Перспективы развития оптики тонких пленок

3

ОПТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ОПТИКИ ТОНКИХ ПЛЕНОК

Л.А. Губанова, Э.С. Путилин

Внедрение оптических приборов и методов исследования в различные области науки и техники приводит к необходимости создания многослойных диэлектрических и металлодиэлектрических систем с расширяющимися требованиями не только к их свойствам, но и возможному их сочетанию.

Это, в первую очередь - оптические, физико-механические, химические и другие свойства. Из оптических свойств следует упомянуть непрерывно расширяющийся спектральный диапазон работы приборов, ужесточение требований к лучевой стойкости и прочности покрытий, сочетание возможности отражения (пропускания) и формирования волнового фронта отраженного (прошедшего) излучения. В некоторых случаях требуется работа покрытия со сходящимися или расходящимися пучками, т. е. ужесточаются требования к их поляризационным свойствам. Поэтому разумно рассмотреть отдельные типы покрытий: просветляющие (антиотражающие), зеркальные, свето- и спектроделительные, фильтрующие и поляризующие. Особой задачей, связанной со свойствами оптических материалов является осаждение покрытий на нестойких стеклах, кристаллах и полимерах.

Просветляющие покрытия

Основная, почти классическая задача просветляющих покрытий - увеличение спектрального диапазона и уменьшение остаточного отражения. Решение ее при создании покрытий, работающих в широком спектральном диапазоне, включающем ультрафиолетовую, видимую и ближнюю инфракрасную часть спектра, ограничивается тем, что набор стабильных, химически устойчивых, стойких к воздействию внешней атмосферы пленкообразующих и оптических материалов невелик. Основной их особенностью является широкий диапазон изменения показателя преломления просветляемых материалов, лежащий в интервале от 1,35 до 2,20.

Наибольшую сложность при создании антиотражающих покрытий представляют материалы с малым показателем преломления, однако при использовании современных методов синтеза удается создавать конструкции, обеспечивающие заданные требования. Однако такие конструкции содержат слои, толщина которых не превышает нескольких нанометров, что вызывает значительные технологические сложности при их реализации, связанные как с контролем толщины слоев в процессе их изготовления, так и со стабильностью параметров пленок во времени. Это требует создания новых методов контроля толщины в процессе осаждения и исследования изменения свойств этих слоев в процессе эксплуатации. При формировании таких систем набор пленкообразующих материалов, прозрачных в УФ-области спектра, весьма ограничен. Не меньший интерес в последнее время предъявляется к покрытиям, работающим в области вакуумного ультрафиолета. Создание таких покрытий в настоящее время сдерживается из-за отсутствия знаний о показателях преломления пленкообразующих материалов, прозрачных в этой области спектра, и приборов, позволяющих аттестовать эти материалы с достаточной точностью.

Особый интерес в последние годы проявляется к просветляющим покрытиям с переменным по толщине показателем преломления. Хотя свойства таких покрытий известно очень давно, их экспериментальная реализация к настоящему времени почти

отсутствует. В последние годы в связи с экспериментальными исследованиями, посвященными последовательному испарению двух и более пленкообразующих материалов в вакууме, появляется надежда на создание таких покрытий.

Свето- и спектроделительные покрытия

Для спектроделительных покрытий, особенно применяемых в оптоэлектронике и оптической связи, основная проблема заключается в уменьшении спектрального диапазона зоны, в которой коэффициент отражения или пропускания меняется быстро (крутизна спектральной характеристики, определяемая как ёТ/ёХ или ёЯ/ёХ, должна иметь максимальное значение в этом диапазоне). Зоны прозрачности и подавления, а также контрастность, определяемая как отношение максимального и минимального пропускания, должны иметь фиксированное значение, которое определяется техническим заданием.

Основная сложность, возникающая при конструировании таких покрытий, заключается в обеспечении максимального значения ёТ/ёХ (ёЯ/ёХ). Классический путь ее преодоления - использование систем, состоящих из большого числа четвертьволновых слоев с малой разницей в показателях преломления пленкообразующих материалов. Однако при этом зона максимального отражения уменьшается пропорционально разнице в показателях преломления. Аналогичный результат может быть достигнут при использовании материалов с большой разницей показателей преломления пленкообразующих материалов при меньшем числе слоев, что не всегда возможно в ультрафиолетовой и видимой областях спектра. При решении этой задачи необходимо искать компромиссный вариант, позволяющий при разумном количестве слоев достичь разумной величины крутизны. Этот компромисс определяется свойствами пленкообразующих материалов (собственные напряжения и коэффициент термического расширения пленок) и материала подложки.

Зеркальные покрытия

Создание систем с максимальным коэффициентом отражения как на кратных, так и некратных целому числу длинах волн и расширение спектрального диапазона, захватывающего спектральный диапазон от ультрафиолетовой до ближней ИК области спектра, создание узкополосных зеркал - зеркал с минимальной шириной области максимального отражения - является актуальной задачей. Разработка конструкции таких зеркал в принципе может быть решена с помощью современных методов синтеза многослойных диэлектрических систем.

Увеличение коэффициента отражения до величины, максимально приближенной к ста процентам, значительно увеличивает общую толщину диэлектрической системы. Это увеличение общей толщины приводит к тому, что система начинает разрушаться под действием механических напряжений, возникающих в слоях. Возможным выходом из этой ситуации является подбор пар слоев, взаимно компенсирующих как собственные, так и термические напряжения. При создании широкополосных систем перспективным является использование металлодиэлектрических систем. Подобный подход к конструированию широкополосных отражателей может быть использован для создания лазерных систем, если напряженность электрического поля световой волны, доходящих до металлического слоя, уменьшается на один-два порядка.

Особый интерес представляют системы, в состав которых входят слои с заданным распределением показателя преломления по толщине. Такие системы не только исключают границы раздела между слоями, изготовленными из различных материалов, что значительно увеличивает механическую прочность и лучевую стойкость покрытия, но и позволяют реализовать узкополосные системы, работающие как на кратных, так и на некратных длинах волн.

Поляризующие покрытия

В ряде современных приборов используется излучение как когерентных, так и некогерентных источников с определенным состоянием поляризации, что выдвигает дополнительные требования к поляризации отраженного и прошедшего потоков. Если для лазерных источников расходимость излучения мала, то для ряда других источников расходимость может достигать величины нескольких десятков градусов. Для этих источников не только велика расходимость, но и достаточно велик спектральный диапазон излучения. Это существенно ужесточает требования к конструкции многослойных систем, отражающих или пропускающих излучение с произвольным, наперед заданным состоянием поляризации, расходимости и спектральным диапазоном. Воспроизводимость спектральных характеристик таких покрытий определяется точностью контроля и стабильностью режимов осаждения.

Основная сложность, которая возникает при изготовлении перечисленных выше покрытий, заключается в нестабильности показателей преломления слоев, входящих в состав диэлектрических и металлодиэлектрических систем, а также в недостаточной точности контроля толщины слоев в процессе осаждения.

Топологические покрытия

Особый тип покрытий составляют покрытия с переменным по поверхности элемента коэффициентом отражения или пропускания (топологические покрытия). Одной из областей их использования является лазерная техника, в которой они могут применяться как элементы резонаторов лазеров, формирующих излучение с узкой диаграммой направленности. Конструкция таких систем (показатели преломления, оптические толщины слоев, распределение толщин по поверхности оптического элемента) определяется требованиями к форме волнового фронта отраженного или прошедшего излучения и величиной максимального и минимального коэффициентов отражения. Основная сложность при изготовлении таких покрытий состоит в воспроизведении расчетного распределения толщин слоев по поверхности элемента и их контроле в процессе осаждения, что требует проведения соответствующих исследований. Особый интерес здесь представляет исследование оптических параметров пленок с большим градиентом толщины, которая меняется от нуля до четверти длины волны, во времени.

Работа выполнена в рамках проекта № 40059 "Математическое моделирование процесса вакуумного осаждения тонких пленок с управляемой по поверхности толщиной".