Введение к работе
Актуальность проблемы. В современных оптических устрой -ствах с помощью зеркальных поверхностей формируются световые потоки, интенсивности которых могут меняться в очень широких пределах. Время взаимодействия светового излучения с поверх -ностью зеркала также может изменяться от нескольких наносекунд до многих часов. Многие отрасли науки и техники, в том числе термоядерная энергетика, металлообрабатывающая и оборонная промышленность, космонавтика, заинтересованы в повышении мощности и- энергии ОКГ.
С ростом мощности,и ресурса непрерывной работы ОКГ задача создания лазерной оптики существенно усложняется. Силовая оптика должна обладать не только необходимой механической и лучевой прочностью, но исверхвысоким коэффициентом отражения, так как между этими параметрами имеется непосредственная связь. Локальное повышение температуры, как следствие поглощения части энергии падающего излучения, приводит к температурным на -пряжениям и инициирует структурные изменения в поверхностном слое зеркала, в частности, пластические деформации. Температурные напряжения, приводящие к структурным изменениям, появляются задолго до достижения температуры плавления материала зеркала. В последнее время при разработке оптики для мощных ОКГ, систем формирования и фокусировки лазерного и других излучений в видимой и ИК- областях спектра все больше предпоч -тение отдается металлам, в частности Си., До , Tl , Mo и др.
Абсолютные значения поглощенной энергии'зависят от мощ -ности падающего излучения и коэффициента отражения зеркала. Термоупругое деформирование поверхности массивного медного
зеркала потоками лазерного излучения начинается при интенсивности примерно 40 Дж/см , а порог плавления составляет 58,7 ± 8,6 Дж/см . Одной из главных причин, сдерживающих дальнейшее повышение мощности и энергии ОКГ, является невозможность на сегодняшний день изготовления зеркал необходимого качества.
К основным факторам, определяющим качество оптической отражающей поверхности, можно отнести следующие.
I. Минимальность потерь падающего излучения, неизбежно возникающих из-за пространственного рассеяния на несовершен -ствах поверхности-и диссипации в приповерхностном слое.
2; Геометрическая стабильность. Изменение первонаяальной геометрии оптической поверхности в процессе эксплуатации может обусловливаться неизотермичносгыо нагрева, структурной не -стабильностью материала и так далее.
-
Долговечность, т.е. устойчивость к воздействиям как климатических, так и эксплуатационных сред и лучевая прочность.
-
Достаточная механическая прочность, позволяющая про -изводить периодические чистки, поверхности от неизбежных загрязнений при длительной и интенсивной эксплуатации.
Создание металлооптики, удовлетворяющей указанным пара -метрам, требует решения ряда сложных научно-технических задач. Для этого необходимо изучить пригодные для металлооптики материалы, теоретически и экспериментально исследовать вопросы отражения света от реальных оптических поверхностей различных металлов, решить технологические проблемы изготовления зеркальных'поверхностей и нанесения на них защитных и много -слойных интерференционных покрытий, разработать методы и аппаратуру для контроля оптических характеристик.
Одной из актуальных проблем металлооптики является проблема границы раздела сред, которой в теоретических, а часто и в экспериментальных работах уделяется недостаточное внима -ние как объекту, имеющему определенный физический.смысл. Понятие "чистая поверхность", так же как и понятие "резкая граница" между средами, является абстрактной моделью. При реше -нии практических задач необходимо рассматривать не границу раздела двух сред, а межфазовую область, состоящую из нескольких переходящих один в другой слоев. В совокупности все эти
— 4
:лои можно назвать аагрязнениями поверхности. Первый слой со-;тавляют адсорбированные поверхностью оксидной пленки молеку-ш воды, углеводородов и других элементов окружающей среды, второй слой - это собственный оксид или оксиды металла и третий - приповерхностный слой с нарушенной структурой и с внед-зившимися в результате физической и химической сорбции моле -сулами из окружающей среды. Как видно из сказанного, для реальных поверхностей при интерпретации результатов измерения соэффициента отражения и показателя поглощения необходимо учитывать наличие сложной слоистойанизотропной структуры между (бъемной фазой металла и окружающей средой.
Актуальной длямёталлооптики является также задача ис -юльзования явления интерференции в многослойных покрытиях для ювышения коэффициента отражения металлических зеркал. В на-:тоящее время интерференция в тонких пленках', нанесенных на іеталлические подложки, экспериментально изучена недостаточно. , Целью работы является экспериментальное исследование и еоретическое обоснование влияния на оптические свойства ме -аллических зеркал приповерхностного слоя и слоев на поверх -юсти, возникающих при обработке, в процессе естественного ітарения в эксплуатационных условиях, а также тонких пленок, іаносимьк на поверхность для защиты от механических поврежде-1ий и повышения коэффициента отражения.
Для достижения поставленной цели в работе решены следую-[ие основные задачи:
выбраны новейшие метода для диагностики поверхности, ізмерения оптических констант металла и тонких пленок;
проведены сравнительные исследования зависимости от -іажательной способности медных зеркал от способов изготовле -ия;
определены оптические постоянные медных зеркал алмаз -;ого точения с приповерхностным слоем малой толщины и чистой :оверхностыо и построены для них спектральные кривые;
экспериментально исследовано влияние загрязнений зер -альной поверхности металла на оптические и механические свой-тва наносимых пленок и выработаны критерии для опрнки каче -тва пленки;
— 5
- эспериментально и теоретически изучена интерференция в прозрачных пленках, нанесенных на металлические подложки, и определены зависимости скачков фаз и положений экстремумов от способов обработки поверхности подложек.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
-
Проведены комплексные исследования оптических свойств поверхности металлических зеркал, изготовленных алмазным точе нием с применением современного и высокоточного эллипсометри-ческого метода в видимой области и нового, не нашедшего еще широкого распространения, метода поверхностных электромагнитных волн в ИК области спектра.
-
Предложен'оптимальный способ обработки поверхности массивного медного зеркала, дающий возможность получить мак -симально приближенные к объемным оптические свойства.
-
Предложена математическая аппроксимация спектральной зависимости коэффициента экстинции меди для области спектра 0,3...25 мкм, которая в сочетании с соотношением Крамерса-Кронига.для расчета показателя преломления позволяет конструи ровать спектральные кривые диэлектрической проницаемости, хорошо совпадающие по виду и по величине значений с экспериментальными. Экстремумы на этих кривых связаны с механизмами взаимодействия излучения с оптическими электронами металла.
-
Созданы экспериментальный метод и аппаратура для опре деления величины скачка фазы на границе раздела поверхности металла и диэлектрической пленки. Экспериментально определенные и теоретически рассчитанные значения скачка фазы практи -чески совпадают. Предложенный метод позволяет непосредственно в-процессе нанесения пленки учитывать поправку к оптической толщине'на фазовый сдвиг для первых интерференционных' экстремумов при изготовлении высокоогражающих металл-диэлектрически: систем.'
-
Предложены экспериментальные методы для определения показателя преломления, геометрической, оптической толщины и коэффициента дефектности прозрачных пленок, нанесенных на металлические подложки.
Научное и практическое значение. Измеренные в видимой и .ИК областях спектра значения оптических постоянных меди и пре,
юженная математическая аппроксимация спектральной зависимости коэффициента экстинции позволяют в сочетании с соотноше -іиєм Крамерса-Кронига построить для широкого диапазона длин золн спектральные кривые ft и К , хорошо согласующиеся с экспериментальными кривыми, которые можно построить по изме -эенным данным, только для отдельных участков спектра. Это позволяет более полно изучить механизмы взаимодействия электромагнитного излучения с электронами мзталла, так как можно,ис-лольэуя комбинации її и К. , построить для действительной Е,-Пг-к2и мнимой д-2ак частей диэлектрической проницаемости спектральные кривые в широком диапазоне длин волн, на которых более четко, чем на кривых отражения, выражены моменты вклю -чения этих механизмов.
Определены значения плазменной частоты меди и алюминия по измеренным значениям длины пробега поверхностных электро -магнитных волн у образцов, имеющих, благодаря алмазному точению и отжигу, близкие к объемным физические' свойства поверхности .
Разработанный метод и созданная аппаратура, позволяющие при измерении оптической толщины наносимых пленок вносить поправну, учитывающую величину скачка фазы на границе раздела металла и пленки, дают возможность нанесения интерференциок -ных покрытий, повышающих коэффициент отражения металлических зеркал.
Разработанный метод определения коэффициента дефектности позволяет связать качество пленки с чистотой подложки- «выбрать оптимальные способы очистки подложки для получения пленок требуемого качества. -
Разработанные методы, созданная аппаратура и установки для измерения оптических констант металла, пленок и толщины наносимых на металлические подложки пленок,нашли практическое применение в производственных условиях при решении вопросов, связанных с изготовлением высокоогражающих и надежных в экс -плуатации металлических зеркал для технологических лазеров.
На защиту выносятся следующие основные положения: I. Комплексный метод получения наибольшего коэффициента отражения в видимой и ПК областях спектра и отличительные осо-
~~ 7
бенности в спектральной зависимости коэффициента отражения для медных зеркал.
-
Способ аппроксимации спектральной зависимости коэфф циента экстинции меди для области 0,56...35 мкм, позволивші экстраполировать спектральную кривую на всю область от ну; до бесконечности, применить соотношение Крамерса-Кронига д; получения значений показателя преломления и построить из коь бинации значений коэффициента экстинции и показателя прелом ления спектральную кривую для мнимой части диэлектрической проницаемости.
-
Экспериментальные методы для определения:
а) значений скачка фазы на границе раздела поверхностей
металла и пленки;
б) показателя преломления, геометрической и оптической
толщины прозрачных пленок, нанесенных на металлические подло
ки;
в) коэффициента дефектности пленки, зависящего от степе
ни загрязненности подложки, на которую эта пленка нанесена.
4. Улучшенный калориметрический метод определения потер в системах металл-пленка, вызванных дифракционным рассеянием падающего излучения на квазипериодических структурах металл» ческой подложки.
Апробация работы и публикации. Результаты работы докла давались на Всесоюзном симпозиуме по вакуумной технике и тек нологии (Казань, І96І), Втором республиканском семинаре пі физике тонких пленок (Ивано-Франковск, 1980), УІ Всесоюзной научно-технической конференции по фотометрии и метрологичес кому обеспечению (Москва, 1986), Всесоюзной научно-техничес -кой конференции "Вакуум-9І" (Казань, 1991), семинаре Физико технического института Казанского научного центра АН СССР (Нг эань, 1992) и на ежегодных итоговых научных конференциях Казанского государственного университета (Казань, І985-І99І).
По материалам диссертации опубликовано 10 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введе -ния, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы. Она содержит 210 страниц основного машинописного текста, S3 рисунка, 8 таблиц и,107 наименований литературных источников.
~ - 8 - —
