Градиентные многослойные диэлектрические системы

2

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

ГРАДИЕНТНЫЕ МНОГОСЛОЙНЫЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

СИСТЕМЫ Л.А. Губанова, Э.С. Путилин

В работе рассмотрена возможность изготовления оптических покрытий с заданным распределением коэффициента отражения или пропускания по поверхности оптического элемента, определяемым распределением толщин слоев, формирующих покрытие. Приведен анализ влияния положения оптического элемента, испарителя и диафрагм, расположенных между испарителем и оптическим элементом, на характер распределения толщин слоев по поверхности элемента.

Введение

Развитие лазерной техники и систем наблюдения за объектами как в наземных, так и в космических условиях требует создания малогабаритных оптических элементов, обладающих заданным распределением спектральных зависимостей коэффициента отражения или пропускания по их поверхности. Так, для создания лазерных источников высокой яркости необходимы зеркала, обладающие гауссовым или псевдогауссовым распределением энергетического или амплитудного коэффициента отражения по поверхности элемента. В этом случае нас интересует величина коэффициента отражения в достаточно узком спектральном интервале. При исследовании спектральных зависимостей наземных или космических объектов значительный интерес представляют малогабаритные устройства, у которых максимальное пропускание в достаточно узкой спектральной области зависит от координаты на поверхности элемента. Сканируя изображение относительно элемента, можно получить спектральную зависимость, определяемую характеристиками наблюдаемого объекта. В качестве таких элементов используются так называемые клиновые фильтры, которые могут быть построены по схеме интерферометра Фабри-Перо. Аналогичная задача, решаемая без сканирования, представляет интерес при использовании фотоэлектрических регистрирующих устройств, работающих при больших перепадах интенсивности, попадающих на них светового излучения. В этом случае пропускание или отражение должно очень слабо зависеть от длины волны излучения. Эта задача решается с помощью так называемых оттенителей. Отте-нители - это системы, образованные металлическими слоями или многослойными диэлектрическими системами, у которых толщина слоя меняется по радиальной координате. Еще одной возможностью использования тонких слоев, у которых толщина меняется по координате поверхности, является вакуумная асферизация. Для задач вакуумной асферизации могут быть использованы металлические и диэлектрические слои, если асферизующая система предназначена для работы с отраженным излучением. Если же она предназначена для работы с прошедшим излучением, то необходимо использование слоев с близким к подложке показателем преломления. Отсутствие пленкообразующих материалов с показателями преломления, близкими к показателю преломления асферизуемого элемента, сдерживают развитие этого направления.

Основные результаты

Как известно, величины энергетических коэффициентов отражения Я и пропускания Т определяются структурой покрытия, т.е. числом, порядком расположения, показателями преломления и оптическими толщинами слоев [1]:

Я = Г

(П0т11 - птт22

)+ 1

{п0тп + птШ22)+ 1{п0пттп + т21 V

где т11з т12, т21, т22 - элементы матрицы преобразования электромагнитного излучения, которая иногда в литературе называется матрицей интерференции. Матрица интерференции системы слоев определяется как результат произведения матриц интерференции отдельных слоев:

М = П , М; =

1 =1

соб ф ] т^ б1п ф ^

¡(п]) 1БИ

1/ 81П Ф1

соб ф 1

Здесь ф  = 2п

пА

X

- фазовая толщина слоя, щ - показатель преломления, й:

- геометрическая толщина 1-го слоя, которая может быть функцией координаты подложки, X - длина волны падающего излучения, на которой производится расчет коэффициентов пропускания и отражения.

Как видно из этих выражений, величины энергетических коэффициентов отражения и пропускания могут быть функциями координат подложки, если толщина слоев по подложке непостоянна.

Рис. 1. Схема формирования градиентных слоев

В ранних работах [2, 3] нами было исследовано распределение толщины слоев, формируемых на оптических элементах, имеющих плоскую или сферическую форму поверхности, при электронно-лучевом испарении пленкообразующих материалов в вакууме. Были рассмотрены случаи, когда осаждение слоя производится на неподвижную, вращающуюся вокруг оси или совершающую планетарное вращение подложку.

Для этих случаев были определены условия, при которых толщина слоя по поверхности оптического элемента постоянна или является функцией одной или двух (радиальной и угловой) координат. Получаемые при этом пленки обладают малым градиентом толщины по поверхности оптического элемента. Для увеличения градиента толщины по поверхности оптического элемента можно использовать способ электронно-лучевого испарения диэлектриков в вакууме. Чтобы увеличить градиент толщины, необходимо поместить между испарителем и вращающейся подложкой подвижную или неподвижную диафрагму или экран простейшей формы.

На рис. 1 представлена схема формирования слоев с переменной по радиусу элемента толщиной и управляемым градиентом толщины. При изготовлении градиентных зеркал толщина слоя определяется следующим выражением [3]:

7 , ч Ви г cos 0 cos 0' Оф

О.: (p) = - I -2- ,

ng J p2(p, Ф) '

cos 0 = cos 0' = —,

P

P = R 2 + H2 + p2 + 2 Rp cos ф

a = arccos

p2 (1 - к)2 + к2R2

к

H - h

2рЯЯк(1 - к) Н

где в - коэффициент конденсации, определяющий отношение числа осажденных молекул к общему числу молекул; и - скорость испарения вещества; g - плотность образовавшегося слоя; Н - расстояние между плоскостью, в которой расположен испаритель, и плоскостью, в которой расположена подложка; г - радиус диафрагмы; И - расстояние от плоскости, в которой расположена диафрагма, до плоскости испарителя; Р - расстояние от точки на поверхности испарителя до точки на поверхности подложки; а -угловая координата тонкого поверхностного кольцевого испарителя радиусом Я.

Возможные распределения толщины слоя по поверхности оптического элемента представлены на рис. 2. Как видно из этого рисунка, возможно, по существу, два разных типа распределения толщины слоя по радиальной координате - распределение первого типа, когда в центре подложки имеется слой постоянной толщины, и второго типа, когда в центре подложки слой отсутствует. Величина зон, в которых толщина слоя постоянна или слой отсутствует, меняется от минимального размера, близкого к нулю, до максимального, определяемого параметрами испарительной установки.

Рис. 2. Возможные распределения толщины слоя

На рис. 3 представлены распределения коэффициента отражения по поверхности оптического элемента, которые соответствуют распределениям толщины слоя, пред-

2

ставленным на рис. 2. Как видно из рис. 3, распределение коэффициента отражения обладает осевой симметрией, а отклонений от симметрии не наблюдается.

К.%

Рис. 3. Распределение коэффициента отражения градиентных зеркал

На рис. 4 представлены экспериментальные зависимости энергетического коэффициента отражения градиентных зеркал, изготовленных на основе диэлектрических ленок из оксидов циркония и кремния. Оптические толщины слоев в центе подложки кратны Хо/4, где Хо - длина волны лазерного излучения. На рисунке представлены несколько зависимостей, которые соответствуют градиентным зеркалам, изготовленным в разное время. Анализируя рисунок, можно сделать вывод о вполне удовлетворительной воспроизводимости распределения коэффициента отражения вдоль радиальной координаты.

эо

20

10

...... ...........—— / 1 " :

/ # / ь

№ / \ \

_ /I У __ ^ -

-1

г, гшп

Рис. 4. Энергетическая характеристика экспериментально изготовленного градиентного зеркала

Для получения клиновых фильтров необходимо иметь диэлектрические системы, у которых толщина слоя меняется приблизительно по линейному закону вдоль одной из координат, но при этом остается постоянной вдоль другой координаты. Наиболее просто реализовать подобную ситуацию в полярной системе координат. Однако практический интерес представляет использование декартовой системы координат на поверхности подложки.

Нами показано, что получение систем, представляющих практический интерес, возможно при использовании простейших экранов. На рис. 5 представлено распределе-

ние толщины слоя по поверхности оптического элемента при использовании плоского экрана. Как видно из этого рисунка, используя указанное расположение экрана относительно поверхности оптического элемента, можно получить клиновой интерференционный фильтр, обладающий заданными характеристиками.

Рис. 5. Распределение толщины слоя для плоского экрана

Заключение

Разработана модель осаждения слоя через диафрагму или экран, расположенные между тонким кольцевым поверхностным испарителем и деталью.

Математическая модель осаждения слоя экспериментально подтверждена для большинства пленкообразующих материалов.

Распределение коэффициента отражения по поверхности подложки описывается гауссоидой с показателем, большим или равным четырем.

Показано, что на элементах размерами менее 30 мм можно получить толщину слоя, линейно меняющуюся по одной координате и сохраняющую постоянные значения по другой координате.

Работа выполнена в рамках проекта «Исследование свойств и синтез оптических покрытий с управляемой топологией».

Литература

1. Бернинг П.Х., Теория и методы расчета оптических свойств тонких пленок / Физика тонких пленок. Под ред. Г. Хасса. М.: Мир, 1697. Т.1. С 91-151.

2. Путилин Э.С., Дмитренко В.А, Губанова Л.А Многослойные диэлектрические зеркала с переменным профилем коэффициента отражения для лазерных систем // Оптический журнал. 2000. Т.67. № 3. С. 91-97.

3. Василевский О.Н., Губанова Л. А., Путилин Э.С. Получение пленок с большим градиентом толщины методом вакуумного испарения. // Техника средств связи. Сер. Техника телевидения. 1989. Вып. 1. С. 102.

4. Василевский О.Н., Губанова Л.А., Белов В.А., Путилин Э.С. Получение пленок с большим градиентом толщины методом вакуумного испарения. // Техника средств связи. 1989. №1. С. 102-107.