Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Формирование градиентных слоев 21
1.1. Формирование градиентных слоев с помощью сложных диафрагм на оптических элементах с плоской поверхностью. 21
1.2. Формирование градиентных слоев с помощью простейших неподвижных диафрагм 27
1.3. Формирование градиентных слоев с помощью пульсирующей диафрагмы 37
1.4. Формирование градиентных слоев с помощью диафрагм в виде полуплоскости 50
1.5. Формирование градиентных слоев с помощью диафрагмы в виде полуплоскости, меняющей своё положение в 57 пространстве
1.6. Формирование градиентных слоев с использование диафрагм простейшей формы на деталях, совершающих двойное вращение 61
1.7. Формирование градиентных слоев на сферической поверхности 68
1.8. Формирование слоев на подложках на подложках сферической формы, совершающих двойное вращение с диафрагмой, расположенной соосно 79
1.9. Оптимизация условий осаждения при испарении из поверхностного испарителя через круглую диафрагму (экран). 93
1.10 Анализ влияния толщины диафрагмы 85
1.11. Выводы 97
Глава 2 Формирование градиентных диэлектрических систем 99
2.1. Анализ факторов, влияющих на распределение коэффициента отражения по поверхности оптического элемента 100
2.2. Конструкции тонкоплёночных покрытий, используемых для создания градиентных систем 106
2.2.1 Четвертьволновые зеркала 111
2.2.2 Диэлектрические узкополосные фильтры 115
2.3. Фазовые характеристики градиентных покрытий 123
2.3.1 Фазовые характеристики градиентного слоя на подложке 127
2.3.2 Фазовые характеристики градиентной диэлектрической системы, содержащей просветляющее покрытие, сформированное четвертьволновыми слоями 134
2.3.3 Фазовые характеристики градиентной диэлектрической системы, содержащей просветляющее покрытие, сформированное нечетвертьволновыми слоями 137
2.3.4 Фазовые характеристики диэлектрической системы, сформированной несколькими градиентными слоями на просветляющем покрытии, состоящем из четвертьволновых слоев 140
2.3.5 Фазовые характеристики узкополосного диэлектрического светофильтра с градиентными разделительными слоями на просветляющем покрытии, сформированном четвертьволновыми слоями
2.4. Выводы 160
Глава 3 Синтез градиентных диэлектрических систем 163
3.1. Синтез градиентных диэлектрических систем с малым коэффициентом отражения (один диэлектрический слой на положке) 163
3.2. Синтез однослойных градиентных систем, сформированных на просветляющем покрытии с оптической толщиной, слоев, кратной четверти длины волны падающего излучения 166
3.3. Анализ свойств многослойных градиентных систем 173
3.4. Критерий определения условий осаждения градиентных
слоев с заданным распределением коэффициента отражения
по поверхности оптического элемента 176
3.5. Поиск требуемых условий изготовления оптических элементов с разными осесимметричными распределениями коэффициента отражения по их поверхности 183
3.6. Поиск условий осаждения клиновых интерференционных светофильтров с заданным распределением пропускания по поверхности оптического элемента 201
3.7. Выводы 222
Глава 4 Технология изготовления и исследование оптических свойств градиентных покрытий 225
4.1. Экспериментальное изготовление и исследование фильтров переменной плотности 225
4.2. Экспериментальное изготовление и исследование зеркал с диаметром рабочей зоны менее 10 мм 233
4.3. Экспериментальное изготовление и исследование зеркал с диаметром рабочей зоны более 50 мм 242
4.4. Экспериментальное изготовление и исследование клиновых интерференционных фильтров 250
4.5. Выводы 256
Заключение 257
Литература
- Формирование градиентных слоев с помощью простейших неподвижных диафрагм
- Конструкции тонкоплёночных покрытий, используемых для создания градиентных систем
- Синтез однослойных градиентных систем, сформированных на просветляющем покрытии с оптической толщиной, слоев, кратной четверти длины волны падающего излучения
- Экспериментальное изготовление и исследование зеркал с диаметром рабочей зоны менее 10 мм
Введение к работе
Лазерное, оптическое приборостроение требует создания приборов и систем, удовлетворяющих современному этапу развития науки и техники. Задачей сегодняшнего дня является совершенствование устройств и методов контроля технологических процессов, связанных с нанотехнологиями. Контроль размеров наночастиц, образующихся как на стадии протекания реакций их образования, так и на стадии использования, требуют создания лазеров с высокой осевой яркостью. Эти же устройства найдут широкое применение в системах реализующих оптическую связь, как в свободном пространстве, так и в волоконно-оптических линиях. Увеличение объёма информации, передаваемой по линиям оптической связи не возможно без увеличения количества каналов реализуемых в пределах несущего интервала оптических частот. Решение перечисленных выше задач не возможно без использования оптических покрытий, свойства которых меняются по поверхности оптического элемента. Так для создания лазеров с высокой осевой яркостью необходимо использовать градиентные зеркала или «мягкие диафрагмы»[5,10,27]. Под терминами «градиентные зеркала» или «мягкие диафрагмы» понимают многослойные диэлектрические системы, свойства которых (энергетические или амплитудные коэффициенты отражения или пропускания) меняются вдоль радиуса оптического элемента. Для систем оптической связи необходимо использование элементов, свойства которых (положение и полуширина полосы максимального пропускания) так же меняются вдоль одной из координат. При создании устройств волоконно-оптической связи основной проблемой является разделение каналов связи. Для разделения каналов связи используется спектральное разделение опорного лазерного или светодиодного излучения. Спектральная ширина зоны используемого излучения составляет от нескольких до десятков нанометров. Для выделения, например, пятидесяти каналов необходимо выделить спектральный интервал шириной от нескольких десятых до одного нанометра. В настоящее время для этого используются узкополосные диэлектрические светофильтры с соответствующей полушириной. Основным недостатком таких светофильтров является их нестабильность в процессе эксплуатации, что приводит к периодическому или постоянному ухудшению светопропускания волоконно-оптических систем.
При широкозональном спектральном исследовании поверхности Земли, необходимом при проведении сельскохозяйственных работ, геологических изысканий, прогнозировании чрезвычайных ситуаций техногенного и природного характера в качестве необходимого устройства используются элементы, позволяющие получить спектральное разложение отражённого светового сигнала. В качестве таких элементов используется сканирующие спектрофотометры. Эти спектрофотометры могут использовать механические, электрооптические и иные способы разложения излучения в спектр. Однако, наиболее перспективным при создании малогабаритных спектрофотометров является использование клиновых фильтров совместно с ПЗС матрицей, регистрирующей излучение соответствующего спектрального диапазона.
Если в первом случае, для лазерных систем, диэлектрические зеркала обладают осевой симметрией, то во втором случае, применяемые диэлектрические системы могут обладать, как осевой симметрией, так и иметь плоскость симметрии. Создание и исследование свойств диэлектрических систем, обладающих осевой симметрией или имеющих плоскость симметрии на поверхности оптического элемента определяет актуальность работы.
Действительно, основными свойствами оптических покрытий являются возможность формирования энергетических и фазовых характеристик отражённого или прошедшего излучения [18,29,124]. Эти свойства интерференционных покрытий определяются функциями многих переменных: показателей преломления (nj), оптических толщин (rijdj) слоев, формирующих рассматриваемое покрытие, показателей преломления обрамляющих сред (n0,nm), длины волны (к), состоянием поляризации падающего под углом (а) излучения. Показатели преломления слоев в общем случае могут быть функциями координат. Перечисленный выше набор варьируемых параметров позволяет, изменяя значения одной или нескольких переменных в широких пределах, менять свойства всей рассматриваемой системы.
В последние годы значительная часть работ, связанных с изучением интерференционных покрытий оптических деталей, посвящена изучению и исследованию параметров плёнкообразующих материалов [6,39,40,90], созданию покрытий с заданными спектральными характеристиками, синтезу тонкоплёночных систем с требуемыми энергетическими характеристиками. Результатом этих исследований явились уточнённые параметры (показатель преломления и коэффициент поглощения) ряда плёнкообразующих материалов, работающих в широком спектральном диапазоне, программы синтеза интерференционных покрытий, позволяющие рассчитывать структуры диэлектрических покрытий, обеспечивающие требуемые энергетические характеристики. Большое внимание [ПО] уделяется рассмотрению покрытий, эксплуатационные параметры которых зависят от угла падения излучения на оптический элемент. На характеристики всех видов покрытий значительное влияние оказывает постоянство толщины слоев и углов падения излучения во всех зонах поверхности детали.
При работе в сходящихся (расходящихся) световых пучках свойства этих систем существенно изменяются, если только форма поверхности подложки, на которую нанесено покрытие, не совпадает с формой падающего волнового фронта. Одновременное формирование энергетических и фазовых
(волнового фронта отраженного или прошедшего излучения) характеристик многослойными тонкопленочными покрытий исследовано значительно меньше, что объясняется теоретическими и экспериментальными трудностями в решении этой задачи. Актуальность такой задачи не подлежит сомнению, поскольку ее решение позволит создать элементы, формирующие заданный волновой фронт излучения в лазерных резонаторах (градиентные зеркала и «мягкие диафрагмы») и т.д.
Для обеспечения работы передающих телевизионных камер в условиях широкого изменения освещённости (от 1-2лк до 105 лк) передаваемого сюжета, необходимо дополнительно регулировать величину светового потока, создающего изображение на фотокатоде передающей трубки. Это необходимо в виду того, что динамический диапазон фотокатода, т.е. диапазон, где величина фотоэлектрического сигнала пропорциональна величине падающего светового потока, составляет 103 [8,33]. Для этого используются различные диафрагмы. Эти диафрагмы расположены в плоскости, близкой к апертурной диафрагме объектива и представляют собой тонкую плоскопараллельную пластинку толщиной 0.1-2 мм с нанесённым на неё поглощающим покрытием, пропускание которого вдоль радиуса меняется.
Изготовление экранирующих масок в настоящее время производиться либо методом фотолитографии, либо методом осаждения поглощающих материалов испарением в вакууме.
В общем виде задача одновременного формирования заданных энергетических и фазовых характеристик отраженного или прошедшего излучения сводиться к отысканию структуры многослойных систем [9,110]. Под структурой системы понимают количество, порядок расположения, показатели преломления, толщины слоев, а также распределение толщин одного или нескольких слоев по поверхности оптического элемента.
Для ее решения необходимо применение покрытий, толщины слоев которых имеют заданное распределение по поверхности оптической детали. Такие слои называют градиентными, так как у них толщина слоя по поверхности оптической детали не постоянна, а имеет некий градиент.
В наиболее простом случае - нанесения дополнительного слоя вещества с переменной по поверхности подложки толщиной для изготовления параболических отражателей - эта задача была рассмотрена и решена в 1936 г. Стронгом [188]. Нанесение дополнительного слоя вещества на подложку производилась методом термического испарения в вакууме [42,129]. В качестве материала градиентного слоя использовался не прозрачный слой алюминия, поэтому постоянство коэффициента отражения и фазы отражённого излучения - по поверхности подложки выполнялось автоматически за счет того, что для непрозрачных пленок эти величины не зависят от толщины слоя, а определяются только комплексным показателем преломления материала пленки [1,13,125].
Работы, выполненные в последние годы, в основном, направлены на совершенствование технологии нанесения градиентных слоев, в качестве которых используются слои прозрачных диэлектриков SiO, SiC 2, ZnS и др.
Все вышесказанное делает проблему формирования слоев с заданным распределением толщины весьма актуальной, так как решение этой задачи необходимо при любом способе использования оптических покрытий. Следует отметить, что имеющиеся к настоящему времени способы управления профилем осаждаемых покрытий (например, при помощи масок-экранов) [109] не являются удовлетворительными по воспроизводимости, точности и производительности, что делает необходимым поиск других, более эффективных способов получения слоев с заданными геометрическими свойствами.
Целью работы является расширение области применения оптических покрытий для формирования фазовых и спектральных характеристик отражённого или прошедшего излучения. Для этого необходимо использовать слои, толщина которых является функциями радиальной координаты на поверхности оптического элемента. В этом случае возможно формирование не только спектральных, но и фазовых характеристик отражённого или прошедшего излучения.
Наибольший интерес представляет метод улучшения качества пучка, основанный на использовании в резонаторах отражателей с меняющимся по радиусу коэффициентом отражения [98,99,185,188]. Теоретически и экспериментально показано, что использование подобных оптических компонентов приводит к существенному улучшению выходных параметров лазерного излучения, а именно: к уменьшению расходимости и повышению энергетической эффективности лазера. Использование данной методики для улучшения выходных характеристик рассмотрено теоретически и реализовано практически во многих работах, где в лазерных системах, в качестве активных тел содержащих СОг и Nd:YAG и др., используются зеркала, сформированные на основе диэлектрических тонких пленок, нанесенных на подложку. Изменение коэффициента отражения по радиальной координате поверхности подложки чаще описывается супергауссовой функцией.
Элементом резонатора, обеспечивающим распределение коэффициента отражения по радиальной координате, является тонкопленочная диэлектрическая система, состоящая из т слоев с разными показателями преломления, нанесенных на плоскую или сферическую поверхность детали. Кроме обеспечения величины максимального отражения и распределения отражения по поверхности детали, в некоторых случаях, важно учитывать волновой фронт получаемого излучения, так как оптические покрытия могут вносить большие фазовые искажения или аберрации, которые существенно уменьшают осевую интенсивность в дальней зоне. Также важно учитывать фазовые характеристики, например, в низкоэнергетических процессах, таких как оптическая обработка данных и интерферометрия.
Формирование градиентных слоев с помощью простейших неподвижных диафрагм
Для создания плёнок с большими градиентами толщины необходимое распределение плотности парового потока вещества может формироваться за счёт помещения между неподвижным испарителем и вращающейся деталью диафрагмы или экрана простейшей формы. Кроме того, можно показать, что радиальная зависимость толщины слоя, осаждаемого на вращающуюся деталь, при испарении из маленького поверхностного испарителя совпадает с распределением толщины слоя на неподвижной детали при испарении из кольцевого поверхностного испарителя или маленького поверхностного испарителя, вращающегося вокруг оси, находящейся вне зоны испарения и перпендикулярной плоскости испарителя. Эти зависимости совпадают и для случая, если между испарителем и деталью помещена круглая диафрагма так, что её центр кривизны совпадает либо с осью вращения детали, либо с осью, перпендикулярной плоскости кольцевого испарителя и проходящей через его центр. Это обстоятельство (совпадение радиальных распределений толщины) можно легко объяснить, воспользовавшись представлением об относительности движения и принципе симметрии. Действительно, безразлично, что мы будем вращать испаритель вокруг оси, проходящей вне испарителя, или подложку. Результат, связанный с определением распределения толщины по поверхности, будет одинаков. Это верно, если за время осаждения слоя подложка повернётся вокруг свой оси больше некоторого числа раз, определяющего точность совпадения экспериментальных и расчётных результатов. При экспериментальной реализации предложенного метода для получения покрытий 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.
Используя уже упомянутый принцип относительности движения для такого расположения элементов технологической оснастки, можно рассмотреть любое расположение диафрагмы или экрана относительно оси вращения подложки.
Для наглядности рассмотрим осаждение слоя при испарении из кольцевого поверхностного испарителя на неподвижную подложку в предположениях, обычных для испарения веществ в вакууме. Поместим между испарителем и подложкой диафрагму или экран любой формы (лучше, если форма диафрагмы (экрана) может быть описана в аналитическом виде). В дальнейшем ограничимся использованием диафрагм (экранов) простейшей формы, т.е. поверхностью, ограниченной окружностью. Выберем некоторую произвольную зону на поверхности подложки, (например, около точки Д определяемой координатами Xi,yi Zj).
Схематически это изображено на рис. 1.2. На этом рисунке а - радиус тонкого кольцевого поверхностного испарителя (расстояние от малого поверхностного испарителя до оси вращения подложек), h — расстояние между плоскостями, в которых расположены испаритель и диафрагма (экран), Н - расстояние от плоскости, в которой размещён испаритель, до плоскости, в которой размещена деталь, 0 - угол между нормалью к испарителю и направлением на исследуемую точку JL на поверхности подложки, 9 - угол между нормалью к исследуемой точке _Я и направлением на испаритель. В формировании толщины слоя в этой зоне будут участвовать те элементы испарителя, которые видны из этой точки через диафрагму. Тогда толщина слоя в зоне с центром в точке у? может быть определена следующим образом [132]: 2mB "rcosGcosGaW t = —"J Б5 -. (1.2.1) cos # = cos # = #// , если диафрагма (экран) не перекрывают поток испаряемого материала, т.е. испаритель полностью виден из точки X Здесь Р расстояние между точкой с координатой (a-sincp, a-cos(p,0) на испарителе и точкой JL на подложке с координатой (хьуі zi), ф - угловая координата зоны испарителя, видимая из точки у?, Р" коэффициент конденсации, g - плотность образовавшегося слоя, т- масса осаждаемого вещества.
Искомая толщина будет равна нулю, если поток полностью перекрыт, т.е. t=0. (1.2.2) Однако, на подложке существует область, в которой молекулярный поток частично перекрывается. Для наших целей большой интерес представляют границы, в которых это наблюдается, и распределение толщины слоя в интервале между ними. Границы определяются радиусами испарителя (а), диафрагмы (rd) (экрана (гэ)) и их относительным расположением внутри вакуумной камеры.
Конструкции тонкоплёночных покрытий, используемых для создания градиентных систем
Для работы в качестве зеркал лазерных резонаторов однослойное покрытие наносится не непосредственно на поверхность оптического элемента, а на просветляющее покрытие [4, 28, 52, 71, 155], которое предварительно нанесено на поверхность оптического элемента (рис. 2.4), и, естественно, влияет на распределение коэффициент отражения по нему. Поскольку лазерные зеркала работают в очень узком фиксированном диапазоне длин волн, то и просветляющие покрытия должны обеспечивать снижение коэффициента отражения в этом диапазоне (для простоты дальнейших рассуждений на длине волны Ао)[35-37]. Слои, формирующие просветляющее покрытие, будут входить в состав структуры зеркального покрытия, и распределение коэффициента отражения в этом случае будет определяться всеми слоями, входящими в данную структуру.
Просветляющее покрытие, обеспечивающее минимальный коэффициент отражения на одной длине волны, чаше всего состоит из двух слоев [197]. Рассмотрим систему, в которой просветляющее покрытие сформировано из наиболее часто применяемых в оптическом приборостроении для видимой и инфракрасной областей спектра материалов: оксидов циркония и кремния, т.е. материалов с показателями преломления 1.96 и 1.45 [163,172]. Нулевое отражение на стекле марки К108 может быть реализовано, если оптическая толщина оксида циркония, прилегающего к стеклу, составляет 0.131Ло, а оксида кремния - 0.302 [46,102,130]. В этом случае коэффициент отражения градиентной системы будет определяться из выражений 2.1.1 и 2.1.2.
Характеристики градиентного покрытия, нанесённого на просветляющую систему для различных видов распределения геометрической толщины слоя: а — распределение геометрической толщины слоя, б - распределение энергетического коэффициента отражения, в - распределение относительного коэффициента отражения. Цифрами на рисунке обозначены распределения, полученные при одинаковых условиях.
В этом случае, также как и для однослойного покрытия, нанесённого непосредственно на оптический элемент, распределение коэффициента отражения по поверхности оптического элемента будет зависеть от нескольких факторов: от распределения геометрической толщины слоя по поверхности оптического элемента, от показателя преломления градиентного слоя и от толщины этого слоя в максимуме. Характер влияния этих параметров представлен на рис. 2.5-2.7.
Как видно из этого рисунка, распределение коэффициента отражения по поверхности оптического элемента идентично распределению геометрической толщины, но в области, где относительная геометрическая толщина близка к единице, распределение коэффициента отражения имеет более плавный характер.
Характеристики градиентного покрытия, нанесённого на просветляющую систему при постоянном распределении геометрической толщины слоя и различных показателях преломления градиентного слоя: 1- Пф І б, 2- п І.бО, 3- п ІЛб; а - распределение геометрической толщины слоя, б - распределение энергетического коэффициента отражения, в - распределение относительного коэффициента отражения.
Представленные на рис. 2.7 кривые показывают, что при уменьшении максимальной оптической толщины градиентного слоя изменяется характер распределения коэффициента отражения по оптической поверхности, как непосредственно коэффициента отражения, так и его относительное величины. При оптической толщине градиентного слоя близкой в максимуме к Аф/4, где Хо — референтная длина волны, изменение коэффициента отражения соответствует кривой второго порядка, при уменьшении же этой величины кривая перерождается в линейную. Также следует отметить, что, как это и ожидалось, коэффициент отражения в максимуме падает и появляется зона скачкообразного изменения коэффициента отражения в области, прилегающей к зоне максимального отражения.
На рис.2.8 показаны различные виды распределений коэффициента отражения градиентных зеркал по поверхности оптического элемента при испарение через круглую диафрагму на вращающуюся деталь. Расстояния между деталью и диафрагмой, деталью и испарителем постоянны. Как видно из этого рисунка, распределение коэффициента отражения по поверхности оптического элемента обладает осевой симметрией и определяется конструкцией покрытия, а форма распределения коэффициента отражения зависит от диаметра диафрагмы.
Синтез однослойных градиентных систем, сформированных на просветляющем покрытии с оптической толщиной, слоев, кратной четверти длины волны падающего излучения
Для получения заданного распределения коэффициента отражения в ситуации, когда вне градиентного слоя коэффициент отражения оптического элемента должен иметь нулевое значение, градиентный слой наносится на некую просветляющую систему (см. главу 2).
Как и ранее, рассмотрим два случая: наиболее простой случай, когда просветляющее покрытие образованного слоями с оптическими толщинами равными Х /4, и покрытия, образованного слоями у которых оптические толщины не кратны друг другу [150,159,186].
В первом случае показатели преломления слоев, образующих систему должны быть связаны соотношением:
Этому условию на стекле с показателем преломления «1.5 (стёкла марок К-8, ВК-7) удовлетворяют следующие пары плёнкообразующих материалов: MgF2 и MgO, MgO и Z1O2. В случае, если это условие по каким - либо причинам удовлетворить не удаётся, может быть использована система, сформированная из слоев с толщинами не кратными друг другу. В первом случае матрица интерференции на длине волны X, определяющая просветляющее покрытие является диагональной матрицей, что существенно упрощает дальнейшие расчёты [122]. Матрица интерференции, характеризующая систему, состоящую из градиентного слоя, нанесённого на просветляющее покрытие, сформированное из двух четвертьволновых слоев, будет иметь следующий вид:
При показателе преломления градиентного слоя равного 2.28 коэффициент отражения четвертьволнового слоя на подложке с показателем преломления 1.51 равен тридцати процентам, при нанесении такого же слоя на просветляющую систему может быть получен коэффициент отражения равный 46%.
Распределение коэффициента отражения по поверхности оптического элемента (а) (указаны в тексте) и соответствующее им распределение фазовой толщины градиентного слоя для различных материалов (б- Пі=1.75; в - Пі=1.95; г- ni=2.20). Градиентный слой сформирован на четвертьволновом просветляющем покрытии. На фрагментах д, е, ж это распределение представлено в относительных единицах.
Сопоставляя выражения 3.1.1 и 3.1.5, можно определить распределение 169 толщины слоя по поверхности оптического элемента, обеспечивающее заданное распределение коэффициента отражения:
Рассмотрим несколько возможных распределений коэффициента отражения по поверхности оптического элемента и определим фазовую толщину, соответствующую этим распределениям. Пусть распределение коэффициента отражения по поверхности оптического элемента удовлетворяет одной из следующих зависимостей: первое (1)-R(p) = R(0)(l-0.3p), втрое (2) -R(p) = R(0)(l-0.8p2 + 0.05p), третье (3) R(p) = R(0)e p u . Воспользовавшись выражением 3.1.6, найдем распределение толщины градиентного слоя, обеспечивающее требуемое распределение коэффициента отражения по поверхности оптического элемента. На рис. 3.2 показаны варианты распределения фазовой толщины слоя, обеспечивающие заданное распределение коэффициента отражения по поверхности оптического элемента при R(0)=0.27. Величина R(0)=0.27 выбрана такой, чтобы можно было показать влияние показателя преломления материала, из которого изготовлен градиентный слой, на распределение толщины слоя по поверхности оптического элемента.
Как видно из этого рисунка, при формировании градиентных зеркал, обладающих разным распределением коэффициента отражения по поверхности оптического элемента (рис.3.2а) из материалов с разным показателем преломления градиентного слоя различия в распределении толщины слоя минимальны для слоев с большим показателем преломления. Следовательно, ошибки в распределении толщины слоя по поверхности оптического элемента будут оказывать максимальное влияние на слоях с большими показателями преломления и меньшее влияние на слоях с малым показателем преломления. Попутно необходимо заметить,
170 что оптическая толщина слоя в центре элемента для слоев с большим показателем преломления существенно меньше 0.25 XQ.
В случае, когда градиентный слой наносится на просветляющее покрытие, состоящее из слоев, толщины которых не кратны четверти длины волны генерируемого лазерного излучения, также может быть определена зависимость [58-60], устанавливающая связь между параметрами покрытия для получения заданного распределения коэффициента отражения. Зависимость коэффициента отражения такой системы будет определяться по формуле 2.5.6.
Рассмотрим формирование градиентного слоя на просветляющем покрытии, состоящем из двух слоев с оптическими толщинами а и Р, где а Ф P 0.57i и изготовленном из материалов с показателями преломления п2 и п3, слой с показателем преломления пз и фазовой толщиной Р расположен на подложке с показателем преломления nm. Градиентный слой формируется из материала с показателем преломления Пі и должен обладать распределением толщины по поверхности подложки ф(р), обеспечивающим требуемое распределение коэффициента отражения R(p).
Экспериментальное изготовление и исследование зеркал с диаметром рабочей зоны менее 10 мм
Сравнение распределений коэффициентов отражения по поверхности оптического элемента для случаев различного задания требуемого распределения коэффициента отражения в виде псевдогауссовых функций с различными степенями.
Далее на рис. 3.11 представлены результаты определения экспериментально реализуемого распределения максимально приближенного к заданному распределению коэффициента отражения от радиальной координаты, которые могут быть получены в реальных условиях осаждения для различных зависимостей радиального распределения коэффициента отражения. Эти радиальные распределения задаются в виде аналитических функций: - рисЗ.Па- R(p) = R(0)e-(02p)\ - 3.116- R(p) = R(0)e-(02p)6, - 3.11в- R(p) = R(0)e-(02p)\ - 3.11г- R(p) = R(0)e-(02p)\
Пунктирными линиями изображены требуемые зависимости распределения коэффициента отражения от координат поверхности подложки, сплошными - распределения, которые могут быть получены при следующих условиях осаждения: - рис.3.11а- Ыа= 1.978, rd/a=0.0143, рис. - 3.116-h=h/a=1.978, rd/a=0.0147, - рис. 3.11в-h/a= 1.982, rd/a=0.0161, - рис. 3.11r-h/a=1.969, rd/a=0.0178, Эти зависимости получены при постоянных расстояниях между плоскостью подложки и плоскостью, в которой расположен испаритель Н/а=2, и расстоянием между испарителем и осью вращения деталей а=230мм.
Анализ условий осаждения (параметры H-h и rd) показывает, что степень совпадения задаваемых и экспериментально реализуемых распределений увеличивается по мере увеличения параметра псевдогауссовой функции. Кроме того, параметр (H-h)/a стремится к постоянному значению, равному 0.022, a rja к значению 0.0143.
Для получения лучшего совпадения заданного и реализуемого распределений коэффициента отражения по поверхности оптического элемента следует воспользоваться ситуацией, когда максимальная фазовая толщина градиентного слоя меньше чем 0.5 л;. На рис. 3.12а представлен результат поиска условий формирования градиентного слоя в случае, когда максимальная толщина градиентного слоя равна тс/6. В этом случае для получения заданного максимального коэффициента отражения следует использовать материал с более высоким показателем преломления. В рассматриваемой ситуации градиентный слой формируется из материала с показателем преломления 3.2 на просветляющем покрытии, состоящем из слоя с показателем преломления 1.95 (фазовая толщина 0.788л соответствует оптической толщине 0.394A ), расположенного на стекле с показателем преломления 1.51 и слоя с показателем преломления 1.45 (фазовая толщина 0.39л; соответствует оптической толщине 0.195Ло). Поскольку на характер распределения коэффициента отражения по поверхности оптического элемента оказывает влияние и структура просветляющего покрытия, то изменение последней также позволяет улучшить приближение расчетных результатов к заданным. На рис.3.126 представлен результат поиска условий осаждения градиентного покрытия, сформированного на просветляющем покрытии, структура которого отлична от просветляющего покрытия, использованного при поиске условий формирования покрытия, изображённого на рис.3.12а. Просветляющее покрытие в этом случае сформировано из материалов с показателями преломления 1.95 (фазовая толщина слоя 0.284л;), прилегающего к оптическому элементу, изготовленному из стекла с показателем преломления 1.51 и материала с показателем преломления 1.45 (фазовая толщина слоя 0.595л;). Градиентный слой формируется из плёнкообразующего материала с показателем преломления 2.07. Максимальная фазовая толщина градиентного слоя в центре оптического элемента для этого случая составляет л/3. Как видно из сравнения этих рисунков степень совпадения экспериментально реализуемых и расчётных существенно зависит от показателя преломления градиентного слоя. Здесь необходимо отметить, что условия осаждения (rd/a=0.0039 и h/a=1.993 для случая а и rd/a=0.0034 и h/a=1.994 для случая б) при формировании этих систем примерно одинаковы (разница составляет десятые доли миллиметра для вакуумной испарительной установки ВУ-1А), т.е. показатель преломления градиентного слоя, а, следовательно, и его фазовая толщина являются дополнительными параметрами, позволяющими существенно улучшить степень совпадения экспериментально реализуемых и заданных распределений коэффициента отражения по поверхности оптического элемента.
