Исследование методов изготовления покрытий, создающих волновой фронт излучения для формирования лазерных пучков с предельной пространственной локализацией

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ, СОЗДАЮЩИХ ВОЛНОВОЙ ФРОНТ ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ С ПРЕДЕЛЬНОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ЛОКАЛИЗАЦИЕЙ Э.С. Путилин, Л.А. Губанова, В.А. Дмитренко, Л.М. Студеникин

В работе представлен анализ возможности получения внутрирезонаторных градиентных элементов. Показано, что при увеличении размера зоны постоянной и переменной толщины градиентного зеркала согласие между экспериментально реализованными и расчетными зависимостями коэффициента отражения от радиальной координаты ухудшается.

Введение

Формирование лазерных пучков с предельной пространственной локализацией возможно в лазерных системах, содержащих внутрирезонаторные градиентные элементы. Это могут быть диэлектрические системы, у которых коэффициент отражения или пропускания меняется по радиальной координате. Закон изменения коэффициента от-

-(Р/ /

ражения, как правило, определяется функцией вида: Я = Я0е /Ро , где Я0 - коэффициент отражения в центре элемента, р - радиальная координата, ро - значение радиальной координаты, при которой коэффициент отражения уменьшается в е раз, к - любое число, определяемое характеристиками лазерного пучка. В данной работе рассматриваются особенности процесса формирования зеркал с переменным по радиусу элемента коэффициентом отражением.

Основные результаты

Рассмотрим процесс изготовления многослойных диэлектрических систем с переменным отражением на плоскопараллельной стеклянной пластине диаметром 52мм. Необходимо получить оптический элемент со следующим распределением коэффициента отражения: в центральной зоне, ограниченной диаметром 0СОШ)1~18мм, Я0^54%, далее вдоль радиальной координаты подложки в зоне, ограниченной диаметрами 18 и 40 мм, коэффициент отражения изменяется по зависимости, изображенной на рис.1, от 54% до 0.5%. В зоне, ограниченной диаметрами 40 и 50 мм, величина коэффициента отражения постоянна и равна 0.5%. Заданную величину коэффициента отражения в центральной зоне может обеспечить конструкция пД372В,0.197НД( 0.25Б,0.25Н,0.25Б).

Для обеспечения желаемого перепада коэффициента отражения [1] возможно применить конструкцию, которая представлена на рис. 1(1). Показатели преломления слоев этой системы равны пВ1=пВ3=пВ5=1.92 ^г02) и пВ2=пВ4=1.45 (БЮ2). Зависимость коэффициента отражения данной системы от толщины 3, 4, 5, слоев (5 слой граничит с воздухом), рассчитанная по формуле, приведенной в [2], представлена на рис. 1 (2). Из рисунка видно, что данная пленочная система удовлетворяет поставленному требованию: изменение коэффициента отражения от максимального до минимального происходит при уменьшении толщины 3, 4 и 5 слоев от 0.25Л0 до 0.14^^0.15Л0. Далее необходимо выбрать параметры оснастки [3]: Н, И, г,Б1, ЯИ, при которых можно сформировать распределение толщины на подложке близкое к требуемому. Исходя из имеющихся в наличии набора диафрагм и элементов оснастки были выбраны следующие параметры: Н=499мм, Л=390.7мм, ЯИ=225мм, г^=56мм.

Так как толщина первых двух слоев от подложки постоянна, то процесс осаждения проводится последовательно.

Рис. 1. 1. Конструкция многослойной диэлектрической системы, сформированной на плоскопараллельной пластине. 2. Зависимость коэффициента отражения от толщины 3, 4, 5 слоев от пластины. 3. Распределение коэффициента отражения по поверхности

подложки

Были изготовлены две зеркальные системы, одна из которых должна обеспечить заданное распределение коэффициента отражения в коротковолновой части видимой области на длине волны Ло=450 нм, другая - в длинноволновой на Ло=632.8нм.

Для измерения распределения пропускания вдоль радиальной координаты полученных зеркальных систем использовалась схема, представленная на рис. 2.

Световой поток от источника коллимируется линзой 2 и проходит через модулятор 3. Далее поток, ограниченный диафрагмой 4, падает по нормали на исследуемый образец 5, установленный с возможностью перемещения в плоскости перпендикулярной оптической оси. Неподвижная диафрагма 6, находящаяся в непосредственной близости от поверхности исследуемого объекта, ограничивает световой поток, далее проходящий через линзу 7, фокусирующую изображение нити лампы на входной щели монохроматора 8. После монохроматора 8 поток с заданной длиной волны (обратная линейная дисперсия с1ЛМ/«3нм/мм) попадает на ФЭУ 9, после преобразования сигнал усиливается усилителем 10, и далее показания снимаются с цифрового вольтметра 11. При проведении измерений смещение щелевой диафрагмы 6 выполнялось с шагом 0.25 мм.

На рис. 3 представлено распределение коэффициента пропускания (сплошная линия) многослойной диэлектрической системы на длине волны 632,8 нм при размере диафрагмы 6 0,5x3мм. Для сравнения на рисунке представлено расчетное распределение пропускания (пунктирная линия). Из рисунка видно, что экспериментальные и расчетные кривые не совпадают.

"V л

10 9

6 V 5 [ 1 V' г

р

—I I ------------

> и

3

7

ч

Рис. 2 Схема для измерения коэффициента пропускания вдоль радиальной координаты подложки. 1 - лампа накаливания, находящаяся в фокальной плоскости коллимирую-щей линзы 2, 3 - модулятор, 4 - диафрагма, 6 - диафрагма, 7 - фокусирующая линза, 8 -монохроматор МДР-2, 9 - ФЭУ-100, 10 - усилитель, 11 - цифровой вольтметр

Для выяснения причин отклонения экспериментального профиля Т(р) от расчетного были проведены измерения спектральных характеристик, полученных систем в центре детали - в зоне максимального отражения и на краю - в зоне просветления. Из-

2

1

мерения проводились на спектрофотометрах СФ-26, СФ-46. На рисунках приведены расчетные и экспериментальные спектральные кривые пропускания на краю (рис. 4.1) и в центре (рис.4.2) детали с Ло=632.8нм.

70

Ч У10=632.8нм

0 10 р, мм

Рис. 3. Расчетное и экспериментальное распределение пропускания по поверхности

подложки диаметром 50 мм

Наибольшее смещение спектральных характеристик АЯ0смещ наблюдается для двух систем в зоне просветления. В центре детали величина АЯ0смещ значительно меньше.

Для выяснения причин полученных отклонений профилей пропускания (см. рис. 3) был проведен дополнительный анализ полученных распределений.

100

95

кг

90

85

\ '' / \ \ 1 \\ расч

/ эксп V '

Я0=632 8нм

600 800 2, нм

1000

600 А, им 800

Рис. 4 Спектральный коэффициент пропускания Т(Л) системы (расч - расчетное Т(Л), эксп - экспериментальное Т(Л)), 10=632.8нм, 1- в зоне просветления, 2 - в центральной зоне

Результаты анализа представлены на рис. 5, где экспериментальные спектральные кривые (эксп) выделены сплошной жирной линией, а расчетные (расч+А^), с учетом предполагаемых отклонений толщины и показателей преломления, близких к реальным - пунктирной линией. Из расчетов следует: для того чтобы максимум просветления (Л0=632.8нм) и (Я0=450нм) расчетных кривых совпадал с максимумом просветления на детали, отклонение в толщине 1-го и 2-го слоев от подложки должно быть, соответственно, А^1>2«+10.5% (рис. 5.1) и А^,2«+13%., а для совмещения максимумов спектральных кривых пятислойной системы, соответственно, А^3,4,5«-(1-2)% при «1>3>5«(1.92-1.96) (рис. 5.2) и А^зЛ5~-(1-2)% при ии,5*(1.92-1.93).

Используя полученные данные о возможных отклонениях в толщине слоев, рассмотрим расчетное распределение пропускания Т(р) по поверхности подложки, ограни-

ченной диаметром 40мм пленочной системы, с учетом этих ошибок Аd (рис. 6) -расч+А^. Из рисунка следует, что эти отклонения влияют не только на величину пропускания в центре детали (рис. 4), но также на Т(р) в зоне, где пропускание зависит от ради-

альной координаты. При сравнении распределения Т0 расч+м(р) с расчетным определено, что отклонение пропускания системы для Ло=450 нм и Ло=632.8 нм с учетом предполагаемых отклонений толщины АТ0(р)=Т0 расч(р)-Т0 расч+м(р)«1-3%, а на границе |р|=20мм - АТ0(р)«1%. Таким образом, полученную при проведенных измерениях форму профиля пропускания (отражения) на заданной длине волны (рис. 3) частично можно объяснить смещением спектральной кривой полученной системы в длинноволновую область.

100

.. 90

АсУ1 2~+10.5%

600 д1НМ 800

100 90 80 70 60 50

л АС/ 1 \ 1.2 а+10.5% 2

'/ \ п / \ 1.3'5 И.92-г1.96 \ к \

' V \\ ...........\\.......

\ \ \ \ ' Ас/ и-(1 3,4,5 и .2)%

Л

Я0=632.8нм

600 д.нм 800

1000

Рис. 5. Результаты анализа пленочных систем в зоне просветления и в центральной

зоне постоянной толщины

Рис. 6 Распределения пропускания Т(р) пленочной системы расч - расчетное распределение; расч+А^ - расчетное распределение с учетом ошибок в толщине слоев; "эксп" - распределение, близкое к экспериментальному

Существующие различия можно объяснить различными факторами, которые достаточно трудно предсказать, учесть и контролировать в силу их изменчивости и непредсказуемости: влияние эмиссионной характеристики испарителя и его размеров, коэффициент конденсации, скорость испарения, скорость осаждения испаряемого вещества, скорость вращения подложкодержателя и т.д. Влияние рассмотренных параметров в данной конструкции проявляется в большей степени вследствие того, что требуемое минимальное значение отражение (максимальное пропускание) приходится на участок, где толщина сильно зависит от радиальной координаты р=20мм.

Для объяснения отклонений экспериментального профиля пропускания полученных пленочных систем от расчетного рассмотрена гипотеза о зависимости показателя

преломления от толщины слоя п=/(^), полученного осаждением в вакууме. Показатели преломления покрытий в зонах с постоянным и переменным профилем толщины будут отличаться и определяться скоростью осаждения слоев в этих зонах. Было рассмотрено два варианта зависимостей: I - дй!дп>0 и II - д^дп<0, т.е. с ростом толщины показатель преломления каждого слоя изменяется, соответственно, от минимального до максимального значения в первом варианте и наоборот - во втором. Для упрощения расчетов зависимости приняты линейными в обоих случаях. При расчетах слой диэлектрика разбивался на несколько монослоев, каждый из которых обладает своим показателем преломления. Для слоев БЮ2 показатель преломления принят постоянным. Его отклонениями можно пренебречь, поскольку 5Ю2 всегда отличался стабильностью величины п независимо от метода и условий формирования слоев. После проведения расчетов показано, что влияние зависимости п=/(^) на профиль пропускания является незначительным.

1

0.9 -§0.8 0.7 0.6

°5<) -10 0 А мм Ю 20

Рис. 7. Распределение относительной толщины С/сС0(р) вдоль радиальной подложки слоя с переменным профилем в системе расч - расчетное, "эксп" - близкое

к экспериментальному

Далее были проведены дополнительные измерения спектрального коэффициента пропускания детали с покрытием вдоль радиальной координаты от ее центра до края с использованием измерительной схемы (рис. 2). В результате измерений выяснено, что в зоне постоянной толщины с увеличением радиальной координаты от центра к краю наблюдается сдвиг кривой в коротковолновую область спектра. Величина этого сдвига

А1с0Мещ = Х0М*Щ0мм - мм ~ 20нм. В зоне с переменным профилем толщины экспериментальные кривые Т(Л) смещены в длинноволновую область, и с увеличением радиальной координаты величина ^0смещ увеличивается: АЛ0смещ~(30-70)нм. Измеренные спектральные распределения коэффициента пропускания в разных зонах покрытия позволяют по смещению зависимостей Т(Л) определить распределение толщины слоев по поверхности зеркала. Относительное распределение толщины слоев, соответствующее экспериментально измеренным спектральным зависимостям в разных зонах зеркала, приведено на рис. 7. Из рисунка видно, что отклонения по толщине наблюдаются как в зоне с постоянной толщиной, так и в зоне с переменным профилем. Этот результат можно объяснить влиянием рассеяния молекулярного пучка на промежутке диафрагма-деталь, равном 11 мм. При таком расположении на этом промежутке рассеивается (меняет направление движения) примерно 2-10% молекул испаряемого вещества. Дополнительно во время осаждения на профиль толщины может оказывать влияние переотражение молекул вещества от элементов оснастки и вакуумной камеры. Эти эффекты присутствуют всегда при формировании покрытий с переменной толщиной, но особенно проявляются в тех случаях, когда расстояние АН между диафрагмой и подложкой

велико, а количество слоев с переменным профилем - более одного, что имеет место в нашем случае: АЛ» 108 мм, и пленочная система содержит три слоя. Чтобы либо исключить или уменьшить влияние оснастки на профиль толщины, либо учитывать и в дальнейшем использовать эти эффекты в своих целях для выполнения поставленных задач: обеспечения заданного распределения коэффициента отражения Т(р), необходимо провести дополнительные исследования.

Рис. 8 Распределение пропускания Т(р)на различных длинах волн: расч - расчетное Т(р) системы с учетом отклонений толщины и Лосмещ»(500+15)нм, эксп - экспериментальное Т(р), Яизм - длины волн, на которых проводились измерения

40

30

'-20

о:

10

0

-2

/ расч

эксг 1 /Г V,

/

л

0

р, мм

Рис. 9. Распределение отражения И(р) пленочной системы, Ло=1064нм. расч - расчетное, эксп - экспериментальное

Учет влияния ошибок в распределении толщины слоя по поверхности зеркального покрытия на распределение коэффициента пропускания не будет полным, если не рас-

смотреть характер формирования его на разных длинах волн. На рис. 8 представлены распределения пропускания Т(р) вдоль радиальной координаты, измеренные для разных длин волн зондирующего излучения: Аизм=450, 470, 490, 510 нм с использованием схемы рис. 2. Как видно, рис. 8 дает хорошее совпадение экспериментальных и расчетных результатов с учетом ошибки в определении толщины слоев зеркальной системы.

При изготовлении более простых зеркальных систем: пД364В,0.199Н,А

использовалась оправа для формирования градиентных зеркал на подложки малых диаметров. На подложке 0=20мм из стекла марки К8 необходимо было получить трапецеидальное распределение отражения (рис. 9) - расч., на длине волны Л0=1064нм (п$=1.50625). Система, состоящая их 2-слойного просветляющего покрытия, поверх которого нанесен 3-й слой диэлектрика (п1=п3=1.92, п2=1.45), с использованием оправы с параметрами: .01^2.55мм и АН^1.55мм, должна обеспечить в центральной области, ограниченной диаметром 0соШ=1.1мм, отражение Я0=35±5%, и далее вдоль радиальной координаты до значения |р|=2мм, где Я - менее 1%. При сравнении экспериментального и расчетного распределений наблюдается их хорошее совпадение, за исключением величины Я в центральной зоне. Это можно объяснить изменением значения показателя преломления пэксп = пэксп «1.95. Наблюдаемое различие диаметров зон 0соп,л можно объяснить либо влиянием края диафрагмы рассмотренное выше, либо незначительным отклонением параметров АН и П1 от расчетных значений. Необходимо отметить, что при изготовлении покрытий, в которых распределение переменного профиля толщины приходится на сравнительно небольшой диаметр подложки и при этом величина АН является небольшой, удается добиться лучшего совпадения расчетных и экспериментальных распределений Яр) или Т(р), так как в этом случае влияние таких факторов, как рассеяние, невелико.

Заключение

В результате проделанной работы показано, что при увеличении размера зоны постоянной и переменной толщины градиентного зеркала согласие между экспериментально реализованными и расчетными зависимостями коэффициента отражения от радиальной координаты ухудшается. Это связано с влиянием рассеяния молекулярного пучка на пути от испарителя до диафрагмы и от диафрагмы, формирующей градиентный слой, до оптического элемента. Показана возможность создания градиентных элементов большой площади на промышленных вакуумных установках, предназначенных для изготовления оптических покрытий.

Литература

1. Губанова Л.А., Дмитренко В.А., Путилин Э.С. Формирование градиентных слоев с помощью круглых диафрагм и экранов // Оптический журнал. 2003. №3. С.50-53

2. Губанова Л.А., Дмитренко В А., Путилин Э.С., Студеникин Л.М. Синтез условий осаждения градиентных слоев // Оптический журнал. 2003. №8. С..50-54

3. Губанова Л. А., Дмитренко В. А., Путилин Э.С. Многослойные диэлектрические зеркала с переменным профилем коэффициента отражения для лазерных систем // Оптический журнал. 2000. № 3. С. 91-96