Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Формирование волнового фронта 10
1.1 Формирование отраженного волнового фронта градиентными диэлектрическими зеркалами
1.2 Мягкие диафрагмы 1 6
1.3 Киноформные элементы 21
1.4 Выводы по Главе 1
Глава 2. Фазо-компенсирующие многослойные диэлектрические системы
2.1 Двухслойные диэлектрические системы, формирующие фазо-компенсирующее покрытие 2.2 Трехслойные диэлектрические системы, формирующие фазо-компенсирующее покрытие 37
2.3 Многослойные фазо-компенсирующие системы 45
2.3.1 Многослойные четвертьволновые фазо-компенсирующие покрытия с градиентным верхним слоем 45
2.3.2 Многослойные четвертьволновые фазо-компенсирующие покрытия с чередующимися градиентными слоями 48
2.4 Выводы по Главе 2 53
Глава 3. Формирование слоев переменной толщины по поверхности оптического элемента для фазо-компенсирующих систем 54
3.1 Расчет относительного расположения элементов для получения заданного распределения толщины слоев 55
3.2 Расположение оптических элементов в вакуумной испарительной установке 58
3.3 Экспериментальное исследование градиентных покрытий
3.3.1 Анализ параметров изготовленных градиентных покрытий 65 68
3.4 Экспериментальное исследование свойств фазо-компенсирующих покрытий для лазерной системы
3.4.1 Расчет параметров технологической оснастки
3.4.2 Расчет параметров двухслойного фазо-компенсирующего покрытия 72
3.4.3 Анализ параметров изготовленных фазо-компенсирующих покрытий
3.5 Экспериментальное исследование свойств фазо-компенсирующих зеркальных покрытий
3.5.1 Расчет параметров технологической оснастки для изготовления зеркального фазо-компенсирующего покрытия 82
3.5.2 Расчет параметров зеркального фазо-компенсирующего покрытия 85
3.5.3 Анализ параметров зеркального фазо-компенсирующего покрытия 93
3.6 Выводы по Главе 3
Выводы по работе
Список литературы
- Киноформные элементы
- Многослойные четвертьволновые фазо-компенсирующие покрытия с градиентным верхним слоем
- Экспериментальное исследование градиентных покрытий
- Расчет параметров технологической оснастки для изготовления зеркального фазо-компенсирующего покрытия
Киноформные элементы
В последние годы в лазерной оптике отмечен значительный интерес к использованию градиентных внутрирезонаторных компонентов для управления пространственными характеристиками генерируемого излучения. В основном анализируются факторы, благодаря которым уменьшаются амплитудно-фазовые искажения лазерных пучков и оптимизируется энергетическая эффективность лазеров в целом [15, 16]. Градиентные диэлектрические зеркала являются простым и удобным средством обеспечения заданного поперечного распределения поля на выходе лазера и используются для решения различных прикладных задач.
Так как диэлектрические пленкообразующие материалы обладают низким поглощением, их можно использовать в лазерных зеркалах, способных выдерживать излучение высокой интенсивности [17].
Для решения различных задач, в которых необходимо обеспечить заданное распределение поля на выходе лазера, применяют градиентные зеркала с переменным по радиусу коэффициентом отражения и, так называемые градиентные фазовые корректоры, которые размещаются внутри резонатора. Они способны компенсировать линейных и нелинейных фазовых искажений лазерных мод, возникающих в процессе генерации лазера [18,19].
На распределение коэффициента отражения по поверхности детали влияет не только распределение толщины слоя, но и значение показателя преломления материала, формирующего этот слой. Так в случае, когда показатель преломления слоя n1 nm по мере уменьшения толщины коэффициент отражения уменьшается, а а в случае n1 nm увеличивается. Кроме того, распределение коэффициента отражения по поверхности зависит от максимальной оптической толщиной слоя переменной толщины, а также структурой покрытия. Под структурой подразумевается общее количество слов, значения их показателей преломления, а также расположение и количество градиентных слов.
Форма волнового фронта, отражнного от градиентного покрытия, зависит от распределения толщины градиентного слоя, его показателем преломления и структурой.
Фронт отражнной световой волны может быть, как сходящимся, так и расходящимся. Это зависит от соотношения показателей преломления материала подложки и плнкообразующего материала, из которого изготовлен градиентный слой. Понятно, что это соотношение также влияет и на градиент волнового фронта.
Для интерференционных покрытий, содержащих несколько градиентных слов, нанеснных на поверхность оптического элемента с просветляющей диэлектрической системой и формирующих зеркальное покрытие, величина коэффициента отражения и форма волнового фронта отражнного излучения зависят от структуры и количества градиентных слов.
Разность фаз между падающей и отражнной волнами для зеркальных покрытий меняется по линейному закону в зоне, где величина коэффициента отражения слабо зависит от изменения толщины слоев. Форма волнового фронта отражнного излучения в этой зоне определяется изменением толщин слоев. В зоне, где коэффициент отражения быстро изменяется, форма волнового фронта определяется не только толщинами градиентных слов, но и изменением разности фаз между падающим и отражнным излучением.
Основным недостатком градиентных зеркал является зависимость не только коэффициента отражения от координаты на поверхности подложки, но и разности фаз между падающим и отраженным излучением по поверхности подложки. Рис.1.1.1 Устройство градиентного зеркала
Рассмотренные выше способы формирования волнового фронта отраженного излучения, использующие изменение толщины диэлектрических слоев по поверхности подложки приводит к тому, что в результате формирования волнового фронта меняется не только фаза отраженного излучения по поверхности подложки, но и коэффициент отражения в большей или меньшей степени в зависимости от типа используемых диэлектрических систем.
Четвертьволновые зеркала так же могут быть использованы, как фазо компенсирующие системы, если требования к изменению коэффициента отражения по поверхности оптического элемента не велики (допускаются по техническому заданию) [20]. Многослойному интерференционному диэлектрическому покрытию можно придать дополнительные функции, связанные с формированием формы волнового фронта отраженного или прошедшего излучения, без значительного изменения распределения коэффициента световой волны по поверхности подложки. Это достигается за счет небольших изменений распределения толщины каждого слоя. Одними из первых это продемонстрировали авторы работ [7,21], которые применили многослойные градиентные диэлектрические покрытия для компенсации дефектов отражающих поверхностей пластин интерферометра Фабри-Перо. Результаты данных исследований, имеют важное прикладное значение. В частности, они показывают, что для того, чтобы создать плоскую поверхность постоянной разности фаз возможно использование подложки с неплоской формой поверхности и зеркала с неплоским волновым фронтом отраженного излучения.
Мягкие диафрагмы – это диэлектрические или иные системы, размещенные внутри резонатора лазерной системы, имеющие максимальное пропускание в центре по оси и минимальное на краях. В качестве мягких диафрагм могут быть использованы интерференционные фильтры и диэлектрические зеркала с меняющейся по поверхности оптического элемента толщиной слоев. Интерференционные фильтры должны обладать большой контрастностью. Для этого они должны содержать большое количество слоев, а как следствие – малая лучевая прочность. В качестве мягкой диафрагмы так же может быть использовано диэлектрическое зеркало. Но для того, чтобы получить зеркало с максимальной контрастностью необходимо, чтобы пропускание определялось на уровне первого минимума отражения длинноволнового или коротковолнового. Создать систему с большой контрастностью в этой ситуации так же довольно сложно, поэтому часто используются мягкие диафрагмы, основанные на системах, имеющих переменное пропускание по радиусу элемента за счет использования либо поглощения в материале вещества образующего элемент, либо рассеивания.
Многослойные четвертьволновые фазо-компенсирующие покрытия с градиентным верхним слоем
Как видно из представленного спектрального распределения энергетического коэффициента отражения, его значение на рабочей длине волны равно 3%. А это меньше, чем значение на чистой подложке 4%. То есть покрытие работает, как просветляющее.
Таким образом, показано, что мы может создать систему с неограниченным количеством градиентных слоев, работающих на пропускание. Как было показано в работе [42, 54] максимальная толщина градиентного слоя, в зависимости от материала и технологического процесса, может достигать от 1,5 до 2 мкм. При создании же системы из нескольких градиентных слоев, можно добиться большей крутизны профиля покрытия и получить общий перепад по толщине 10-100 мкм. Так же понятно, что, чем больше переменных слоев входит в состав покрытия, тем меньшие перепады толщины обеспечивают заданное изменение фазы световой волны. В свою очередь, уменьшение градиента толщины слоев обеспечивает улучшение прочности покрытия.
Рассмотрены различные виды фазо-компенсирующих покрытий. Показано, что такие покрытия могут быть реализованы, как для простейших случаев двух-, трехслойных систем, так и в случае многослойных покрытий с градиентным по толщине верхним слоем.
Показано, что фазо-компенсирующие покрытия могу применяться как в качестве просветляющей системы с коэффициентом отражения близким к нулю, так и многослойной системой с высоким значением коэффициента отражения.
Проанализировано основное свойство фазо-компенсирующих покрытий – постоянство коэффициента отражения при изменении толщины градиентного слоя по поверхности подложки.
Показано, что количество градиентных по толщине слоев может быть любым. А покрытия могут работать как просветляющие, так и высоко-отражающие системы, что важно для предполагаемых областей применения: асферическая оптика и лазерные резонаторы. Глава 3. Формирование слоев переменной толщины по поверхности оптического элемента для фазо-компенсирующих систем
Для получения пленок с заданным распределением толщины по поверхности подложки в настоящее время применяется термическое испарение вещества в вакууме, а также катодное распыление. Под термическим испарением понимают резистивное, электронно-лучевое и лазерное испарение, отличающееся друг от друга способом подвода энергии, необходимой для нагрева вещества до температуры кипения или сублимации. Объединяет их поверхностный характер испарения пленкообразующего материала.
Для создания пленок с большими градиентами толщины покрытия необходимое распределение плотности парового потока вещества может формироваться за счет помещения между неподвижным испарителем и вращающейся деталью диафрагмы (с круглым отверстием) [55] или экрана простейшей формы (диск) [56]. Кроме того, для управления процессом асферизации можно применить маску с изменяющимся в угловой координате вырезом [57].
Возможен и обратный вариант: подвижный испаритель и неподвижная деталь. Исходя из принципа относительности движения, не имеет значение то, что мы будет вращать относительного друг друга: испаритель вокруг оси, проходящей вне испарителя, или подложку. И в том, и в другом случае результат, связанный с определением распределения толщины по поверхности, будет одинаковым. Данное утверждение верно в случае, когда подложка за время осаждения слоя повернется вокруг своей оси больше некоторого числа раз, определяющего точность совпадения экспериментальных и расчетных результатов. При экспериментальной реализации предложенного метода для получения покрытия с большими градиентами толщины слоя целесообразно деталь и диафрагму (экран) закреплять на одном вращающемся узле. Такое конструктивное решение позволит устранить влияние неточности установки и изготовления диафрагмы на толщину формируемого слоя [58].
Используя уже упомянутый принцип относительности движения для такого расположения элементов технологической оснастки можно рассмотреть любое расположение диафрагмы или экрана относительно оси вращения подложки [59-64].
Здесь H – расстояние от плоскости, в которой размещен испаритель, до плоскости, в которой размещена деталь, h – расстояние между плоскостями, в которых расположены испаритель и диафрагма, P – расстояние от электроннолучевого испарителя до подложки, a – расстояние от оси вращения подложки до электронно-лучевого испарителя, г - расстояние от оси вращения до некоторой точки на подложке, rd - радиус диафрагмы, - угол между поверхностью подложки и вектором г, и - угол между нормалью к испарителю и направлением на исследуемую точку на поверхности подложки.
Экспериментальное исследование градиентных покрытий
В нашем случае значение АВ равно 2 мм. Таким образом, получаем значение разности хода лучей по центру и на краях А В = 1745 нм. При синтезе покрытия, компенсирующего эту разность, необходимо учесть значение показателя преломления градиентного слоя. То есть реальная толщина градиентного слоя по центру подложки будет в п раз меньше, разности хода лучей. Где п - показатель преломления градиентного слоя. Поскольку разность фаз между прошедшей и падающей волнами является функцией толщины слоя (2.1.9), то такое покрытие может быть использовано в качестве длиннофокусной линзы, позволяющей увеличить освещенность лазерного излучения на некотором удалении от него. Можно рассчитать ее фокусное расстояние, используя формулу тонкой линзы. фокусное расстояние, Ri - радиус кривизны первой поверхности, R2 -радиус кривизны второй поверхности. В нашем случае n0=l, Ri=, а перед R2 появляется минус, так как поверхность выпуклая. Тогда получаем: заданное распределение толщины градиентного покрытия, t -рассчитанное согласно (3.1.4) распределение толщины градиентного покрытия. Искомые параметры r i, a, h и Н могут быть определены из условия минимума функции J.
В начале выполнения программы параметрам присваиваются минимально возможные значения. Далее идут 4 вложенных вдруг в друга цикла: по высоте расположения подложки и диафрагмы, е радиусу отверстия и расстоянию от оси вращения подложки. Каждый раз рассчитывалось значение переменной J и сравнивалось со значением переменной Jmin. Если J оказывалось меньше, то переменной Jmin присваивалось это значение. На выходе получаем значения высоты расположения подложки и диафрагмы, радиуса ее отверстия и расстояния от оси вращения, при которых значение J является минимальным. Т.е. распределение толщины градиентного слоя по поверхности максимально близкое к заданному.
В результате выполнения программы были найдены значения четырех параметров технологической оснастки: а = 247 мм, rd = 1 мм, Н = 494 мм, h = 492 мм. В результате получили рассчитанное распределение толщины покрытия достаточно близкое к экспериментально полученному (рис. 3.4.1.1). Рис 3.4.1.1 Экспериментально исследованное и рассчитанное распределение толщины слоя по подложке со следующими параметрами диафрагмы: a = 247 мм, rd = 1 мм, H = 494 мм, h = 492 мм
Но, как видно из графика, в этом случае мы получили распределение без зоны постоянной толщины. А как было показано в работе [69, 70], в этом случае на практике очень сложно изготовить подобное покрытие. Малейшая ошибка в изготовлении диафрагмы или ее расположения в камере приведет к резкому изменению формы профиля. Исходя из этих соображений, в программу расчета параметров была введена корректировка, задающая минимальную зону постоянной толщины радиусом 0,5 мм. В результате выполнения подобной программы были получены параметры технологической оснастки с учетом обязательного наличия области постоянной толщины: a = 210 мм, rd = 1,4 мм, H = 493 мм, h = 491,4 мм. Распределение толщины покрытия с этими параметрами технологической оснастки представлено на рис. 3.4.1.2. Рис. 3.4.1.2 Экспериментально исследованное и рассчитанное распределение толщины слоя по подложке со следующими параметрами диафрагмы: a = 210
Найдя параметры технологической оснастки, была изготовлена диафрагма с отверстием по центру для свидетеля и двумя отверстиями для деталей. Для отработки технологического процесса, отверстия в диафрагме имеют различные значения (рис. 3.4.1.3). Рис. 3.4.1.3 Эскиз круглой диафрагмы для изготовления фазо-компенсирующих покрытий. Диаметр отверстия под первый образец 2,6 мм, под второй 2,8 мм.
В качестве подложки для нанесения покрытия были выбраны плоскопараллельные пластины диаметров 20 мм. Как видно из чертежа, отверстия под установку деталей имеют больший диаметр. Разница в 0,5 мм необходима для обеспечения зазора между материалами, имеющими различные коэффициенты температурного расширения. Это условие должно быть учтено, так как в процессе нанесения толстого градиентного слоя, для уменьшения пористости материала и улучшения адгезии, необходим прогрев подложки. А для того, чтобы подложки не перемещались в оправе, были изготовлены поджимные кольца.
Технологически проще с высокой точностью изготовить нужную высоту ступеньки, обеспечивающую необходимое расстояние между поверхностью подложки и рабочей кромкой диафрагмы (H-h), за счет подкладывания шайб и колец из фольги. Поэтому в качестве параметра, меняющегося для разных свидетелей, был выбран диаметр отверстия. Так одно из отверстий имеет диаметр 2,6 мм, второе 2,8 мм.
В ходе выполнения работы были изготовлены двухслойные фазо-компенсирующие покрытия для лазерной системы с рабочей длиной волны 532 нм. В качестве подложки было выбрано стекло марки К8 (nm=1,52). Второй слой (на подложке) равнотолщинный четвертьволновый Si02 с показателем преломления п2=1,45. Фазовая толщина этого слоя равна:
2 2Л где 02 - длина волны излучения, на которой ведется фотометрический контроль толщины в процессе осаждения. Численно ее значение равно рабочей длине волны лазерной системы, для которой изготавливается покрытие: 532 нм. Контроль толщины второго слоя осуществлялся с помощью свидетеля из стекла марки ТФ, так как его показатель преломления значительно отличается от показателя преломления пленкообразующего материала. В этом случае легче проконтролировать изменение толщины.
Видно, что все кривые, соответствующие различным значениям толщины первого слоя, пересекаются в одной точке – 532 нм. Значит, на этой длине волны коэффициент отражения не зависит от толщины слоя. Чтобы проконтролировать процесс напыления градиентного слоя, необходимо изменить значение длины волны. Как было показано выше, с помощью покрытия необходимо компенсировать разность хода в 1745 нм. С учетом показателя преломления пленкообразующего материала, толщина слоя должны быть:
В результате эксперимента было получено 2 образца с двухслойными фазо-компенсирующими покрытиями, полученные при различных значениях диаметра отверстия диафрагмы: 2,6 и 2,8 мм, соответственно. Покрытия были получены одновременно, толщины в центре слоев одинаковы. Распределение толщины слоев по поверхности оптического элемента не сильно отличаются, поэтому результаты формирования волнового фронта с помощью таких систем должны быть примерно одинаковыми (рис. 3.4.3.1). Для анализа полученных результатов было найдено распределение интенсивности пучка лазерной системы, прошедшего через каждый из образцов. Для этого измерялось распределение интенсивности в лазерном пучке (пятно) на экране на расстоянии 8,5 м от выходного окна лазера (рис. 3.4.3.2). Эксперименты проводились для различных значений расстояния между лазером (ген.=532 нм) и подложкой с фазо-компенсирующим покрытием (L).
Полученное изображение регистрировалось на ПЗС матрице фотоаппарата (рис. 3.4.3.3). Фотографии полученных пятен лазера приведены в Приложении 1. Для ослабления яркости, чтобы в зоне максимальной интенсивности не было перенасыщения матрицы, были использованы фильтры. Для того, чтобы камера работала в линейном режиме, был использован нейтральный фильтр НС-10. Рис. 3.4.3.3 Пятно лазера на ПЗС-матрице
На рисунках 3.4.3.5, 3.4.3.6 представлено распределение интенсивности пятна лазера для образцов 1 и 2 в случае, когда образцы стоят вплотную к выходному окну лазера. Как видно из этих рисунков распределение интенсивности излучения, прошедшего через фазо-компенсирующее покрытие образцов 1 и 2 не изменилось. Это объясняется тем, что когда подожка находится на близком расстоянии к выходному окну, диаметр пятна лазера меньше, диаметра покрытия. Таким образом, работает только центральная часть системы, где градиентный слой имеет зону постоянной толщины. Так как толщина покрытия в центральной зоне не меняется, то и не происходит изменения распределения интенсивности в лазерном пятне. С увеличением расстояния L, увеличивается область покрытия, участвующего в формировании волнового фронта.
Расчет параметров технологической оснастки для изготовления зеркального фазо-компенсирующего покрытия
Таким образом, можно убедиться в том, что фазо-компенсирующее покрытие имеет распределение толщины по поверхности оптического элемента близкое к заданному.
Рассмотрены способы формирования градиентных по толщине покрытий с использованием круглой диафрагмы. Получено уравнение для нахождения распределения толщины слоя в зависимости от параметров технологической оснастки.
Приведены результаты исследования полученных градиентных покрытий, изготовленных для отработки технологического процесса изготовления фазо-компенсирующих покрытий. Приведены расчеты параметров фазо-компенсирующего покрытия, предназначенного для работы с исходной лазерной системой. Произведен расчет параметров технологической оснастки, для получения покрытия с параметрами, максимально приближенными к заданным. Описана конструкция примененной диафрагмы.
Представлены результаты изготовления фазо-компенсирующих покрытий. Экспериментально показано влияние фазо-компенсирующих покрытий на величину зоны максимальной интенсивности лазерного излучения. Показано, что за счет применения фазо-компенсирующих покрытия можно добиться увеличения зоны максимальной интенсивности.
В ходе выполнения работы был проведен эксперимент, позволяющий визуально оценить свойства фазо-компенсирующих систем и определить распределение толщины градиентного слоя по поверхности подложки. Показано, что рассчитанное и экспериментальное распределение толщины градиентного слоя по поверхности подложки близки.
Выводы по работе
Исследован новый класс многослойных диэлектрических систем, обладающих постоянным коэффициентом отражения при изменении в широких пределах оптических толщин одного или нескольких слоев. С использованием систем, содержащих слои, толщины которых не влияют на величину коэффициента отражения, можно создавать асферические поверхности, управляя распределением толщины по поверхности оптического элемента, компенсировать осесимметричные дефекты по поверхности подложек и уменьшать расходимость пучков в лазерных резонаторах.
В ходе выполнения диссертационной работы были изучены простейшие конструкции фазо-компенсирующих покрытий на примере двух- и трехслойных систем. Найдена зависимость максимального пропускания от показателей преломления слоев, формирующих эти системы
В результате анализа многослойных чередующихся четвертьволновых фазо-компенсирующих покрытий с переменным по толщине верхним слоем, найдено уравнение, позволяющее определить показатель преломления градиентного слоя для любого количества слоев.
Показана возможность создания фазо-компенсирующих систем с неограниченным количеством чередующихся градиентных слоев, что позволяет создавать системы с большой крутизной поверхности.
Разработан аналитический метод нахождения параметров технологической оснастки для получения покрытий с параметрами, максимально приближенными к заданным.
В работе исследованы свойства фазо-компенсирующих покрытий. В ходе эксперимента установлено, что экспериментально полученные результаты совпадают с рассчитанными. С помощью фазо-компенсирующих покрытий можно увеличить зону максимальной интенсивности лазерного излучения на заданном расстоянии.
