуумной установке ВУ-1А с использованием разработанной технологической оснастки. Определены конструкции диэлектрических покрытий, формирующих градиентные зеркала. Рассмотрена схема установки для контроля распределения коэффициента отражения по поверхности оптического элемента. Экспериментально исследованы искажения распределения коэффициента отражения реально изготовленных зеркал. Дан анализ возникновения отклонений в распределении коэффициента отражения градиентных зеркал и приведены причины отличия этого распределения от расчётного. Показано, что при изготовлении диэлектрических зеркал с диаметром рабочей зоны менее 10 мм и зеркал с диаметром рабочей зоны более 50 мм следует использовать технологическую оснастку для закрепления оптического элемента в вакуумной камере различной конструкции. В первом случае максимальная толщина градиентных слоёв, формирующих покрытие, контролируется по «свидетелю», во втором - непосредственного по детали.

В данной главе так же рассмотрена технология изготовления и контроля клиновых интерференционных фильтров. При изготовлении клиновых интерференционных фильтров необходимо получить градиент слоя по одной координате и постоянство толщины по другой. Для реализации этого следует использовать экран в форме полуплоскости или диафрагмы большого радиуса. При контроле готового покрытия необходимо помнить, что полуширина готового фильтра незначительна и для близких координат подложки длина волны максимального пропускания различна, что усложняет контроль готового изделия. Представленные в работе характеристики клиновых фильтров подтверждают дееспособность данной методики.

В заключении приводятся основные выводы по работе:

Показано, что градиентные слои на оптических элементах с плоской и сферической поверхностью могут быть получены при испарении из маленького поверхностного испарителя на вращающиеся вокруг своей оси подложки или подложки, совершающие планетарное вращение с помощью простейших неподвижных диафрагм, диафрагм, меняющих своё положение в пространстве (пульсирующих), неподвижных или пульсирующих экранов, расположенных между испарителем и подложками.

Показано, что распределение толщины по поверхности оптического элемента при испарении из малого поверхностного испарителя на вращающуюся подложку полностью совпадает с распределением толщины, реализуемым из тонкого кольцевого поверхностного испарителя.

При испарении из маленького поверхностного испарителя на вращающиеся или совершающие планетарное вращение подложки (с плоской или сферической поверхностью) установлены связи между относительной толщиной слоя, радиусом диафрагмы, расстояние от оси вращения подложек или подложкодержателя до испарителя, удалением подложкодержателя до плоскости испарителя при формировании слоя с помощью простейших неподвижных диафрагм, расположенных между испарителем и подложкодержателем, при этом учтено влияние скорости изменения радиуса диафрагмы и расстояния от плоскости испарителя до плоскости диафрагмы во времени.

Для подложек со сферической формой поверхности установлена зависимость относительной толщины слоя от знака и радиуса кривизны поверхности.

Получена зависимость относительного распределения толщины слоя по плоской поверхности оптического элёмента для случая, когда деталь совершает планетарное (двойное) вращение, а диафрагма вращается как совместно с оптическим элементом, так и независимо. Показано, что в этом случае распределение толщины слоя определяется соотношением скоростей вращения подложки и подложкодержателя, расстоянием от оси вращения подложкодержателя до испарителя, расстоянием между осями вращения подложки и подложкодержателя, диаметром диафрагмы, расстоянием от оси диафрагмы до оси вращения подложки, отношением скоростей вращения подложкодержателя и диафрагмы, расстояниями между плоскостью, в которой расположен испаритель и плоскостью подложкодержателя, а так же плоскостью, в которой расположен испаритель и плоскостью, в которой расположена диафрагма.

Установлена зависимость между распределением толщины слоя по поверхности сферической детали для случая, когда сферическая деталь совершает планетарное (двойное) вращение совместно с диафрагмой, расположенной соосно с ней, от соотношения скоростей вращения подложки и подложкодержателя, расстояния между ними, расстояния от испарителя до подложкодержателя и диафрагмы до подложкодержателя.

Показана возможность увеличения зоны равномерности толщины слоя на оптических элементах с плоской поверхностью при испарении плёнкообразующих материалов в вакууме на промышленных вакуумных установках при использовании круглых экранов.

Величина и характер распределения коэффициента отражения по поверхности оптического элемента, на который нанесена или отсутствует просветляющая система, определяются соотношением между показателями преломления слоя и подложки, а также максимальной толщиной градиентного слоя в центре.

Форма отражённого волнового фронта зависит от толщины градиентного слоя в центре оптического элемента и от соотношения между показателями преломления подложки и материала, из которого сформирован градиентный слой. В зависимости от соотношения между показателями преломления подложки и градиентного слоя, фронт волны может быть, как сходящимся (), так и расходящимся ().

При формировании градиентного слоя на оптическом элементе, содержащем просветляющую диэлектрическую систему, коэффициент отражения в этом случае при тех же значениях показателя преломления плёнкообразующих материалов достигает больших значений. Форма отражённого волнового фронта более сложным образом зависит от максимальной толщины градиентного слоя, показателя преломления материала, из которого сформирован градиентный слой и конструкции просветляющего покрытия (двухслойное: четвертьволновое или с толщинами, отличающимися от 0.25 л0). При использовании просветляющей системы, толщины слоёв которой равны 0.25 л0, форма волнового фронта соответствует плоской с точностью до 0.06 л0 независимо от показателя преломления материала, из которого изготовлен градиентный слой. При формировании градиентного покрытия на просветляющем покрытии, толщины слоёв которого не кратны 0.25 л0, наблюдается аналогичная картина, однако при малых значениях показателя преломления градиентного слоя форма волнового фронта определяется отличается от плоской, максимальное отличие составляет 0.18л0.

Для интерференционных покрытий, содержащих несколько градиентных слоёв, нанесённых на поверхность оптического элемента с просветляющей диэлектрической системой и формирующих зеркальное покрытие, величина коэффициента отражения и форма волнового фронта отражённого излучения зависят от структуры и количества градиентных слоёв.

Для увеличения разности фаз между падающей и отражённой волнами при одинаковом законе изменения толщины слоёв предлагается использовать диэлектрические системы, состоящие из двух подсистем, каждая из которых образована слоями с большой и малой разницей в показателях преломления. При этом, если сочетать две системы, состоящие из 27 четвертьволновых слоёв ZnS и MgF2 (показатели преломления 2.3 и 1.38) и 20 слоёв SiO2 и MgF2 (показатели преломления 1.45 и 1.38), изменение разности фаз между падающей и отражённой волнами при примерно одинаковом изменении толщины слоёв увеличиться в два с половиной раза, а общее изменение формы волнового фронта отражённого излучения измениться с 2.9 л0 до 9 л0, т.е более, чем в три раза.

Градиентные слои в составе интерференционных диэлектрических узкополосных светофильтров позволяют изменять коэффициент отражения от максимального значения, близкого к единице (0.99) до минимального значения, близкого к нулю (0.001), при условии, что в состав интерференционного светофильтра входит просветляющая система, которая может быть расположена как на подложке, так и на интерференционном светофильтре. Форма отражённого волнового фронта будет определять распределением разделительного слоя по поверхности оптического элемента.

Разность фаз между падающей и отражённой волнами для зеркальных покрытий меняется по линейному закону в зоне, где величина коэффициента отражения слабо зависит от изменения толщины слоя. Форма волнового фронта отражённого излучения в этой зоне определяется изменением толщины и слабо влияет на формирование волнового фронта отражённого излучения. В зоне, где коэффициент отражения быстро изменяется, форма волнового фронта определяется не только толщинами градиентных слоёв, но и изменением разности фаз между падающим и отражённым излучением.

В зависимости от количества градиентных слоёв и их расположения в диэлектрической системе изменение формы волнового фронта находится в интервале от 0.15 л0 до 0.6 л0.

Для градиентных систем, содержащих один слой с меняющейся по поверхности оптического элемента толщиной, получено аналитическое решение, позволяющее установить связь между распределением коэффициента отражения и распределением толщины градиентного слоя по поверхности оптического элемента.

Проведён анализ свойств многослойных диэлектрических зеркал, в результате которого показано, что определяющими факторами выбора плёночной системы являются: близость распределений R(с) систем к требуемому распределению, фазовые соотношения, сложность конструкции, величина максимальной толщины градиентного слоя, количество градиентных слоёв, технология изготовления.

На основе анализа свойств многослойных диэлектрических систем предложен критерий выбора условий осаждения этих систем. Критерий выбора условий осаждения заключается в поиске условий, при которых наблюдается наименьшее расхождение между заданным и реально реализуемым распределением коэффициента отражения по поверхности оптического элемента. При осаждении покрытий используется метод термического испарения веществ в вакууме и разнообразные простейшие диафрагмы, помещаемые между испарителями и оптическими элементами.

С использованием предложенного критерия определены условия осаждения диэлектрических систем, у которых коэффициент отражения по поверхности оптического элемента может быть представлен в виде линейных, квадратичных, гауссовых и псевдогауссовых функций. Показано, что степень совпадения реально реализуемых и требуемых осесимметричных распределений коэффициента отражения существенно зависит от структуры используемой диэлектрической системы, т.е. числа слоёв и показателей преломления плёнкообразующих материалов При реализации данного распределения в стандартной вакуумной установке ВУ-1А, имеющей расстояние от малого поверхностного испарителя до оси вращения деталей 230мм, расстояние между плоскостью, в которой расположен испаритель и плоскостью, в которой расположены детали 460мм были рассчитаны условия формирования слоёв с заданным распределением коэффициента отражения. При распределения коэффициента отражения вида , R(0)=0.77 оптимальный результат получен при радиусе диафрагме, расположенной в плоскости, параллельной плоскости испарителя, rd - 3мм, расстоянии между плоскостями размещения испарителя и диафрагмы h-455мм, вида, rd - 2.5мм, h-454мм, вида rd - 1.8мм, h-456.5мм. Привести остальные результаты для трёх видов (указать какие распределения, какие системы). Указать расстояния между испарителем и подло указать для нескольких, произвольных результатов.