Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

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

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

25.10.2023

Размер:

12.31 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 / 2312 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 > Следующая >>>

Для правильного использования многослойных покрытий на

поверхности стекла в качестве свето- и цветоделительных			зеркал
в разнообразных оптических	схемах	необходимо знать спектральное
		p i p
распределение отраженного	неполяризованного света —s~*		• при
различных углах падения.
Зависимость интенсивностей Rs-		и /^-составляющих для	поверх
ности стекла с одно-, трех-, пяти- и одиннадцатислойной			пленкой
для углов падения 45, 60 и 70°, приведенная на рис. IV.5—IV.8,
дает представление о характере изменения спектрального отражения

неполяризованного света. Эти характеристики должны учитываться при конструировании различных цветоделительных схем, где интер

ференционные	дихроические		зеркала располагаются		под	углом
к падающему световому		пучку.
Интересно	заметить,	что	отражение	неполяризованного		света
от поверхности с однослойной пленкой				более высокого	показателя
преломления,	чем подложка		(рис. IV.5),	возрастает по мере		увели

чения угла падения. Если при падении света по нормали поверхность^

с однослойной пленкой п2 = 2,20	отражает в максимуме около 27%,
то при увеличении угла падения	до 45, 60 и 70° отражение	n i p
		2
соответственно возрастает до значений порядка 28, 29 и 33%.		Пленка

с показателем преломления п2 = 2,35 отражает в максимуме при падении света по нормали порядка 32%, а при увеличении угла падения до 60 и 70° отражение увеличивается до 33 и 37%. Такое возрастание коэффициента отражения неполяризованного света с уве

личением угла падения наблюдается	только	у	однослойной пленки
и не наблюдается у многослойных покрытий		из	чередующихся слоев
высокого и низкого показателей преломления.
Как видно из рис. IV.6 (кривые	спектрального			отражения

, при отражении света от поверхности с трехслойной пленкой

споказателями преломления слоев 2,20 и 1,45 значение — — —

закономерно уменьшается и при угле падения Фі = 70° максимум расширяется, отражение становится более равномерным по спектру. Такое изменение формы кривой является следствием поляризации и различного сдвига экстремумов s- и /^-составляющих при углах падения, приближающихся к углу Брюстера.

Аналогичные изменения спектрального отражения неполяризо ванного света, наблюдаемые у 5 и 11-слойных покрытий, показаны

D I D

на рис. IV.7 и IV. 14. В первом случае отражение — ^ р в макси муме, равное 79% при угле падения ф х = 0, снижается до 75, 68 и 59% при возрастании угла падения до 45, 60 и 70°. При этом про исходит изменение ширины полосы на половине отражения в макси муме. Так, при увеличении угла падения от 0 до 45° ширина полосы пятислойного светоделителя уменьшается на величину порядка 15 нм.

При 60 и 70° спектральная кривая искажается, и трудно	говорить
о ее ширине на половине максимума.
Изменение спектрального отражения у 11-слойного	покрытия

также проявляется в снижении основного максимума с 98—99% до 96, 93 и 85% при возрастании угла падения до 45, 60 и 70°. Здесь также можно наблюдать изменение формы спектральной кривой при увеличении угла падения в области 60—70°. У ахроматических по крытий спектральное отражение неполяризованного света мало из

меняется с изменением			угла падения.
/?*.%
too
			/Ґ		\	\
			/Ґ		\\	1
			/Г ч	\ \\	\\	1	\
			AN-60			\
60	/ /				\	\	\
60							\
							і
40	/1					W
40	j	1
	j	1
20 Л	Ґ\ї\
20 Л	•Jvl		'			W		\
	л и / '					I		\
	/Г	\\JI	\
W0			500		600	700		А,нм
Рис. IV. 14.	Отражение неполяризованного света							s 1 — ? от
поверхности		11-слойнЬго светоделителя при						различных
			углах	падения

Приведенные графики и анализ зависимости спектрального отра жения неполяризованного света для поверхности стекла с много слойной пленкой показывают, что практически при углах падения

	D I D
света меньше 40—45° форма спектральной кривой	s ^ р изме

няется незначительно. В основном имеет место сдвиг кривой в направ лении коротковолновой части спектра, вызванный изменением эффек тивной толщины пленок, и некоторое снижение максимума, как результат уменьшения интенсивности р-составляющей по мере возра стания угла падения. Однако при этом, как уже было отмечено выше, наблюдается также некоторое сужение области высокого отражения. Причиной этого явления служит различное смещение длинноволновой и коротковолновой границ области, положение которых определяется

t3	Т а б л и ц а IV.4. Изменение экстремальных значений коэффициента отражения —2_JI—— при возрастании угла

падения ф, для ряда одно- и многослойных покрытий на границе с воздухом (чередующиеся слои с показателями преломления 2,20 и 1,45 на подложке п = 1,52)

		П р о с в е т л я ю щ и е п о к р ы т и я				П о к р ы т и я		п о в ы ш а ю щ и е		о т р а ж е н и е ,		с	число м	с л о е в
		с число м	с л о е в			П о к р ы т и я		п о в ы ш а ю щ и е		о т р а ж е н и е ,		с	число м	с л о е в
		с число м	с л о е в
Ф,, град		1	2		і		з			5			п		15
	X, нм	я. %	X, нм	Я , %	X, нм	R. %	X, нм	Л . %	X, нм	Я . %	X,	нм	R, %	X, нм	R, %
0	600	2,59	600	0,02	600	27,25	600	57,75	600	78,87	600		98,07	600	99,63
15	580	2,59	580	0,03	600	27,25	590	57,73			590		98,06	590	99,63
30	565	2,72	560	0,07	580	27,32	580	57,34	570	78,19	570		97,81	570	99,55
40	540	3,07	535	0,22	570	27,51			560	76,77				560	99,34
45	520	3,46	520	0,41	570	27,70	550	55,67	550	75,40	550		96,62	550	99,14
50			510	0,77	560	28,01			540	73,61	540		95,74
60	480	6,97 .	480	2,61	550	29,33	520	47,28	520	67,85	520		89,65	520	97,43
70	460	• 14,79	460	8,56	540	33,06	510	46,05	495	59,05	500		85,64

различными длинами волн. Так, например, у пятислойного покрытия с максимумом отражения в области 600 нм при отражении по нор мали (рис. IV.7) ордината, где отражение составляет 50%, соответ ствует у правой ветви длине волны 750 нм, а у левой —500 нм. При угле падения q>t = 45° обе ветви смещаются различно: правая ветвь смещается в область 685—690 нм, левая — в область 460 нм, что приводит к уменьшению ширины области на величину порядка 20 нм. Аналогичное явление можно видеть и у 11-слойного покры тия (рис. IV. 14).

При расчете смещения необходимо учитывать показатели прелом ления и оптические толщины чередующихся слоев. В случае чередо вания парных слоев равной оптической толщины при числе слоев пять, семь и более смещение определяется в основном парой, состав ляющей период. Так, у 5 и 11-слойных покрытий смещение будет одного порядка. У трехслойного отражателя, где два слоя имеют высокий показатель преломления, смещение будет несколько мень шим. У покрытий из слоев неравной оптической толщины необхо димо учитывать зависимость смещения кривой от толщины слоев.

При углах падения, превышающих 45—50°, наблюдается значи

тельное	изменение			спектрального		отражения неполяризованного
p	i n
света -	2	Р	> вызванного явлениями поляризации. Это происходит
главным	образом за счет резкого уменьшения значения Rp							по мере
приближения			к углу Брюстера (см. рис. IV.7—IV.9). Изменения
характера		кривых		настолько	значительны,		что термин	«ширина
полосы»	высокого			отражения	на	половине	максимального	теряет
смысл.

В табл. IV.4 показана величина смещения экстремума некоторых однослойных и многослойных покрытий как снижающих, так и повы шающих отражение. В основном покрытия состоят из слоев равной оптической толщины с показателями преломления 2,20 и 1,45. При использовании этих данных, однако, необходимо учитывать возмож


ные значительные	изменения	формы спектральных	кривых.
				Г Л А В А V
	ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА,		ОТРАЖЕННОГО
	ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ			ПЛЕНКОЙ,
		ВКЛЕЕННОЙ		В СТЕКЛО
		19. СВЕТОДЕЛИТЕЛЬНЫЕ			ПРИЗМЫ
		С ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫМИ			СЛОЯМИ
Непоглощающие	покрытия	на поверхности стекла		используются

в качестве эффективных светоделительных пластин. Простейшим де лителем светового пучка может быть обычная стеклянная пластина, стоящая под углом 45°, которая в зависимости от показателя

8 Т . Н . К р ы л о в а

113

преломления стекла отражает от каждой стороны 4—8% падающего света. Но вследствие конечной толщины пластины, всегда появляется второе изображение, несколько смещенное относительно первого, как результат отражения от второй поверхности.

Как уже было показано в гл. I I I и IV, путем нанесения различ ных покрытий можно значительно повысить отражение от одной сто роны пластины, однако при отражении света под углом, даже при

просветлении обратной стороны, невозможно полностью убрать

блик

от

второй

поверхности.

Поэтому,

качестве светоделительных

систем,

для разделения падающего света на

отраженный

проходящий,

исполь

зуют светоделительные кубики, скле

енные из двух прямоугольных

равно

го

бедренных призм, между гипотенуз-

ными

гранями

которых

вклеена

прозрачная

интерференционная

или

х >

металлическая

пленка.

Этим

дости

гается уничтожение

появления

бли

ка.

Из-за

отсутствия

поглощения

интерференционные

покрытия

обла

^ Х

дают

более

высоким

коэффициентом

полезного действия (рис. I I 1.6), чем

металлические.

100

Вклеенная

кубик

интерферен

1,7 п.

ционная пленка с двух

сторон

огра

ничена средой, показатель

преломле

Рис. V. 1. Изменение,коэффициентов

ния

которой

выше,

чем у воздуха.

отражения R

(и

пропускания

Т)

Вследствие этого

изменяется

соотно

светоделительных

призм из стекла

шение углов, условия

поляризации,

(п3) с вклеенными

пленками

раз

ного показателя

преломления

значения коэффициентов

отражения

их

спектральная

зависимость.

График

рис. V . I составлен

для однослойных

пленок,

вклеенных

в стеклянный кубик из стекол различного показателя

преломления.

График аналогичен приведенному на рис. П.З для пленок,

отражаю

щих свет на границе с воздухом. Угол падения света на пленку ра

вен ;45°. Оптическая			толщина	пленки	составляет четверть длины
волны в направлении распространения луча						в пленке [27]:
				4 cos ф2	'
где ф 2	— угол	преломления света в пленке				при падении света под
углом	45° (п.	16).
Из	рис. V . I видно,		что,, если	пленка	с показателем преломления

2,20 на границе с воздухом отражает 27—28%, то на границе со стеклом с показателем 1,52 отражение при угле падения 45° сни зится до 15—16%. Оно закономерно снижается при возрастании пока зателя преломления призмы.

При возрастании угла падения		смещение	спектральной	кривой
в направлении	коротковолновой	области	значительно	больше
у пленки на границе со стеклом (рис.		V.2), чем на границе с воздухом
(рис. IV.5), что	вытекает из закона	преломления света на		границе

двух сред различного показателя преломления. Так, на границе с воз духом при увеличении угла падения света от 0 до 45° положение

максимума

отражения

(пленки

оптической

толщиной

150 нм

показателем

преломления

2,20), сместится

на

величину

порядка

т- —

ВО

70°

•"770°

/60°

40 &—

55°24'

/ U 5 °

60"

45"

400

500

600

700

Я, нм

Рис.

V.2.

Спектральное

отражение

(—

- - )

6т однослойной

пленки «а =

2,20,

вкле-

;

енной

в стекло ( я 3 =

1,52), при

различных углах

паде

ния

(ягЛг = 150 нм)

нм.

На

границе

со

стеклом,

имеющим

показатель

преломления

около

1,52,

максимум сместится

на 80

нм

при изменении угла паде

ния в тех же пределах [26]. Для других значений показателя пре ломления стекла или пленки коэффициенты отражения соответст венно изменятся (рис. V. 1).

D	I	D
Отражение неполяризованного света	s	^—— для трех- и пяти-

слойных покрытий из чередующихся слоев с показателями преломле ния 2,20 и 1,45 показано на рис. V.3. Оптическая толщина слоев равна 150 нм для луча, падающего по нормали. Кривые характери зуют отражение при падении света под углом 45°. Многослойные системы вклеены в призмы из стекла с показателем преломления 1,52.

Данные, приведенные на рис. V.I—V.3, показывают возможность использования в качестве светоделительных систем как однотак и многослойных покрытий, вклеенных в стеклянные кубики. Послед ние, как правило, изготовляются из обычных оптических стекол,

115

показатель преломления которых близок к выбранному 1,52. При веденные данные позволяют оценить практические возможности изготовления светоделительных призм с различным отношением ин-

тенсивностей отраженного и проходящего света R : Т					[27]. Одно
слойная пленка с показателем				преломления 2,20—2,30,	вклеенная
в стекло, отражает около 15%				падающего света, осуществляя деле
ние	пучка с	примерным отношением интенсивностей R			: Т равным
1 :	6.
	ft	8	RS +Rpл о/
	ібО		1

			700	Х,нм
Рис. V.3. Спектральное отражение от трехслойных				(-	-)
и пятислойных (	)	пленок,	вклеенных в	стекло
при	угле	падения	45°

Двухслойная пленка (кривая 2, рис. III.7), вклеенная в стек лянный кубик, как показывает кривая / рис. V.4, отражает около 20% падающего света и соответственно пропускает 80%. Такой кубик осуществляет разделение падающего пучка света с отношением интен сивностей і? : Т = 1 : 4. Поскольку двухслойная пленка, характе ризуемая кривой / (рис. V.4), вклеена в стекло, то оптические тол щины слоев должны быть равны -|- в направлении распространения


луча	(ф =	45°],		что	соответствует	значениям ( n / i ) 2 i 2 0 = 160 нм
и ( я п ) Ь 4 5 =		208		нм.		а) из слоев с показателями	пре
Трехслойная				пленка (рис. III.2,
ломления 2,20			и 1,45,		вклеенная в стеклянный кубик, отражает		35—
40%	(рис. V.3)		в широкой части видимой области спектра. Это дает

возможность разделить световой поток с отношением интенсивно стей R : Т равным 2 : 3.

Разделение падающего света на два пучка примерно равной интен сивности (1 : 1) можно осуществить с помощью кубика с заклеенной пятислойной пленкой (рис. V.3).

Дальнейшее увеличение числа слоев пленки, вклеенной в призму, при падении света под углом 45°, не дает существенного увеличения

коэффициента

отражения.

Из рис. V.2 и V.3 видно,

fQ,MT^^

что по мере возрастания

чис

? Г

ла

слоев

усиливается

спек

тральная

селективность

раз

деления

отраженного

про

.20

ходящего

пучков света. Не

которого

улучшения

(ахро-

матизации) можно достигнуть

500

600

Л,нм

путем увеличения

показателя

too

Рис. V.4. Характеристики светоделительных

преломления

стекла

призмы.

Кривая

3 рис. V.4. характе

кубиков:

ризует

пятислойную

систему

— д в у х с л о й н а я

пленка R

: Т »

- І (стекло

п =

из

слоев

оптической

толщи

1,52);

2 — а х р о м а т и з и р о в а н н о е

покрытие

( к р и

ной

138

нм

в направлении

вая R^)',

— п я т и с л о й н а я

пленка

/ ) : Т г

1 : 1

распространения луча в плен

(стекло п =

1,52);

4 — то

ж е (стекло

я =

1,75);

— а х р о м а т и з и р о в а н н о е покрытие

(эксперимент,

ках, вклеенную в призму из

кривая

стекла

показателем

пре

ломления

1,52.

Кривая

показывает

экспериментально

получен

ную светоделительную призму

из стекла с показателем

преломления

1,75 с вклеенной

пятислойной

пленкой

того

же состава. Сравнение

кривых

3 и

показывает

преимущества

использования

призмы

высокого показателя преломления для ахроматизации светоделителя. Ахроматизация светоделительного

60 |

800

900

W00

Х,нМ K v f i икя

м п ж о т

Л и т ь

тяіг-ікр

П П Р Т И Г .

нута

нанесением на

гипотенузные

грани обеих призм двух пятислой-

ных

покрытий

со смещенными мак

20200

симумами отражения. Так, например

250

300

350

Х,нм (рис. V.4), максимум

у покрытий на

Рис. V.5. Кривые, характеризую

одной призме находится

области

щие спектральное отражение свето

400

нм,

а на

Другой — в

области

делительных

кубиков для ультра

600

нм.

Кривая

2 рис. V.4 характе

фиолетовой

(/)

и близкой

инфра

ризует

спектральное

отражение та

красной

(//)

областей спектра

кого

ахроматизированного

кубика.

Кривая

5 (дополнительная

к кривой

отражения) дает результат измерения светопропускания эксперимен тально полученного кубика с пятислойными покрытиями из слоев двуокиси титана и двуокиси кремния. Однако такая система разде ления падающего света может привести к двоению изображения и не всегда пригодна для использования.

Светоделительный кубик, отражающий примерно 35%, с равно мерным разделением падающего пучка по спектру можно получить,

вклеив четырехслойное покрытие,	характеризуемое кривой 3
рис. I I 1.7. Оптические толщины слоев должны быть		соответственно
рассчитаны на угол падения в стекле.
Аналогичные светоразделяющие	системы можно	изготовить для

инфракрасной и близкой ультрафиолетовой областей спектра, исполь


зовав соответствующие вещества, прозрачные в указанных					областях
спектра, подобрав		необходимую оптическую толщину и число слоев.
На рис. V.5 показано спектральное отражение двух					делителей
излучения	[27, 50]: / — для близкой ультрафиолетовой				области;
/ / — для близкой		инфракрасной области. Система / состоит из двух
призм плавленого		кварца, разделенных пятислойным		покрытием
из слоев двуокиси		тория	и двуокиси кремния и склеенных клеем,
прозрачным	в выбранной		области спектра. Система / /	состоит из

двух призм оптического стекла с пятислойным покрытием из слоев двуокиси титана и двуокиси кремния, склеенных любым оптиче ским клеем (бальзам, бальзамин и др.).

Интерференционные покрытия, вклеенные в стеклянные призмы, являются эффективными светоделительными устройствами, обеспе чивающими большой выход света. Вместе с тем, они не лишены неко торых недостатков. Помимо селективности светоделения, вклеенные интерференционные покрытия дают пучок отраженного света, поля ризация которого может быть значительно выше, чем при отражении на границе раздела стекло — воздух (гл. IV). Вклейка в стеклянную призму создает условия для усиления поляризации, и при исполь зовании описанных светоделительных призм необходимо учитывать указанные особенности при эксплуатации этих систем.

20. УСЛОВИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЙ СТЕПЕНИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Степень поляризации света, отраженного под углом от поверх ности с интерференционной пленкой, при соблюдении определенных требований и вклейке в стеклянную призму может быть значительно увеличена.

Формулы Френеля показывают, что при возрастании угла паде ния света на пленку ц>х или показателя преломления окружающей среды пх амплитуда параллельной составляющей гр уменьшается и при угле полной поляризации становится равной нулю. В резуль тате в системе с интерференционной пленкой составляющая светового вектора, параллельная плоскости падения, пройдет через систему без потерь на отражение. Эти условия практически осуществляются

при	вклейке интерференционной пленки в стеклянную призму
(рис.	V.2 и V.3).

По мере возрастания угла падения Rs быстро растет, Rp — убы вает. В пределах углов падения 50—60° значение Rp не превышает 0,1—0,3% (на рис. V.2 Rp не приводится). Вследствие этого степень поляризации AR в этих условиях высока и приближается в области 400—750 нм к 99%.

Для угла падения света на пленку, равного 45°, значение Rs составляет 32—33% при £?р «=*Зч-4%. Такая однослойная пленка, вклеенная в стекло, отражает около 16% прямолинейно поляризо

ванного

света

при

степени

поляризации

75—80%.

При

угле

падения

60° и со

Т а б л и ц а

V. 1.

Углы Брюстера фв

блюдении

условий

(IV.20)

для

систем из чередующихся

слоев

(IV.27)

интенсивность

соста

с показателями преломления п2 и п3,

вляет около 47%. Иначе гово

вклеенных

в призмы

с показателями

ря,

до

25%

падающего

свето

преломления пх

вого

потока

отражается

в виде

п2 — 2,2;

прямолинейно

поляризованно

"г =

2,3;

п 2

2,0;

п3

1,4

«з =

1,45

п3

— 1,45

го. Спектральный

состав отра

женного света близок к приве

1,46

55° 05'

56° 05'

53° 40'

денному на рис. V.2, характе

ризуемому кривой для Rs при

1,52

51° 55'

52° 45'

50° 30'

60°. Из рисунка

видно,

что од

1,57

49° 45'

50° 30'

48° 25'

нослойная

пленка

высоким

1,62

47° 35'

48° 20'

46° 30'

показателем преломления, вкле

1,73

43°

50'

44°

20'

42°

50'

енная

стеклянную

призму,

1,75

43°

10'

43°

50'

42°

10'

обеспечивает

получение степени

поляризации

интенсив

ности

отраженного

поляризо

ванного света Rs,

практически не

зависящих

от длины

волны во

всем

интервале

выбранной области спектра (см. рис. V.2). Кривыми

на рис. V.3 показаны

интенсивности спектрального

отражения

Rs и

для трех-

и пятислойных

пленок

из тех же чередующихся слоев

	Л,	нм
Рис. V.6. Спектральное отражение Rs	и ^ р для 11-слойной плен
ки, вклеенной в стекло, вблизи угла	Брюстера, равного	52° 45':
- Я.	-г?

с показателями преломления 2,20 и 1,45. Угол падения света на

систему слоев	равен	45°. Оптическая толщина слоев — 150 нм
при падении света по нормали.
Как и на границе с воздухом, у многослойной системы, вклеенной
в стеклянную	призму,	по мере возрастания угла падения Rs быстро

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 / 2312 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ