НЕОТРАЖАЮЩИЙ НЕЙТРАЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР

Неотражающий нейтральный оптический фильтр
Полезная модель относится к области оптического приборостроения, а именно, к элементам оптико-электронных систем, которые могут быть использованы для равномерного ослабления падающего излучения при низком отражении в широкой области спектра.
Известен неотражающий нейтральный оптический фильтр с величиной коэффициента пропускания около 10%, состоящий из девяти слоев: оксида титана (IV) - никеля - оксида титана (IV) - оксида кремния (IV) - оксида титана (IV) - никеля - оксида кремния (IV) никеля - оксида кремния (IV). Диэлектрические слои имеют показатели преломления пн  1,45 (оксид кремния (IV)) и пв  2,3 (оксид титана (IV)) (Гришина Н.В. Синтез широкополосных металлодиэлектрических покрытий. Опт. и спектр., т. 72, вып. 4, 1992, с. 1033-1038). Эта конструкция имеет интегральное отражение в видимой области спектра 1,32%.
Основными недостатками такого нейтрального оптического фильтра-являются, во-первых, фильтр имеет большое количество слоев, во-вторых при вычислении используются оптические постоянные массивного никеля и не учитываются изменения оптических постоянных металлического слоя при уменьшении его толщины, в-третьих, указанная конструкция чувствительна к неточностям нанесения слоев по толщине, что приводит к ухудшению рассчитанных спектральных характеристик при технической реализации этой конструкции.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности является неотражающий нейтральный оптический фильтр, состоящий из стеклянного экрана, с одной стороны
которого нанесен слой из титана толщиной h  50А и диэлектрический слой поверх него из оксида алюминия (111) с показателем преломления ,62 и оптической толщиной, равной четверти длины волны АО  0,45 мкм, на другую сторону которого нанесен слой титана толщиной h  ЗОА (П.П. Яковлев. Антибликовые покрытия для защитных экранов дисплеев. Оптический журнал, т. 65, № 3, 1998, с.83-84).
Основными недостатками предложенного неотражающего нейтрального оптического фильтра являются:
-высокое интегральное отражение ( среднее отражение в видимой области спектра 0,4 - 0,7 мкм равно 1,76%, а на длине волны 0,4 мкм величина отражения достигает 5%),
-необходимость нанесения трех слоев,
-нанесение оптических слоев на две поверхности, что удлиняет технологический процесс изготовления неотражающего нейтрального оптического фильтра.
Технической задачей изобретения является уменьшение интегрального коэффициента отражения и сокращение числа слоев неотражающего нейтрального оптического фильтра.
Поставленная задача решается разработкой неотражающего нейтрального оптического фильтра, включающего подложку, прозрачную в спектральном диапазоне 0,4 - 0,7 мкм, расположенный на подложке частично пропускающий свет слой титана и антиотражающий свет слой поверх него. Причем антиотражающий слой выполнен из оксида титана ТЮХ, при , где х степень окисления оксида титана, а геометрические толщины слоев титана и оксида титана составляют 0,028
-0,03 и 0,04-0,045 мкм соответственно, показатель поглощения слоя оксида титана при этом равен 0,17-0,2.
Фиг.2 показывает спектральные коэффициенты отражения прототипа и предлагаемого неотражающего нейтрального оптического фильтра (кривые 4 и 5 соответственно).
Фиг.З представляет устройство, с помощью которого может быть получен неотражающий нейтральный оптический фильтр.
Неотражающий нейтральный оптический фильтр (Фиг.1) состоит из прозрачной в спектральном диапазоне 0,4 - 0,7 мкм подложки 1, частично пропускающего свет слоя титана 2, расположенного на подложке 1, и антиотражающего свет слоя 3 поверх него из оксида титана ТЮЧ, при , где х степень окисления оксида титана, с показателем поглощения оксида титана равным 0,17 - 0,2, причем геометрические толщины слоев титана 2 и оксида титана 3 составляют соответственно 0,028 - 0,03 и 0,04-0,045 мкм.
Этот неотражающий нейтральный оптический фильтр имеет комплексный амплитудный коэффициент отражения г, определяющий связь между амплитудой падающей со стороны антиотражающего свет слоя 3 и амплитудой отраженной от неотражающего нейтрального оптического фильтра плоской электромагнитной волны
VM11  M22 +
Y -
0М11 +VM22 +
где n0 , ns - показатели преломления ограничивающих сред (исходной среды и подложки соответственно).
Величины Мп, MI2, М2ь М22 являются элементами матрицы интерференции: Со.- «,-/,)  -Н2-/г,) М11  i-M2l м22 i-n,-Sit{-п,-/г,) СоЈ-п,-/,) Л  Л
WM12 M21
(1)
ил  п -М 10 + М Л1 О s 1221  п,  h) - S/X- п,  И.) /  л,  Sir(- К,  /т,) Со.- п,  /г-) ЛЛ
антиотражающего свет слоя 3 (п3 - показатель преломления, k - показатель поглощения) из ТЮЧ, при , h2 и Ь3 - геометрические толщины частично пропускающего свет слоя 2 титана и антиотражающего свет слоя 3 из оксида титана ТЮЧ, при , где х степень окисления оксида титана, соответственно, А, - длина волны, i - мнимая единица.
Спектральный коэффициент отражения R(A.) и скачок фазы межд амплитудой падающей со стороны антиотражающего свет слоя 3 и амплитудой отраженной от неотражающего нейтрального оптического фильтра плоской электромагнитной волны р определяются из выражения (1). Так, если ограничивающие среды прозрачны и углы падения и преломления вещественны, то имеют место соотношения:
К  (3)
р  Im r / Re r(4)
где  - означает комплексное сопряжение, Re и Im - означают действительную и мнимую части комплексной величины.
Рассмотрим неотражающий нейтральный оптический фильтр с коэффициентом пропускания 10% и низким отражением в видимой области спектр 0,45-0,7 мкм. Для оценки близости спектральных характеристик получаемого покрытия к требуемым характеристикам вводится оценочный функционал
где А,,Х,2 -диапазон длин волн, в котором производится синтез, RH(X) измеренный спектральный коэффициент отражения синтезируемого неотражающего нейтрального оптического фильтра. В данном случае   0,4 мкм, А,2  0,7 мкм, R(A,)  0. Задача синтеза рассматривается в вариационной постановке и сводится к минимизации функционала по толщине слоя и по значению комплексного показателя преломления антиотражающего свет верхнего слоя 3. В качестве начального
F (Я)-Л(Д)Л1.(5)
приближения ищется решение R(n3,h3)  0 в одной центральной спектральной точке А, - 0,55мкм и находится требуемая толщина антиотражающего свет слоя 3 h3, которая при полученном комплексном показателе преломления антиотражающего слоя 3 п3 удовлетворяет заданному нулевому коэффициенту отражения в этой точке.
Синтезированный неотражающий нейтральный оптический фильтр обеспечивает интегральное отражение в видимой области спектра  1%. Неотражающий нейтральный оптический фильтр имеет такие толщины частично пропускающего свет слоя 2 титана и антиотражающего свет слоя 3 из оксида титана ТЮЧ, при , h2 и h3, которые приводят к тому, что амплитудные коэффициенты отражения от границ раздела воздух - антиотражающий свет слой 3 из оксида титана и антиотражающий свет слой 3 из оксида титана - частично пропускающий свет металлический слой 2 из титана находятся в противофазе. Одновременно с этим комплексный . показатель преломления п3 антиотрающего свет слоя 3 из оксида титана ТЮЧ, при , обеспечивает равенство этих амплитуд. Таким образом, выполняются условия нулевого отражения.
На фиг. 1 схематически представлен неотражающий нейтральный оптический фильтр, состоящий из прозрачной в спектральном диапазоне 0,4 - 0,7 мкм подложки 1 и расположенных на ней последовательно частично пропускающего свет слоя 2 из титана толщиной hb  0,029 мкм, антиотражающего слоя 3 из оксида титана ТЮХ, при , с показателем поглощения k3  0,17 - 0,2 и толщиной Ь3  0,04 - 0,045 мкм.
На фиг.2 показаны спектральные коэффициенты отражения прототипа и .предлагаемого неотражающего нейтрального оптического фильтра (кривые 4 и 5 соответственно).
которого осуществлялось нанесение неотражающего нейтрального оптического фильтра. Устройство содержит: индуктор 6, специальный кронштейн 7; разрядную камеру 8; рубашку охлаждения 9. Индуктор 6 представляет собой трехвитковую катушку диаметром 0,07 м и длиной 0,07 м, изготовленную из медной трубки, охлаждаемую протекающей по ней водой. Индуктор 6 крепится на специальном кронштейне 7, который позволяет перемещать индуктор 6 вдоль разрядной камеры 8. Разрядная камера 8 и рубашка охлаждения 9 представляют цельносварную конструкцию, состоящую из двух коаксиальных кварцевых трубок с протекающей между ними охлаждающей водой. Плазмотрон крепится в отверстии базовой плиты 10 при помощи фланца 11 и герметизируется уплотнительным кольцом 12 из вакуумной резины. При напылении используется аксиальная подача плазмообразующего газа и напыляемого пленкообразующего материала 13.
Использование неотражающего нейтрального оптического фильтра, включающего подложку 1, расположенного на подложке частично пропускающего свет слоя 2 титана и поверх него антиотражающего свет слоя 3 оксида титана ТЮХ, при , где х - степень окисления оксида титана, с показателем поглощения слоя 3 оксида титана равным 0,17-0,2. и геометрическими толщинами слоев титана 2 и оксида титана 3 равными 0,028 - 0,03 и 0,04-0,045 мкм, соответственно, приводит к уменьшению интегрального отражения и к сокращению числа слоев нейтрального оптического фильтра.
Неотражающий нейтральный оптический фильтр .получают следующим способом. Подложки 1, представляющие собой круглые плоскопараллельные полированные диски из оптического стекла К-8, очищают этиловым спиртом. Затем подложки 1 помещают в вакуумную плазменную установку над верхним срезом плазмотрона. Предварительно поверхность, на которую впоследствии наносят требуемые слои, обрабатывают
плазменным потоком при следующих режимах плазменной установки: частота генератора 1,76 МГц, ток анода лампы 1А  1,0 - 1,3 А, ток сетки Ici  100-150 мА, напряжение на сетке Uc2  200 - 220 В, расход плазмообразующего газа Ar G  0,07 - 0,08 г/с, давление р  50 - 80 Па. расстояние до верхнего витка индуктора 6 равно 120 - 150 мм в течение 10 мин. В процессе обработки температура подложки 1 поднимается до 250 - 300 °С и поверхность подложки 1 очищается и модифицируется. Затем индуктор 6 медленно опускают и в центральной зоне плазмы начинают распыление последовательно титана и оксида титана. Процесс напыления проходит при следующих режимах: ток анода лампы 1А  1,0 1,3 А, ток сетки Ici  140 - 190 мА, напряжение на сетке Uc2  140 - 200 В. расход плазмообразующего газа Ar G  0,07 - 0,08 г/с, давление р  50 80 Па, расстояние до верхнего витка индуктора 6 равно 150 - 200 мм в течение 10 мин. Это соответствует изменению внутренних характеристик разряда и плазменной струи - пе  1015 - 1019 , Рр  0,1 до 4 кВт,у, 1525 , Wn  10-30 эВ, #т  5  102 - 5  10J , где wt, - концентрация электронов, Рр - мощность разряда, у, - плотность ионного тока пост лающего на поверхность, W/ - энергия ионов, дт - плотность теплового потока. На подложку сначала осаждают на расстоянии от индуктора 6 равном 170 - 190 мм частично пропускающий свет слой 2 из титана геометрической толщиной 0,028 -0,03 мкм. Антиотражающий свет слой 3 из оксида титана ТЮХ, при , осаждают на расстоянии от индуктора 6 равном 170 - 190 мм со скоростью. 5-10 А/с, геометрическая толщина слоя составляет 0,04-0,045 мкм, показатель поглощения - 0,17-0,2. Толщины слоев контролируют по времени нанесения. Технологический процесс напыления неотражающего нейтрального оптического фильтра составляет 0,5 часа. Интегральный коэффициент отражения полученного неотражающего нейтрального оптического фильтра имеет величин) менее 1%, при коэффициенте пропускания около 10%.