книги из ГПНТБ / Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. Оптические свойства и методы исследования

Т. Н. КРЫЛОВА

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ

ПОКРЫТИЯ

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

КОНТРОЛЬНЫЙ

O i v o C i / i i !,., ./ii->

ЛЕНИНГРАД «МАШИНОСТРОЕНИЕ»

ПРЕДИСЛОВИЕ

Тонкие прозрачные покрытия получают все более широкое при­ менение в различных отраслях науки и техники. В настоящее время фактически появился новый раздел оптики тонких пленок, а интер­ ференционные покрытия составляют специальную отрасль оптиче­ ского приборостроения.

Несмотря на широкое практическое использование тонких по­ крытий, по вопросам их оптических свойств в отечественной лите­ ратуре имеются монографии [3, 82], содержащие сведения, отно­ сящиеся только к периоду до 1958 г. В последнее время появились

кованных в периодической литературе по оптике. Тем не менее вопросы оптических и, в частности, спектральных свойств интер­ ференционных систем, состоящих из тонких слоев, освещены недо­ статочно. Отсутствие этих сведений часто приводит к неполному и даже неправильному использованию тех возможностей, которые присущи тонкослойным покрытиям.

В предлагаемой монографии обобщены материалы, собранные в результате многолетнего творческого содружества работников исследовательских лабораторий и промышленности. Здесь, в отличие от других изданий, в доступном изложении дано описание спек­ тральных особенностей и других характерных оптических свойств одно- и многослойных покрытий, показано изменение характеристик в зависимости от показателей преломления, толщины и числа слоев. Приведено большое число примеров расчета, экспериментального воспроизведения и исследования оптических свойств различных многослойных систем. Значительный интерес представляет рассмо­ тренный в книге вопрос зависимости спектрального отражения от поверхности стекла с пленкой при различных углах падения.

Книга может служить руководством при ознакомлении и выборе прозрачных покрытий, что позволит существенно улучшить качество оптических приборов, расширить их возможности и область при­

И. Ф. Бохонской и И. В. Егоренковой за предоставленные материалы,

ВВЕДЕНИЕ

Оптика тонких слоев — новая часть прикладной оптики, полу­ чившая быстрое развитие за последние 20—25 лет. Стимулом к этому послужило успешное практическое использование явлений интер­ ференции и поляризации света в тонких прозрачных слоях, что коренным образом изменяет оптические и другие свойства поверх­ ности стекла или иной оптической среды.

Путем чередования пленок необходимой оптической толщины с высоким и низким показателями преломления на поверхности стекла создаются различные интерференционные системы:

а) значительно уменьшающие отражение света в узкой или ши­

в) выделяющие узкую спектральную область монохроматиче­ ского света — интерференционные светофильтры (п. 28);

г) дающие пучок прямолинейно поляризованного света с высо­ кой степенью поляризации (п. 21) и др.

Образующаяся на поверхности раздела двух соприкасающихся сред пленка по своим физическим, химическим и другим свойствам может заметно отличаться от остальной массы вещества. Она может быть результатом взаимодействия поверхности твердого тела с окру­ жающей активной средой и может быть создана искусственно путем нанесения слоя инородного вещества.

Искусственное создание поверхностного слоя твердого вещества на твердой подложке возможно различными методами, из которых наиболее распространены:

1) термическое испарение в вакууме;

2)катодное распыление;

3)нанесение из растворов легко гидролизующихся соединений. Разнообразные интерференционные покрытия, характеристики

которых приведены в книге, воспроизводятся с помощью любого из указанных методов. Поэтому собранный материал представляет общий интерес, независимо от метода нанесения покрытий. Однако следует отметить, что многие из описанных систем получены нане­ сением из растворов (п. 23), о чем имеются соответствующие ссылки на литературные источники.

Простой и оригинальный способ нанесения прозрачных пленок диэлектриков из растворов был разработан акад. И. В. Гре­ бенщиковым [3] и его школой в результате многолетних исследова-

ний химической устойчивости оптического стекла. Основным преиму­ ществом покрытий, полученных из растворов, является их устой­ чивость, позволяющая использовать их в достаточно жестких усло­ виях. Простота технологического процесса нанесения покрытий обеспечила методу широкое применение в оптической промышлен­ ности.

Часть приведенных данных представляет собой результаты рас­ чета, получившего в большинстве случаев экспериментальное под­ тверждение.

Для выполнения расчетов оптических свойств покрытий, необ­ ходимых при разработке различных одно- и многослойных систем, использован рекуррентный метод, разработанный и рекомендован­

устройств. Многие из приведенных графиков получены с помощью ЭВМ.

Основу методов определения оптических свойств разнообразных покрытий составляют явления интерференции и поляризации в тон­ ких пленках, которые практически можно разделить на две группы: спектрофотометрические и эллипсометрические. Эти методы не только обеспечивают возможность контроля оптической толщины и пока­ зателя преломления пленок, но дают возможность оценить их одно­ родность, потери на поглощение и другие свойства, присущие реаль­ ным пленкам, обладающим различной структурой.

Г Л А В А I

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА В ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛЕНКЕ

1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА В ПРОЗРАЧНЫХ СРЕДАХ [1, 2]

Основой классической оптики служит электромагнитная теория, согласно которой световой поток представляет собой ряд попереч­ ных колебаний — электромагнитных волн, распространяющихся в пустоте со скоростью с = 3-101 0 см/сек = 300 ООО км/сек. В про­ зрачном веществе, оптически более плотном, свет распространяется медленнее, чем в веществе оптически менее плотном. Отношение скорости распространения света в пустоте к скорости распростране­ ния в среде носит название абсолютного коэффициента или пока­ зателя преломления п:

веществ относительно воздуха, что не представляет большой ошибки. Если в двух средах свет распространяется со скоростями у 2 и v2,

Показатели преломления двух веществ обратно пропорциональны скоростям распространения в них света.

При падении света на поверхность раздела двух прозрачных сред наблюдается отражение света обратно в первую среду и прелом­ ление света во вторую среду, определяемые следующими закономер­ ностями (рис. 1.1).

1. Лучи отраженный (R) и преломленный (Т) расположены в одной плоскости с лучом падающим (/) и нормалью к поверхности,

3. Отношение синусов углов падения и преломления — величина постоянная для данных веществ и равна их относительному пока­

синус угла, образованного лучом с нормалью к поверхности, остается

Если показатели преломления первой и последней сред одинаковы

При переходе света из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную луч приближается к нормали. При обрат­ ном переходе — луч удаляется от нормали.

Распространение электромагнитных волн наглядно можно по­ казать графически на примере распространения гармонического колебательного движения (рис. 1.3, а). Рассмотрим прямцлинейное гармоническое колебательное движение. Отрезок длиной А равно­ мерно вращается вокруг точки О, и его конец описывает окруж­ ность с радиусом А.

За единицу времени отрезок А поворачивается на угол со, харак­ теризующий угловую скорость. За время t он поворачивается на

Отрезок А совершает полный оборот вокруг точки О за время Г , называемое периодом колебания. Конец его описывает окружность,

а сам он за время Т совершает полный оборот на угол 2я = 360°, откуда

При вращении отрезка А вокруг точки О его проекция на диаметр изменяется по закону

Рис. 1.3. Гармоническое колебательное движение: а — схематическое изображение; б — распространение электромагнитной волны

что называется гармоническим колебательным движением (рис. 1.3, б). Угол

колебание. Если колебание распространяется от некоторого источ­