Исследование свойств пленкообразующих материалов для ультрафиолетовой области спектра

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПЛЕНКООБРАЗУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА Л.А. Губанова, Ж.Н. Талдыкина

В работе приведены результаты исследования дисперсии показателей преломления пленкообразующих материалов: М£р2, 8Ю2 и НГО2 в области спектра от 200 до 100нм. Обсуждено влияние дисперсии показателей преломления на спектральные характеристики широкополосных антиотражающих покрытий для этой области спектра.

Введение

Расширение рабочего спектрального диапазона современных оптических систем значительно усложняет разработку и изготовление интерференционных покрытий, без которых в настоящее время не функционирует ни один прибор. При работе в УФ области спектра возникает ряд специфических проблем, связанных с использованием коротковолновой области спектра. Наиболее остро стоит проблема конструирования и изготовления просветляющих покрытий, обеспечивающих значительное снижение коэффициента отражения в ультрафиолетовой и видимой областях спектра. При расширении спектрального диапазона необходимо увеличивать число слоев в составе просветляющего покрытия, причем оптическая толщина некоторых слоев становятся крайне малой, часто она составляет десятые и сотые доли длины волны рабочего диапазона, их геометрическая толщина не превышает нескольких ангстрем. Последние обстоятельства требуют особенно тщательного соответствия расчетных и экспериментально выполненных оптических толщин покрытий.

Поскольку пленкообразующие материалы, применяемые для просветления оптических деталей, характеризуются показателем преломления, дисперсией показателя преломления, областью прозрачности, химической стабильностью, то при расчете конструкции покрытия необходимо знать не только точное значение этих параметров, но и зависимость их от условий формирования пленок.

В структуру интерференционных покрытий чаще всего входят слои, показатели преломления которых должны существенно отличаться друг от друга. Для материалов, работающих в УФ области спектра, диапазон прозрачности пленкообразующих материалов лежит в пределах от 0,15 мкм до 2 мкм. В этом диапазоне материалы должны обладать высокой прозрачностью, т.е. обладать минимальным коэффициентом поглощением Материал считается прозрачным, если величина его коэффициента поглощения меньше 102см-1, это означает, что коэффициент экстинции в исследуемой области спектра не может превышать 10 .

Материалы покрытия должны обладать большим сопротивлением истиранию и быть совместимыми между собой в одной комбинации. При этом на границах раздела между слоями и подложкой должны отсутствовать химические реакции.

С целью получения достоверных значений показателя преломления пленкообразующих материалов на кафедре оптических технологий давно проводятся исследования по изучению факторов, влияющих на стабильность показателей преломления таких материалов. В последнее время значительное внимание стало уделяться изучению дисперсии показателя преломления. Одной из особенностей покрытий для дальней УФ области спектра является то, что в этом диапазоне прозрачны лишь несколько влагостойких, обладающих высокой механической прочностью материалов, а именно: М§Б2, БЮ2, НГО2 и А1203. Анализу дисперсии показателей преломления и ее влиянию на характеристики диэлектрических систем посвящена данная работа.

Основные результаты

Для аттестации пленкообразующих материалов на промышленной вакуумной установке ВУ-1А формировались пленки БЮ2 и НГО2, толщиной, кратной Х/4,для некоторых длин волн, на подложках из кварцевого стекла марки КУ-1. По значению коэффициента пропускания в экстремуме (в минимуме для пленок с показателем преломления, большим показателя преломления кварцевого стекала - НГО2, и в максимуме - для пленок с показателем преломления, меньшим показателя преломления кварцевого стекла - М§Е2), были рассчитаны значения показателей преломления для тех длин волн, для которых толщина пленок была кратна У4. Измерения проводились на спектрофотометре СФ-26, Путем интерполяции имеющихся результатов были получены их дисперсионные зависимости. На рис.1 представлены дисперсионные зависимости показателя преломления фторида магния. Здесь же изображены значения показателей преломления, приведенные в работе [1]. На этом рисунке треугольники - экспериментальные результаты, полученные авторами, квадратики - результаты, приведенные в работе [1]. Пленки М§р2 осаждались методом электронно-лучевого испарения при давлении остаточных газов в камере 10"3 Па со скоростью 0,5 нм/с на прогретую до 300°С подложку.

1,45

1.4

1.35

1.3 ...................г

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

длина волны, нм

Рис. . Дисперсия показателя предомления пленки МдР2), оптическая толщина пленки 150 нм

П

2.6

2.4--

2.2------

2--♦

1.8---

1.6---

--—п

200 300 400 500 600 700 800

длинаволны, нм

Рис. 2 Дисперсионная зависимость показателя преломления пленки ИЮ2

П

На рис. 2 представлены дисперсионные зависимости показателя преломления оксида гафния, толщина пленки равнялась 150нм. Пленка оксида гафния была получена методом электронно-лучевого испарения при остаточном давлении в вакуумной камере 10" Па, скорости осаждения 0,2 нм/с, на прогретой до 300°С подложке. На этом же рисунке представлены значения показателя преломления оксида гафния, приведенные в литературе [2,3]. Экспериментальные данные, полученные авторами, изображены на рисунке в виде крестиков, литературные данные - в виде ромбов и квадратов. Вертикальная линия на длине волны 550 нм изображает различие в величине показателей преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей кристалла НТО2. Данные по дисперсии показателя преломления приводятся в различных литературных источниках без указания условий формирования слоев. п

1 65 -

1.55

1.45

1.35

200 300 40С 500 600 700 600

длина волны, нм

Рис. 3. Дисперсия покзателя преломления пленки БЮ2,.

На рис. 3 показана дисперсионная характеристика оксида кремния. Поскольку оксид кремния обладает там же показателем, что и плавленый кварц, измерения показателя преломления проводились по аттестации двухслойной системы, образованной четвертьволновыми слоями НГО2 и БЮ2. Здесь же представлены литературные данные [2,.3], изображенные на рисунке в виде кружочков и прямоугольников, а экспериментальные данные, полученные авторами, изображены в виде треугольников. Осаждение пленок БЮ2 проводилось методом электронно-лучевого испарения при остаточном давлении в камере 10-3Па, скорости осаждения 1 нм/с на прогретую до 300°С подложку. Четвертьволновая пленка оксида гафния на подложке из кварцевого стекла формировалась при той же температуре поверхности подложки, давлении остаточных газов в вакуумной камере и при скорости осаждения 0, 2 нм/с. В литературных данных указания об условиях осаждения пленок оксида кремния отсутствуют.

Как видно из зависимостей, приведенных на рис.1-3,. для этих материалов наблюдается значительное увеличение показателей преломления в УФ-области спектра. При приближении к фиолетовой границе прозрачности пленкообразующих материалов следует отметить, что экспериментальные данные совпадают с данными, приведенными в литературных источниках с достаточной степень достоверности. Различие в показателях преломления пленкообразующих материалов в УФ и видимой областях спектра вызывает необходимость в определении влияния дисперсии этих материалов на спектральные характеристики просветляющих покрытий в области спектра от 200 нм до 1000 нм.

С целью определения этого влияния на спектральные характеристики просветляющих покрытий, содержащих слои фторида магния, оксидов гафния и кремния, нами

были проведены расчеты спектральной характеристики разработанного ранее просветляющего покрытия с учетом полученных результатов. На рис. 4 представлены спектральные характеристики антиотражающего покрытия без учета (кривая 1) и с учетом дисперсии показателей преломления (кривая 2) пленкообразующих материалов.

Я.0 о

3

7 б 5

4

3

/

/ N /

/ \ /

/ \

/ — <

/

/

/

Г \ /

1 V у

1 1

1 1

1

V " ц

т -1 ^" I

200

300

400

500

500 700

длина волны, нм

Рис. 4. Влияния дисперсии пленкообразующих материалов на спектральную характеристику просветляющего покрытия. 1 - без учета дисперсии пленкообразующих материалов, 2 - с учетом дисперсии пленкообразующих материалов

Как видно из приведенных зависимостей, по всему спектральному диапазону наблюдается значительное различие в коэффициентах отражения интерференционного покрытия, содержащего слои из исследованных нами материалов. Необходимо обратить внимание на то обстоятельство, что во всем спектральном диапазоне происходит значительный рост коэффициента отражения просветляющего покрытия. Это связано с тем, что существенно изменяются фазовые толщины слоев, образующих это покрытие.

Различия в спектральных характеристиках, полученных расчетным путем с учетом и без учета дисперсии показателей преломления пленкообразующих материалов, позволяют объяснить результаты плохого воспроизведения спектральных характеристик просветляющих покрытий при изготовлении этих покрытий в УФ области спектра. Следует также помнить, что на вид спектральной характеристики оказывает влияние не только состав пленкообразующего материала, но и условия формирования покрытия. Эти условия оказывают влияние на величину пористости покрытия. Пористость покрытия, в свою очередь, при эксплуатации этого покрытия в атмосфере определяет изменение показателя преломления слоя. Поэтому полученные нами результаты по дисперсии показателей преломления пленкообразующих материалов в области спектра от 200 до 1000 нм позволяют скорректировать конструкцию просветляющего покрытия, работающего в ультрафиолетовой и видимой области спектра.

Заключение

По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы.

• В УФ-области спектра наблюдается значительное увеличение показателей преломления пленкообразующих материалов по сравнению с видимой областью спектра.

• Дисперсия пленкообразующих материалов оказывает значительное влияние на спек-

тральные характеристики просветляющих покрытий, работающих в диапазоне спектра от 200 до 1000 нм.

• Конструкции интерференционных покрытий необходимо рассчитывать с учетом дисперсии показателей преломления пленкообразующих материалов, входящих в состав интерференционной системы, если она предназначена для работы в диапазоне спектра от 200 до 1000 нм.

• Аттестацию показателей преломления слоев из используемых пленкообразующих материалов следует проводить на пленках, полученных в тех же условиях (остаточное давление, температура, скорость испарения), в которых будут изготавливаться интерференционные системы, если они используются для работы в широком спектральном диапазоне.

Работа выполнена в рамках проекта 10007 «Исследование методов изготовления

покрытий, создающих волновой фронт излучения для формирования лазерных пучков с

предельной пространственной локализацией»

Литература

1. Оптические кристаллические материалы. Каталог. / Под ред. Г.Т. Петровского. Л., 1991 52 с.

2. Гайнутдинов И.С., Несмелов Е.А.,. Хайбуллин И.Б. Интерференционные покрытия для оптического приборостроения. Казань: Фэн, 2002. 591 с.

3. Воронкова Е.М. и др. Оптические материалы для ИК техники. М.: Наука, 1965. 243 с.

4. Риттер Э. Пленочные диэлектрические материалы для оптического применения. Физика тонких пленок. Т.8 М.: Мир,1978. С. 7-60.