WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 20 |
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ Е.Н. Котликов, Г.А.Варфоломеев, Н.П. Лавровская, А.Н. Тропин, Е.В. Хонинева Проектирование, изготовление и исследование интерференционных покрытий Учебное пособие Санкт - Петербург 2010 г УДК 681.782 ББК 22.34 В18 Рецензенты: кафедра оптических технологий Санкт - Петербургского института точной механики и оптики;

д-р физ.-мат. наук, проф. Санкт - Петербургского государственного университета И. Ч. Машек Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия Е.Н.Котликов, Г.А.Варфоломеев, Н.П.Лавровская, А.Н.Тропин, Е.В. Хонинева В18 Проектирование, изготовление и исследование интерференционных покрытий : учебное пособие/ - СПб.: ГУАП, 2009. - ххх с: ил.

ISBN 978-5-8088-0295-7 Учебное пособие предназначено для студентов, изучающих дисциплины «Проектирование интерференционных покрытий», «Технология изготовления тонких пленок» и «Оптические измерения интерференционных покрытий». Пособие содержит необходимые теоретические сведения, описание лабораторных работ и контрольные вопросы.

Учебное издание УДК 681.782 БК 22.34 Котликов Евгений Николаевич.

Варфоломеев Глеб Анатольевич Лавровская Наталья Павловна Тропин Алексей Николаевич Хонинева Елена Владимировна ПРОЕКТИРОВАНИЕ, ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ Учебное пособие Редактор Верстальщик Сдано в набор. Подписано к печати.

Формат. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ.л.. Уч. -изд. л.. Тираж 80 экз.

Заказ № Редакционно-издательский центр ГУАП 190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67 ISBN © ГУАП, 2009 © Е.Н.Котликов, Г.А.Варфоломеев, Н.П.Лавровская, А.Н.Тропин, Е.Н. Хонинева. 2009 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.........................................................................ВВЕДЕНИЕ........................................................Ошибка! Закладка не определена.

ЧАСТЬ I. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ...........1.1. Модель для расчета интерференционных покрытий..............................................1.2. Рекуррентный метод..................................................................................................1.3. Матричный метод.......................................................................................................1.4. Метод эквивалентных слоев......................................................................................1.5. Просветляющие покрытия.........................................................................................1.6. Диэлектрические зеркала..........................................................................................1.7. Интерференционные фильтры..................................................................................1.8. Отрезающие светофильтры......................................................................................1.9. Узкополосные светофильтры, построенные по схеме интерферометра Фабри - Перо 1.10. Изменение пропускания по мере формирования узкополосных светофильтров1.11. Изменение спектральных характеристик узкополосных светофильтров при наклонном падении...........................................................................................................1.12. Светофильтры на основе нарушенного полного внутреннего отражения...........1.13. Программа расчета интерференционных покрытий..............................................1.14. Контрольные вопросы и задания к практической работе.....................................ЧАСТЬ II. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ.............2.1. Методы изготовления оптических покрытий.....................................................2.2. Экспериментальное оборудование для изготовления оптических пленок методами термического напыления.................................................................................2.3. Формирование пленок постоянной толщины....................................................2.4. Методы контроля толщин пленок....................................................................ЧАСТЬ III. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ...............................................................3.1. Лабораторная работа №1.................................................................................3.2. Лабораторная работа №2.................................................................................3.3. Лабораторная работа №3.................................................................................3.4. Лабораторная работа №4.................................................................................3.5. Лабораторная работа №5.................................................................................3.6. Лабораторная работа №6.................................................................................Приложение 1. Источники излучения в ИК–области спектра.............................Приложение 2. Приемники ИК–излучения............................................................Приложение 3. Техническое описание монохроматора МУМ-2.........................Приложение 4. Техническое описание спектрофотометра ИКС – 16.................Приложение 5. Техническое описание спектрофотометра ИКС – 22.................Приложение 6. Приставка для исследования отражения.....................................Приложение 7. Основные требования при выполнении чертежей оптических деталей........................................................................................................................Список рекомендуемой литературы....................................................................... ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ R - коэффициент отражения для интенсивности световой волны;



r - амплитудный коэффициент отражения;

Т - коэффициент пропускания для интенсивности световой волны;

t амплитудный коэффициент пропускания;

А - поглощение;

N = n - ik - комплексный показатель преломления;

np - показатель преломления подложки;

п0 - показатель преломления воздуха п0 =1;

nm или n i -показатели преломления пленок, к - коэффициент экстинкции (поглощения), мнимая часть комплексного показателя преломления N;

= (4k/) - коэффициент поглощения в законе Бугера;

[мкм], [нм] - длина волны, = (1/) [см-1] -обратные частоты, используемые в оптике.

Предисловие Учебное пособие рассчитано на учебные дисциплины для магистров по специальности «Оптические технологии». В программу подготовки входят курсы: «Проектирование интерференционных покрытий», «Технология изготовления интерференционных покрытий» и «Оптические измерения тонких пленок и покрытий». В связи с тем, что ряд вопросов этих курсов частично дублируется, авторам показалось целесообразным объединить их в одном учебном пособии для создания у студентов целостного представления.

Тонкослойные покрытия позволяют изменять оптические, механические, химические, электрические и другие свойства оптических деталей. В настоящее время более 98% оптических деталей имеют пленочные покрытия, которые по своему функциональному назначению можно разделить на оптические, электропроводящие и защитные покрытия. В последние годы роль оптических покрытий все более возрастает. Совершенно очевидно, что специалисты, работающие над созданием таких покрытий, должны обладать глубокими знаниями о теории и практике изготовления пленок с заданными свойствами.

В учебном пособии рассмотрены интерференционные покрытия (ИП) - один из видов оптических покрытий, широко применяющихся в оптическом приборостроении, в том числе в лазерной технике.

Первая часть содержит теорию различных видов интерференционных покрытий: интерференционных светофильтров, диэлектрических зеркал, просветляющих покрытий. Рассматриваются вопросы анализа и синтеза покрытий, формулируются требования, выбирается структура, вырабатываются технологические рекомендации по изготовлению конкретного типа покрытий.

Здесь же приведен интерфейс программы FilmMgr.exe, разработанный на кафедре физики СПбГУАП, позволяющей проводить расчет многослойных интерференционных покрытий.

Во второй части приведены основные методы изготовления оптических пленок и используемые для этого установки, выбор которых определяется требованиями к оптическим и эксплуатационным характеристикам интерференционных покрытий.

Кроме того, пособие содержит описание лабораторных работ. Лабораторный практикум построен таким образом, что при выполнении работ студенты могут полностью освоить весь процесс изготовления и исследования пленочных покрытий. Книга завершается справочными материалами по спектрофотометрам видимого и ИК диапазонов спектра., приведенными в приложениях.

К настоящему времени издан ряд учебников по вопросам интерференционных покрытий как российских, так и зарубежных авторов. Каск правило, в этих работах рассматривается один из аспектов проектирования интерференционных покрытий: или синтез покрытий, или технологические особенности их изготовления, или оптические исследования покрытий. Авторам показалось целесообразным для создания у студентов целостного представления объединить в одном учебном пособии основы синтеза и анализа интерференционных покрытий, технологию изготовления пленок и исследование пленок и покрытий.

В учебное пособие также включена база данных по оптическим константам тонких пленок. Частично этот материал изложен в оригинальных работах авторов. Эта база в настоящее время является наиболее полной. Наконец, в настоящей работе детально описана программа синтеза и анализа интерференционных покрытий, разработанная авторам. В этой программе учитывается дисперсия оптических констант пленок.

Мы рады воспользоваться возможностью, чтобы выразить благодарность профессору СПбГУ ИТМО Э.С. Путилину за поддержку, оказанную нам при подготовке этой работы, и ее рецензирование. Материалы, изложенные в п.п.1.-1.12, взяты из работы Э. С. Путилина. «Оптические покрытия», СПбГУ ИТМО, 2005.

Мы искренне признательны профессору физического факультета СПбГУ И. Ч. Машеку, взявшему на себя труд по рецензированию этой работы.

ЧАСТЬ I. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ 1.1. Модель для расчета интерференционных покрытий Разработка и изготовление интерференционных покрытий [2, 3, 4, 6, 9, 13, 14] содержит ряд этапов. На первом этапе разработки сначала формулируют требования, предъявляемые к покрытию. Далее выбирается структура покрытия, определяется число слоев, их параметры, оценивается устойчивость покрытия к ошибкам параметров слоев при напылении; наконец, вырабатываются технологические рекомендации по изготовлению данного типа покрытия. Второй этап включает собственно изготовление покрытий: отработку технологии изготовления, конструирование покрытия, его изготовление на конкретной установке. Наконец, на последнем этапе проводят исследование покрытия, определение спектральных характеристик, механической прочности, влагостойкости, лучевой стойкости и т. д.





Требования к оптическим характеристикам покрытий определяются характером их применения. Для покрытий силовой оптики наиболее существенным становится требование на минимизацию оптических потерь и лучевую стойкость. В ряде случаев в угоду этим требованиям снижаются требования к спектральным и эксплуатационным характеристикам.

Выбор структуры покрытия и последующее определение параметров слоев определяет задачу конструирования. Ее обычно разделяют на две задачи. Первая задача - задача анализа покрытий [3, 4]-заключается в расчете спектральных характеристик покрытия по известной структуре покрытия. Определяются спектры отражения, пропускания и поглощения, фазовые набеги при отражении и пропускании. Эта задача решена в аналитическом виде вплоть до трехслойных покрытий. В принципе, она может быть решена аналитически и для покрытий из большего числа слоев, но в этом случае решения настолько громоздки, что не представляют ценности, и их обычно находят численными методами с использованием компьютера.

Задача нахождения структуры покрытия по заданным спектральным характеристикам - задача синтеза покрытий - является обратной по отношению к задаче анализа. Разработан аналитический и численный подходы к решению этой задачи. Компьютерные методы синтеза основаны на введении некоторой функции качества, которая численно оценивает отклонение аппроксимирующей функции от заданной. Минимальному значению показателя качества соответствует найденное решение.

На заключительном этапе конструирования покрытий исследуется влияние на спектральные и фазовые характеристики различных дестабилизирующих факторов, связанных с особенностями технологических приемов и методов нанесения покрытий. Обычно, эта часть работы также решается с использованием машинных методов расчета.

Особенностью конструирования покрытий силовой оптики является использование введенного в параметры слоев поглощения [3, 13]. Его вводят через мнимую часть комплексного показателя преломления. Введение поглощения переводит решение задач анализа и синтеза в общем случае на новую качественную ступень, В литературе практически нет работ по задачам синтеза поглощающих покрытий.

В аналитическом виде решение задач анализа поглощающих покрытий имеется только для покрытий из четвертьволновых пленок.

Теория расчета спектральных характеристик многослойных покрытий базируется на электромагнитной теории Максвелла [1, 3, 6, 13]. Данная теория хотя и не вполне свобода от неопределенностей, но обеспечивает учет интерференционных и поляризационных эффектов в многослойных покрытиях всех типов.

Определение отражения, пропускания и поглощения многослойного пленочного покрытия с точки зрения электромагнитной теории сводится к решению граничной задачи. Она заключается в определении стационарных амплитуд векторов напряженности электрического и магнитного полей на границах многослойного покрытия при падении световой волны с определенными характеристиками. Все энергетические соотношения и фазовые изменения, в итоге, выражаются через векторы поля.

Электромагнитное излучение, распространяющееся в среде, характеризуется амплитудой колебаний электрического Е или магнитного Н вектора напряженности поля излучения, частотой излучения, состоянием поляризации и направлением распространения, определяемым волновым вектором k.

Относительно падающего на покрытие излучения делается предположение, что оно описывается плоской линейно - поляризованной монохроматической волной с фронтом бесконечной ширины. Уравнение плоской монохроматической волны в изотропной среде имеет вид kr E = E0 expit - N, 1) c где t – время, r – радиус-вектор, - круговая частота, с – скорость света в вакууме, i – мнимая единица, k – волновой вектор (не путать с коэффициентом экстинкции!).

Величину N=n-ik, описывающую оптические свойства среды, называют комплексным показателем преломления. Его вещественная часть n – показатель преломления – равна отношению скоростей распространения света в вакууме и данной среде, а мнимая часть k – показатель экстинкции (поглощения) – характеризует уменьшение интенсивности излучения в среде в результате поглощения. Иногда комплексный показатель преломления записывают как ~ ~ N = n(1 - ik ), и тогда величину k называют показателем затухания.

Интенсивность светового потока I, распространяющегося в среде, пропорциональна |E0|2 и, согласно закону Бугера – Ламберта - Бэра, после прохождения слоя вещества толщиной l связана с начальным значением интенсивности I0 следующим образом:

kl I = I0 exp{- l}= I0 exp- 4 (1.2), где 0 – длина волны излучения в вакууме, =4k/0 - натуральный показатель поглощения среды.

Величина A=(I0-I)/I0, представляющая собой отношение потока излучения, поглощенного телом, к падающему на него потоку, называется поглощением.

N0=nN1=n1+ik1 lN2=n2+iklj-Nj=nj+ikj lj j m-Nm=nm+ikm lm m Nm+1=nm+1+ikm+Рис.1.1. Схема многослойной пленочной системы.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 20 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.