Введение к работе
В настоящей работе обобщаются результаты исследований, выполненных івтором в период 1967-1997 г, направленных на создание, развитие и внедрение і производство новых материалов и интерференционных покрытий, обеспечивающих разработку и изготовление новых оптико-электронных триборов, устойчивых к воздействиям эксплуатационных факторов и мощным шергетическим потокам.
Актуальность работы.
Последние десятилетия характеризуются все возрастающим интересом к юзданию новых оптических приборов самого разнообразного назначения, {адачи, решаемые современной оптикой, перекрывают широкое поле самых >азличных исследований - от мониторинга окружающей среды и оценки юстояния природных ресурсов до слежения за отдельными объектами и юражения их при помощи оптических методов. Интерференционные покрытия іа оптических деталях позволяют проводить фильтрацию оптического сигнала г снижают световые потери в выделяемых спектральных диапазонах, что и гривело к их широкому использованию в современном оптическом гриборостроении. Развитие техники потребовало значительного расширения пектрального интервала использования интерференционных покрытий и, в ряде лучаев, резко усложнило условия эксплуатации оптических деталей с [окрытиями. Так развитие силовой оптики привело к необходимости создания щтерференционных покрытий, работающих в условиях интенсивных оптических іагрузок, что потребовало проведения специальных исследований по разработке ехнологии получения и использования новых материалов для изготовления окрытий, выдерживающих высокие интенсивности светового излучения, азвитие тепловидения привело к ужесточению требований к просветляющим окрытиям по величине остаточного отражения и условиям эксплуатации. Сказалось, что просветление оптики, изготозленной из материалов с высоким оказателем преломления, должно быть выполнено так, чтобы остаточное гражение от просветленной поверхности было менее 0,5%, в противном случае
проявляется воздействие на фотоприемник отрицательных световых потоков. И это значительно важнее, чем малое изменение регистрируемого полезного светового сигнала.
Успешное решение задач разработки и изготовления интерференционных покрытий, удовлетворительно работающих в различных условиях эксплуатации прибора, в большинстве случаев связано с правильным выбором материалов для получения многослойных интерференционных покрытий, правильным выбором технологии их нанесения с хорошей возможностью контроля всего процесса и оборудованием для нанесения покрытий. В начальном периоде применения интерференционных просветляющих покрытий их изготовление проводилось химическими методами и было очень длительным и трудоемким. Развитие оптического приборостроения потребовало разработки новой технологии, обеспечивающей быстрое изготовление достаточно сложных интерференционных покрытий в значительных производственных объемах, что привело к разработке методов нанесения покрытий при испарении различных материалов в вакууме. Одновременно встал вопрос и о материалах для получения слоев в зависимости от назначения покрытия. Необходимо отметить, что свойства материалов в виде тонких слоев оказываются отличными от свойств массивного материала и зависят в очень высокой степени от технологических особенностей их изготовления. Это создает определенные сложности в непосредственном применении результатов исследований других авторов, использовавших другую подготовку материала и иное оборудование для нанесения покрытия. Практически все литературные данные по материалам требуют обязательной проверки и уточнения, поскольку, в большинстве случаев, технологические особенности получения отдельных слоев и многослойных покрытий остаются за рамками публикуемых сообщений.
Состояние вопроса.
К началу работ для получения слоев интерференционных покрытий методом испарения материалов в вакууме использовались только легко испаряемые сульфид цинка и фториды магния и стронция. Эти материалы не позволяли изготавливать покрытия уверенно работающие в сложных климатических
условиях и требовали выполнения ряда требований защиты от механических повреждений. Именно поэтому применение германия и моноокиси кремния для получения интерференционных фильтров, использованное автором, было совершенно новым словом в отрасли. Позже, после появления вакуумного оборудования с электронно-лучевым нагревом испаряемого материала, внимание исследователей обратилось к окислам металлов использовавшихся ранее только при химическом нанесении интерференционных покрытий. Эти исследования развернулись широким фронтом во всем мире и активизировались в лаборатории автора. Проведенные исследования слоев из различных окислов привели автора к мысли о возможности прогнозирования оптических свойств материалов в виде гонких слоев, что позволило проводить исследования более целенаправленно и с большим эффектом. Аналогичные исследования проводились и в других лабораториях. К сожалению результаты полученные другими исследователями не всегда полностью воспроизводились. Этому способствовало недостаточное понимание роли условий в процессе нанесения покрытий и большой разброс в методах подготовки материалов перед испарением в вакууме. Именно поэтому все результаты полученные в других лабораториях очень тщательно проверялись и корректировались перед тем, как использоваться в технологических разработках интерференционных покрытий различного назначения.
Цель работы.
Глазная цель настоящей диссертационной работы заключалась в исследовании оптических и физико-химических свойств материалов в тонких :лоях, пригодных для использования в производстве оптических многослойных интерференционных покрытий, и разработке вакуумной технологии изготовления интерференционных фильтров для вновь проектируемых оптических приборов я лазерных зеркал для применения в конкретных приборах специального газначенич при учете воздействия световых потоков высокой интенсивности.
ОсноЕяые задачи диссертационной работы.
Прогноз и исследование оптических и физико-химических свойств материалов, пригодных для изготовления интерференционных покрытий на
поверхностях оптических деталей современных оптико-электронных
приборов различного назначения.
Накопление информационной базы по оптическим и физико-техническим
свойствам материалов в тонких слоях и ее использование в разработке новых
интерференционных покрытий на оптических элементах, создаваемых в НПО
ГИПО и отрасли современных оптико-электронных приборов.
Исследования и разработка технологических процессов изготовления
фильтрующих покрытий, используемых в оптических приборах специального
назначения.
Разработка технологии изготовления просветляющих покрытий для
элементов оптики тепловизионных приборов с учетом неплоскостности
покрываемых поверхностей.
Теоретические и экспериментальные исследования и разработка
технологических процессов изготовления зеркальных и иных покрытий на
оптических деталях приборов силовой оптики.
Теоретические и экспериментальные исследования и разработка
технологических процессов изготовления зеркальных покрытий с
минимальными потерями излучения на поглощение и рассеяние;
регулируемым фазовым сдвигом и максимально высоким коэффициентом
отражения для обеспечения работы квантовых гироскопов.
Научная новизна исследований и полученных результатов заключается в том, что в диссертации
Исследованы материалы, пригодные для изготовления оптических интерференционных покрытий работоспособных в наиболее сложных условиях эксплуатации.
Впервые в отечественной практике выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований и разработана технология совместного и одновременного использования германия и моноокиси кремния для изготовления интерференционных фильтров, что позволило обеспечить более высокие эксплуатационные требования к впервые создаваемым в отрасли новым изделиям военной техники.
Разработана конструкция и технологические процессы изготовления ряда
отрезающих, полосовых и узкополосных интерференционных фильтров для
комплектации отечественных оптико-электронных приборов различного
назначения.
Проведены широкие исследования и разработана технология изготовления
крупногабаритных диэлектрических интерференционных зеркал,
обеспечивающих работоспособность приборов и установок в широком
спектральном диапазоне при транспортировке мощных световых потоков.
Разработана технология изготовления амплитудно- и фазоизотропных зеркал
для квантовых гироскопов, имеющих минимальные потери на рассеяние
падающего излучения.
Разработана технология нанесения просветляющих покрытий на неплоские
поверхности оптических элементов оптоэлектроники, обеспечивающая
получение высокой равномерности свойств.
Впервые теоретически рассмотрен вопрос о смысле просветления
фотоприемников и показана роль фазовой характеристики в обеспечении
высокой чувствительности.
Научные положения и результаты выносимые на защиту.
1. Оригинальные научно - технические решения по использованию конкретных пар материалов Ge - SiO: PbTe - ZnSe; Si - Si02« окислов металлов для получения тонких прозрачных пленок, заложенные в разработку технологии интерференционных фильтров предназначаемых для комплектации приборов специального назначения.
!. Результаты экспериментальных исследований по определению внутренних напряжений в отдельных тонких пленках, их суммирование в интерференционных системах слоев, оценка влияния на устойчивость покрытий к воздействию колебаний температур и мощных световых потоков при эксплуатации изделий и оптимизация интерференционных зеркал, используемых для транспортировки мощных светозых потоков.
I. Оригинальные научно - технические решения по получению равномерных покрытий на оптических деталях с большой площадью рабочей поверхности.
Равномерность свойств покрытия не хуже 1% достигается использованием специальных масок, деформирующих поток паров в вакуумной камере. Заложенные в разработку технологии изготовления крупногабаритных лазерных зеркал маски обеспечивают однородность оптических свойств на плоских поверхностях диаметром более 0.5м.
-
Экспериментальные и теоретические исследования и разработка технологического процесса изготовления оптически изотропных зеркал с Rg - ГЦ, < О.О001 и минимальными потерями на рассеяние, не превышающими 0.0003, для квантовых гироскопов с возможностью подстройки фазовой характеристики в пределах 10 градусов.
-
Экспериментальные и теоретические исследования и разработка технологии нанесения просветляющих покрытий на неплоские поверхности линз с обеспечением хорошей равномерности оптических свойств за счет использования специального размещения просветляемых деталей в вакуумной камере и дополнительного использования масок, деформирующих потоки паров при нанесении покрытий.
-
Результаты экспериментальных и теоретических исследований влияния фазы, поступающего в фотоприемник излучения, на величину чувствительности.
Практическая значимость полученных в диссертации результатов определяется потребностью в них:
при разработке оптических приборов различного назначения, использующих
выделенные спектральные области работы. - при разработке новых мощных лазерных систем.
при разработке лазерных гироскопов
при разработке технологии изготовления интерференционных покрытий
любого назначения.
Внедрение.
Большинство технологических решений внедрено в производство ФНГШ ГИПО и предприятиями отрасли.
-7-Публикацня.
Основные результаты разработок опубликованы в 26 статьях в центральных журналах и тематических сборниках центральных издательств. Оригинальные технические решения, заложенные в основу разработанных технологий, подтверждены 51 авторским свидетельством.
Апробация результатов.
Основные материалы работы докладывались на: Всесоюзной конференции "Теория и практика алмазной абразивной обработки деталей приборов и машин" ( Москва, 1973 г.); II Всесоюзном совещании "Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов" (Москва, 1976 г.); III Всесоюзной конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва, 1979 г.); Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров" (Ленинград, 1979, 1982, 1983 гг.); Всесоюзном семинаре "Методы синтеза и применение многослойных интерференционных систем" (Москва, 1984 г.); отраслевых совещаниях по новым покрытиям и оптической технологии (Москва, 1976,1977, 1979, 1980, 1981). Кроме этого, естественная апробация результатов технологических разработок проходила по результатам испытаний оптических деталей с покрытиями и готовых приборов как в ФНПЦ ГИПО, так и на предприятиях отрасли, где внедрялись разработанные технологические процессы.
Некоторые результаты полученные в ходе выполнения диссертационной работы оценены присуждением премии Совета Министров СССР V № 392 от 21 ноября 1990 г.
Структура и объем работы.
