ОПТИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
НАНЕСЕНИЕ ПРОСВЕТЛЯЮЩИХ ПОКРЫТИЙ НА ОПТИЧЕСКУЮ ДЕТАЛЬ
Специальность 200204
ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫИ ТЕХНОЛОГИИ
Москва, 2011 г.
Цель лабораторной работы: изучение процесса нанесения
просветляющих покрытий на оптические детали.
В процессе выполнения лабораторной работы студенты должны
ознакомиться с методами нанесения просветляющих покрытий на
оптические детали, пленкообразующими материалами и их свойствами,
изучить технологический процесс нанесения двухслойного
просветляющего покрытия.
1. Основные положения.
Введение.
Оптические покрытия подразделяются на
- зеркальные;
- светоделительные;
- просветляющие;
- фильтрующие;
- защитные;
- токопроводящие;
- поляризующие;
Просветляющие покрытия используются для уменьшения
коэффициента отражения (р) в оптической детали для фиксированной
длины волны. Они состоят из тонких пленок различных материалов
определенной толщины.
Тонкослойные просветляющие покрытия характеризуются:
• оптическими свойствами;
• химической устойчивостью;
• влагостойкостью;
• термостойкостью;
• механической прочностью.
Ниже будет описана методика нанесения просветляющих
покрытий.
Теоретические сведения.
Основными параметрами конструкции оптических просветляющих
покрытий являются:
• оптические толщины слоев nh;
• показатели преломления слоев nm, nm-1 и т.д.;
• число слоев m.
Основными параметрами эффективности просветляющих
покрытий являются:
• интегральный коэффициент отражения
| коэффициент отражения для |
• спектральный коэффициент отражения
• ширина зоны просветления
которых составляет 0,5% или 1%;
рабочая длина волны
Просветляющие покрытия делают одно-, двух-, трехслойные и многослойные. Слои покрытия имеют толщины, кратные
Коэффициент отражения р рассчитывается по формуле:
где n1 и n2 - показатели преломления двух различных оптических сред.
Простейшее просветляющее покрытие - это однослойная пленка с
показателем преломления n2 (рис.1):
n1 < n2 < n3.
где n1 - показатель преломления воздуха;
п3 - показатель преломления подложки.
При нормальном падении света амплитуды отраженных пучков
равны по величина при следующих условиях:
, если среда n1 = 1,0 - воздух, то:
Оптическая разность хода двух волн, отраженных от границ
раздела воздух - пленка и пленка - стекло при нормальном падении света:
так как отраженная волна проходит дважды оптическую пленку.
Интерферируют волны в противофазе при условии, если:
При увеличении угла падения света увеличивается эффект
поляризации, возрастает эффект отражения от поверхности оптической
детали и минимум отражения смещается в коротковолновую область
спектра.
Двухслойные просветляющие покрытия применяются для снижения коэффициента отражения для либо для расширения
спектральной области минимального отражения. Различают три типа
конструкции таких покрытий:
Трехслойные просветляющие покрытия применяются для
равномерного уменьшения коэффициента отражения в широкой области
спектра (ахроматические покрытия). Три типа конструкций:
Многослойные покрытия включают двух- и трехслойные
покрытия как базовые. Эти покрытия позволяют получать
коэффициенты отражения, близкие к нулю, обеспечивать световую
насыщенность изображения при съемках под различными углами,
снизить до 0 блики при сложных условиях кинофотосъемки. 2 типа:
Методы нанесения просветляющих покрытий.
Существует ряд методов нанесения оптического покрытия на
деталь. К наиболее распространенным и часто используемым относятся
такие методы: 1- термическое и электронно-лучевое испарение в
вакууме, 2- катодное распыление в вакууме.
Сущность первого метода заключается в конденсировании на
поверхности подложки молекулярного потока плёнкообразующего
вещества, нагреваемого в испарителе. Испаритель и подложку помещают
в камеру с пониженным давлением. Для нагрева пленкообразующего
материала используется резистивный нагрев (сопротивление) или
мощность пучка электронной пушки (рис.2).
Второй метод основан на физическом явлении, заключающемся в
том, что в ионизированном газе под действием ударов положительных
ионов происходит разрушение материала катода-мишени. При
определенных физико-химических условиях становится возможным
перенос материала с поверхности мишени и конденсация распыленного
материала на поверхности оптической детали. Надо отметить, что
распыляемый материал осаждается на поверхности в виде тонкого и
равномерного слоя (рис.3).
1 - рабочая камера; 2 - испаритель из тугоплавкого металла(W, Та,
Мо); 3 - пленкообразующий материал; 4 - оптическая деталь с
наносимой пленкой; 5 - нагреватель; 6 - пары испаряемого
пленкообразующего материала.
Рис.2. Схема рабочей камеры установки получения покрытий путем
термического испарения.
Каждый из конденсационных методов имеет свои достоинства
и недостатки. Метод термического испарения более универсален, чем
метод катодного распыления, им можно наносить покрытия практически
из любого элемента и соединения.
К преимуществам катодного распыления относятся:
• легкость нанесения покрытий из тугоплавких металлов, сплавов
металлов с различным давлением паров, а также возможность
нанесения полупроводниковых и диэлектрических покрытий сложного
химического состава путем реактивного распыления;
• получение плотных покрытий с высокой адгезией к подложке;
• легкость получения равнотолщинных покрытий на плоских
поверхностях большой площади.
1 - рабочая камера; 2 - катод-мишень; 3 - подложкодержатель; 4-оптическая деталь с наносимой пленкой; 5 - система напуска аргона.
Рис.3. Устройство для катодного распыления в вакууме.
К недостаткам катодного распыления, относятся такие моменты:
во время процесса катодного распыления возникает нагрев подложки из-
за интенсивного осаждения ионов пленкообразующего материала на её
поверхности, малая скорость нанесения покрытия -0,1 мкм/ч.
В условиях тлеющего разряда операции измерения и управления
затруднены, толщина покрытия обычно контролируется по мощности
разряда и длительности распыления, что во многих случаях приводит к
ошибкам, так как мощность разряда не определяет однозначно
интенсивность молекулярного потока.
Термическое испарение в вакууме также имеет ряд
преимуществ перед катодным распылением.
Покрытия получаются значительно более чистыми. Имеются
возможности снижения содержания примесей в покрытиях путем
обезгаживания и нанесения покрытий в сверхвысоком вакууме. При
термическом испарении значительно проще осуществляется контроль
параметров процесса, управление им, получение воспроизводимых
результатов.
К недостаткам метода термического испарения следует отнести
необходимость нагрева детали для лучшей адгезии получаемой пленки.
И вследствие этого ограниченное применение термического способа
для нанесения пленок на полимерную оптику.
1.3 Пленкообразующие материалы, применяемые в различных
областях спектра.
Для получения совершенных просветляющих покрытий методом
испарения в вакууме большое значение имеет качество исходных
пленкообразующих материалов. Под качеством исходных материалов
понимаются их высокая чистота (отсутствие или минимальное
содержание примесей) и плотность (минимальное содержание газов).
Для ультрафиолетовой области спектра, начиная от 0.15 - 0.2 мкм
выбор материалов для просветляющих покрытий весьма ограничен
(табл. 1.1).
Таблица1.1
| Материал | LiF | Na3AlF | GaF2 | MgF2 | BaF2 | Ho2O3 |
| Коротковолно-вая граница прозрачности, мкм | 0.11 | 0.2 | 0.15 | 0.21 | 0.22 | 0.25 |
| ne | 1.3-1.31 | 1.35 | 1.23 - 1.46 | 1.38 | 1.38 - 1.4 | 2.0 |
Продолжение таблицы 1.1.
| Материал | Ег203 | Lu2O3 | Окись скандия | Nd203 | Окись иттрия | Hf2O2 |
| Коротковолновая граница прозрачности, мкм | 0.25 | 0.23 | 0.22 | 0.24 | 0.26 | 0.24 |
| ne | 1.95 | 2.02 | 1.78- 1.96 | 1.77- 1.88 | 1.7- 1.86 | 0.87- 2.0 |
В области >0,23 мкм для многослойных и просветляющих
покрытий в качестве материала с высоким показателем преломления (nв)
используется двуокись гафния, а материала с низким показателем
преломления (nн), двуокись кремния. Так же применяется окись скандия,
окись иттрия (nв), двуокись магния (nн).
Для области >0,35 мкм используются двуокись циркония (nв),
двуокись титана (nв) и другие оксиды и фториды.
Для видимой области спектра (0,4 -:- 0,73 мкм) используются как
перечисленные материалы, так и соединения металлов с серой.
Широкий выбор материалов по показателю преломления для
видимой области спектра составляет от 1,3 до 2,4.
В инфракрасной (ИК) области спектра используются те же
материалы, что и в ультрафиолетовой и в видимой областях, а так же
соединения металлов с селеном и теллуром.
Показатель преломления материалов для ИК области лежит в
диапазоне 1,3 -:- 5,3. По оптическим свойствам пригодно к
использованию в качестве пленкообразующих материалов не более 50
веществ.
Ограничение в применении материалов определяет их
совместимость - отсутствие химических реакций, радиоактивность,
сублимация - испарение материалов пленок в условиях их эксплуатации,
химическая устойчивость к воде, химическая устойчивость к активным
средам, механическая прочность.