МНОГОСПЕКТРАЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СВЕТОФИЛЬТР ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
MULTISPECTRAL INTERFERENCE LIGHT FILTER FOR PROTECTION FROM LASER RADIATION

0
в
н
Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к устройствам для защиты органов зрения и аппаратуры от ослепляющего воздействия лазерного излучения. Известны защитные устройства, использующие различные типы фильтров, блокирующих лазерное излучение определенных частот и определенной мощности. Блокировка излучения происходит либо вследствие поглощения излучения заданной длины волны (λ), либо за счет его отражения. Поглощение в цветных светофильтрах создается путем введения в материалы примесей, красителей, пигментов, полупроводниковых элементов. Поглощенный свет преобразуется в тепло, вследствие чего фильтры могут обесцвечиваться и терять способность защиты от мощного лазерного излучения. В качестве отражающих систем можно использовать различные виды интерференционных покрытий из чередующихся слоев с высоким (n) и низким (n) показателями преломления: диэлектрические зеркала, поляризаторы, светоделители, полосовые, отрезающие фильтры [1]. Основными требованиями к таким покрытиям являются высокое отражение в спектральной области лазерного излучения, высокое пропускание в остальных участках видимой части спектра и максимально возможное сохранение цветопередачи. Для выполнения этих требований обычно создавались покрытия, блокирующих лазерное излучение одной определенной частоты.
0,01
0
0,01
0
В настоящее время требуется создание покрытий для защиты от лазерного излучения нескольких длин волн одновременно. Для этого полоса блокирования в видимой части спектра должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить глубокое подавление лазерной длины волны, в том числе при наклонном падении света, и достаточно малой, чтобы не блокировать остальные участки спектра. Оптимальная ширина полосы отражения Δλ/λ=(0,04-008) (Δλ ширина полосы отражения на уровне 1% пропускания, λ - длина волны блокирования). Препятствием для получения максимального пропускания в области прозрачности является наличие в спектрах пропускания побочных максимумов отражения (осцилляции), высота которых зависит как от разности показателей преломления, так и от абсолютных значений показателей преломления чередующихся слоев. Самый глубокий провал находится вблизи края полосы отражения. Число и высота побочных максимумов растет по мере возрастания числа слоев. Увеличение числа слоев необходимо для получения максимального отражения (высокой оптической плотности).
Достаточно высокие требования предъявляются и к эксплуатационным характеристикам покрытий. Покрытия должны быть влагостойки, выдерживать очистку органическими растворителями (спирт, ацетон).
к
Известна конструкция светофильтра из чередующихся слоев с высоким и низким показателем преломления, при отношении оптических толщин, равном пяти (авторское свидетельство №381055 от 15.05.1973) [2]. Такое выполнение светофильтра обеспечивает избирательное отражение в нескольких участках спектра, например, в области 0,53; 0,69 и 1,06 мкм, при сохранении прозрачности вне указанных участков. Конструкция фильтра П(5ВН)5В, где символом П обозначена подложка; В и Н - четвертьволновые пленки с высоким и низким показателями преломления; к - параметр кратности, определяющий общее число слоев в системе.
0,01
0
Однако этот светофильтр не обладает достаточной оптической плотностью (D). На длине волны 0,53 мкм D практически в одной точке равно единице (Δλ/λ<0,01, т.е. Δλ≈2-3 нм). Кроме того, фильтр имеет низкую механическую прочность, так как при большой разнице в толщине соседних слоев создаются слишком высокие внутренние напряжения. Такие фильтры подлежат обязательной склейке сразу после изготовления.
0,01
0
Известны системы диэлектрических зеркал с повышенной избирательной способностью (Δλ/λ=0,1-0,2) на основе слоев неравной оптической толщины, причем это неравенство изменяется от слоя к слою по заданной программе. Например, П(0,07В- 1,93Н-0,09В-1,91Н-0,12В- 1,88Н-…0,07В). Однако такие системы сложны в изготовлении, так как содержат очень тонкие слои, толщину которых не удается проконтролировать с необходимой точностью в видимой части спектра. Такие покрытия могут использоваться для далекой инфракрасной области спектра.
0,01
0
к
к
Известны также системы из чередующихся слоев равной оптической толщины из трех различных материалов. Избирательная способность систем может составлять Δλ/λ=0,08-0,16. Условное обозначение таких систем П(ВСNНС), П(НСNВС) и.т.п., где N - целое число, обозначающее толщину следующего за ним слоя в четвертях длины волны, С - четвертьволновая пленка со среднем значением показателя преломления. Однако такие системы имеют низкую оптическую плотность и дополнительные полосы отражения в зоне прозрачности.
к
к
к
Известны различные конструкции покрытий, использующиеся для уменьшения осцилляции и повышения пропускания в рабочей области прозрачности, с условием сохранения области высокого отражения [3-6]. Для получения максимально возможной прозрачности с длинноволновой стороны от полосы отражения обычно используются конструкции П(0,5ВН0,5В) или П(0,5НВ0,5Н). Для получения максимальной прозрачности с коротковолновой стороны от полосы отражения используются конструкции П(ВН)В0,5Н.
н
0
в
0
ср
0
0
в
0
подл
в
0
н
0
3/2
-1/2
1/2
1/2
В зависимости от конкретных требований к спектральным характеристикам покрытий разработано большое количество конструкций фильтров для сглаживания осцилляции и увеличения пропускания в заданных участках спектра. Например, предлагается, кроме верхнего слоя с низким показателем преломления (n) толщиной λ/8 (0,5Н), между подложкой и интерференционной системой поместить дополнительный слой с высоким показателем преломления (n) толщиной 3/4 λ (3В) (авторское свидетельство №386363 от 14.06.1973) [7]. В авторском свидетельстве №471568 от 25.05.75 предлагается между интерференционной системой и обрамляющими средами поместить дополнительные слои со среднем показателем преломления (n), вычисленными по определенной формуле, оптической толщиной λ/8. В авторском свидетельстве №448418 от 30.10.74 [9] такая же задача решается путем введения двух дополнительных слов толщиной λ/8 на границах интерференционного покрытия. При этом слои, примыкающие к покрытию, имеют показатель преломления, равный n=n ·nн, а показатели преломления внешних слоев равны (n n) и (n n). В авторском свидетельстве №553564 от 05.04.1977 [10] предлагается с двух сторон интерференционной системы ввести дополнительные слои с n и оптической толщиной 0,3λ, и верхний слой с n и оптической толщиной 0,15λ.
Такое большое разнообразие способов сглаживания и повышения пропускания в области прозрачности фильтров связано с тем, что интерференционные системы очень чувствительны к изменению оптических параметров: показателей преломления подложки и слоев, разности между ними, количества слоев, спектральной области применения. Поэтому для каждого оптического прибора необходимы дополнительные расчеты параметров слоев для обеспечения требуемых спектральных характеристик.
0
к
Наиболее полно различные способы сглаживания осцилляции в интерференционных системах представлены в работе Ш.А. Фурмана (прототип) [4]. Используя метод эквивалентных слоев и другие аналитические методы, автор представил некоторые частные случаи сглаживания осцилляции для конкретных оптических систем. Для коротковолнового отрезающего фильтра повышение пропускания в коротковолновой области предлагается за счет введения на границах подложка-фильтр и фильтр-воздух двух дополнительных слоев оптической толщиной 0,125λ и показателями преломления, рассчитанными по приближенным формулам. Для длинноволнового отрезающего фильтра, для получения высокого пропускания в длинноволновой области автор предлагает использование классической конструкции П(0,5ВН0,5В), с показателем преломления первого и последнего обрамляющего слоя в соответствии с расчетом. Однако найденные расчетным путем решения не всегда можно реализовать на практике, так как не удается найти пленкообразующие материалы с необходимыми параметрами.
Для решения поставленной перед нами задачи требуется повышение прозрачности оптических систем как с длинноволновой, так и с коротковолновой стороны от полосы высокого отражения для всех границ перехода от уровня высокой прозрачности к низкой.
Предложенное покрытие отличается от известных тем, что состоит из композиции трех различных элементов, обеспечивающих заданную спектральную характеристику покрытия в целом. Поставленная цель достигается тем, что каждый из трех элементов оптимизируется по своей структуре таким образом, чтобы получить оптическую плотность не менее трех в спектральных областях 380-460 нм, 510-540 нм и 635-740 нм соответственно, при максимальном пропускании в спектральных областях 470-505 нм и 545-620 нм для сохранения цветопередачи.
0
0
0
На фиг.1 приведена схема конструкции светофильтра. Светофильтр представляет собой подложку 4, на обеих сторонах которой расположены интерференционные оптические покрытия. На одной стороне подложки расположен многослойный интерференционный фильтр в виде зеркала второго порядка (λ=1565 нм) с высоким отражением в области 510-540 нм (элемент 1) и максимальным пропусканием в области 470-505 нм и 545-620 нм. На второй стороне подложки расположена композиция из двух интерференционных покрытий. Непосредственно к подложке примыкает длинноволновый отрезающий фильтр (λ=680 нм) с высоким отражением в области 635-740 нм и максимальным пропусканием в области 470-620 нм (элемент 2). На этом светофильтре расположен коротковолновый отрезающий фильтр (λ=425 нм) с высоким отражением в области 380-460 нм и максимальном пропускании в области 470-620 нм (элемент 3).
Для повышения прозрачности фильтра в коротковолновой и длинноволновой области спектра от полосы высокого отражения 510-540 нм при блокировании лазерного излучения длиной волны 532 нм в основную конструкцию элемента 1 введены дополнительные слои на границе фильтр-подложка и фильтр-воздух:
3
14
2
П(СН)(ВН)(СН)С 1,24Н.
При блокировании лазерного излучения длиной волны 650 нм для увеличения прозрачности с коротковолновой стороны от полосы максимального отражения в спектральных областях 545-620 нм и 470-505 нм в конструкцию элемента 2 введены дополнительные слои на границе фильтр-подложка и фильтр-элемент 3:
4
11
3
П0,5С (СН)(ВН)(СН)С 0,54Н.
При блокировании лазерного излучения длиной волны 405 нм и 445 нм для увеличения прозрачности с длинноволновой стороны от полосы максимального отражения в спектральных областях 470-505 нм и 545-620 нм в конструкцию элемента 3 введены дополнительные слои на границе элемент 2-фильтр и фильтр-воздух:
3
15
Ф0,5 ВН(СН)(ВН)0,5В.
Композиция, наносимая на вторую сторону подложки, записывается так:
4
11
3
3
15
П0,5С(СН)(ВН)(СН)С0,54Н0,5В Н(СН)(ВН)0,5В.
На фиг.2 показано расчетное спектральное пропускание фильтра. Расчетное среднее значение пропускания в области 470-505 нм составляет 83,4%, в области 545-620 нм - 88%. Визуальное пропускание для стандартного источника А составляет 62,6%. Расчетные значения оптической плотности на длинах волн излучения лазерных указок фиолетового, синего, зеленого и красного цветов показаны в таблице 1.
Таблица 1
Длина волны, нм
405
445
532
650
Оптическая плотность
4
3,5
3,4
3,2
-5
2
2
3
2
В соответствии с расчетными данными в производственных условиях были изготовлены опытные партии фильтров. В качестве слоев с высоким показателем преломления В использовался оксид циркония. В качестве слоев со среднем показателем преломления С использовался оксид иттрия. В качестве слоев с низким показателем преломления Н использовался кварц. В качестве подложек использовалось очковое оптически прозрачное стекло. Для изготовления опытных образцов покрытий использовалась вакуумная установка A-700QE фирмы «Leubold-Heraus». Технологический процесс изготовления зеркал стандартный и состоит из очистки подложек перед нанесением покрытия, в прогреве подложек и последовательному нанесению слоев в соответствии с расчетом. Для нанесения слоев использовались электронно-лучевые испарители. Контроль толщины слоев проводился по пропусканию спектрофотометрическим методом. Для получения максимальной точности заранее рассчитывались схемы контроля. Давление остаточных газов в камере нанесения покрытия составляло 2÷5·10мм.рт.ст. Температура нагрева подложек 180°C-220°C. Скорость нанесения слоев ZrO составляла 17 Å/мин, скорость нанесения слоев YO - 20 Å/сек, скорость конденсации слоев SiO была равна 25 Å/мин. Выбранные режимы испарения оптимальны с точки зрения получения наиболее стабильных и воспроизводимых оптических характеристик формируемых оптических систем.
На фиг.3 показано типичное спектральное пропускание опытного образца фильтра, изготовленного в производственных условиях по описанной выше методике.
0,01
0
Полоса зоны отражения в видимой области спектра Δλ/λ=0,06-0,08, что близко к расчетным значениям. Оптическая плотность на лазерных длинах волн рассчитывалась по спектрам пропускания, измеренным на спектрофотометре СФ8 с растяжкой шкалы, и составляет величину D>3 для лазерных длин волн 405, 445, 532 и 650 нм. Среднее значение пропускания в области 470-505 нм составляет 70,4%, в области 540-620 нм - 80,5%. Визуальное пропускание экспериментальных образцов на 5-8% меньше расчетных значений и составляет в среднем 54% для стандартного источника А. Разработанная конструкция обеспечила получение заданных технических характеристик, и на ее основе может быть организовано массовое производство изделия.
Литература
1. Гайнутдинов И.С. и др. Свойства и методы получения интерференционных покрытий для оптического приборостроения. Казань: Фен, 2003, 424 с.
2. Миронов С.П., Веремей В.В., Соловьев Н.Г. Интерференционный светофильтр.//А.с. №381055, кл. G02b 5/28, опубл. 15.05.1973. Бюл. №21.
3. Телен А. Конструирование многослойных интерференционных светофильтров. В кн. Физика тонких пленок. М.: 1972 г., т.5, с.46-83.
4. Фурман Ш.Ф. Тонкослойные оптические покрытия. Л.: Машиностроение, 1977, 264 с.
5. Яковлев П.П., Мешков Б.Б. Проектирование интерференционных покрытий. М.: Машиностроение, 1987, 192 с.
6. Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. Л.: Машиностроение, 1973. 224 с.
7. Л.Б. Кацнельсон и Ш.А. Фурман. Интерференционный светофильтр.// Авт.св. СССР. №386363, МПК G02b 5/28. Бюл. №26 от 14.06.1973.
8. Б.Б. Мешков и В.А. Ефременко. Отрезающий оптический интерференционный фильтр с пропусканием в коротковолновой области спектра.//Авт. св. СССР №471568. Бюл. №19 от 25.05.1975.
9. Е.Г. Столов и Ш.А. Фурман. Интерференционный оптический отрезающий фильтр.//Авт.св. СССР №448418. Бюл. №40 от 30.10.1974.
10. Н.Ф. Марков и Е.Г. Столов. Оптический интерференционный длинноволновый отрезающий фильтр.// Авт.св. СССР №553564. Бюл. № 13 от 05.04.1977.