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 78 / 238 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 > Следующая >>>

аК

	J
40	/ У ^
40	-f-f

20	K - '
	K - '
	/ - ' • > X
*Л,%\|

80	I	і
	I	l
60	I	l
60	1	t
	1	t
	I	I
	•4t-	і
	•4t-
25	I	II
25	I
0J55		Л70
/?л%£?0	w
	і I

45	•: \\/ V-
25	•: \\/ V-
	ih /V / L

7 I

555	755	555			#00
		>
	9^	V		\	1 ^10
		1		\	•
			\\
Л /			V		і
		-	1 *		:
		-		\	:
	8			И	1
. /				И
ц XI				ї \	: i
	1			ї \	: i

300

500

600

700

800

900

1000 X,HM

WOOX.HM

Рис. III.2.	Спектральное отражение покрытий на поверхности стекла с максиму
мами в различных частях спектра (пв		= 2,20; пц=	1,45;	пвкв	= nfjhfj) при
различном	числе слоев, составляющих	покрытие:	а — 3	слоя;	б — 7 слоев;
	в —-11	слоев:

— nh

—

нм;

— nh

100

нм;

3 — nh

138

нж;

4 — nh — 250 нл»;

— nh

100

Н Л І ;

— nh

150

к л ;

— nh

— 250

н л ;

— nh

= 7Ъ нм; 9 — nh

180

я.и;

— nft =

250

можно получить для близкой ультрафиолетовой области с помо щью слоев высокого и низкого показателя преломления из веществ, прозрачных в этой области, например Т Ю 2 , H f 0 2 , Si0 2 - То же можно сказать и об отражателях для инфракрасной части спектра.

Сочетание высокого отражения, достигающего 95% и более на одном участке спектра, с высоким пропусканием того же порядка на другом дает возможность использовать интерференционные отра

жатели не только в качестве обычных	светоделительных	пластин,
НО И В качестве своеобразных	Т а б л и ц а III.2.	Зависимость

фильтров. Такие ДИХрОИЧе- С К И Є светоделители, УДОвлетворяющие соотношению

( I I I . 1), успешно применяются

максимальных значений коэффициента отражения и ширины полосы от разности показателей преломления слоев (пв — и я )

д л я Р я д а И-слойных покрытий

для	разделения				падающего								Ширина на поло вине ^max- %
белого света				на отраженный						с	и	ад
и проходящий,					окрашенные					1
								«1	• а;		та
в дополнительные					цвета, для						Е	<
								с	е	с				1
выделения			различных участ					2,5	1,45	1,05	99	0,34	0,44
ков спектра без потерь на
поглощение.								2,3	1,38	0,92	99	0,32	0,41
Коэффициент отражения и								2,2	1,45	0,75	98	0,26	0,37
ширина		полосы			с	высоким		2,1	1,45	0,65	97	0,23	0,33
отражением				при одинаковом
								2,0	1,45	0,55	94	0,20	0,31
числе слоев тем больше, чем
								1,9	1,45	0,45	90	0,16	0,27
больше		разница			в	показа
телях преломления. Ширину								1,8	1,45	0,35	81	0,14	0,23
полосы,		где		отражение ос				1,7	1,45	0,25	65	0,10	0,20
тается еще достаточно							высо	1,6	1,45	0,15	41	0,06	0,17
ким,	можно			определить			сле

дующим			путем.		Обозначив					Rm!iX,	через К0 (эталонная,
длину волны, соответствующую								значению
										Я. \
для	которой			слои имеют оптическую толщину -j- ), введем величину
g =		, пропорциональную частоте, где А, — длина волны края по

лосы рассматриваемой области, в которой отражение остается еще высоким. Можно характеризовать область высокого отражения по

обе стороны от %0 разностью		частот ±Ag,	а края		полосы высокого
отражения — соответственно значениям (1 +				Ag) и (1 — Ag). Теоре
тический	расчет показывает,	что разность	частот		зависит	только
от разности показателей преломления пв			и пн	и определяется		выра
жением	[90]
		• arcsin	н			(III.5)

откуда относительная ширина полосы с высоким коэффициентом отра жения составляет 2Ag. В табл. III.2 приведены значения 2Ag, а также ширина полосы, где отражение равно половине максимального Rx

(полуширина), выраженные в долях длины волны, для различного сочетания показателей преломления слоев пв и пн.

Из таблицы видно, что увеличить ширину полосы высокого отра жения можно путем увеличения разности показателей преломления чередующихся слоев. Уменьшая разность показателей преломления света, можно значительно уменьшить ширину (рис. III.3). На ри

сунке приведены только максимумы отражения 1-го порядка в обла сти 600 нм для чередующихся слоев оптической толщиной по 150 нм. Ширину области можно определить по данным табл. III . 2, приведен ным в общем виде (в долях К). Максимумы отражения более высоких порядков дадут соответственно более узкие полосы высокого отра жения.

В заключение необходимо отметить, что для многослойных покры тий из слоев равной оптической толщины характерно симметричное расположение и одинаковая высота побочных максимумов по обе стороны от основного. Это служит критерием одинаковой оптической толщины слоев, составляющих покрытие.

І2. ВОЗМОЖНОСТИ УМЕНЬШЕНИЯ ВЫСОТЫ ПОБОЧНЫХ МАКСИМУМОВ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ (СЛОИ НЕРАВНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ТОЛЩИНЫ)

Для описанных в п. 11 многослойных систем характерно периоди ческое изменение оптической толщины покрытия. Разность хода, или оптическая толщина одного периода, составляет

	X
nBhB	+ nHhH = -j,	(Ш.6)
при условии, что nBhB = nHhH	= - j

г.

ВО

			1	\
to			1	\\
to
	Г\ і	И1		\\
	Г\ і	И1		\\
20		\	1	\

/ л

О	500			600	700	А, нм
400
Рис. III.4. Зависимость		высоты		побочных максимумову'МОВ от
	значений		пв	и пц:
1 — п в — 1,70;	п н =	1,45;	2 — п в =		2,20; п и	— 1,95

Д ля спектральных кривых коэффициента отражения таких покры тий характерно наличие побочных максимумов отражения, число и высота которых растут по мере возрастания числа слоев (рис. I I I . 1

иIII.2).

Высота побочных максимумов у 9—11-слойных покрытий из слоев равной оптической толщины достигает 30—40%. Наличие высоких по бочных максимумов ухудшает чистоту спектрального разделения падающего света и ограничивает успешное использование многослой ных покрытий в качестве светофильтров и дихроических делителей светового пучка.

Высота побочных максимумов (рис. III.3), как и основного, зави сит не только от разности, но и от абсолютных значений показателей преломления чередующихся слоев (рис. III.4). Высота побочных мак симумов снижается, если использовать слои с низкими значениями показателей преломления и малой разницей пв и пн. Однако это приводит также к значительному уменьшению высоты и ширины

основного максимума (например, кривые 5 и 6, рис. Ш . З) . Чтобы сохранить высокое значение последнего, приходится увеличивать число слоев покрытия, что усложняет технологию нанесения слоев.

Значительного снижения высоты побочных максимумов можно достигнуть путем создания многослойных покрытий из чередующихся слоев неравной оптической толщины. Уже небольшая разница в опти ческой толщине слоев покрытия приводит к нарушению симметрии побочных максимумов. При этом увеличение оптической толщины слоев с высоким показателем преломления приводит к снижению высоты побочных максимумов в коротковолновой области. Увеличе ние оптической толщины слоев с низким показателем преломления снижает побочные максимумы в длинноволновой области спектра от носительно основного максимума. При использовании слоев неравной оптической толщины

nBhB

^ nHhH

должна

сохраняться

оптическая

толщина периода

nBhB

+ nHhH — —.

„

удовлетворить

этому

условию,

при отношении

nJiR

= X,

Чтобы

пнпн

оптические

толщины

отдельных слоев

периода должны быть

равны' _

П в Н в

2{х+\)

П н Н н

2 ( / + 1 ) •

Например,

для х = 2

nBhB — у ;

nHhH

= -g-.

Такое соотношение, когда nBhB

вдвое больше,

чем nHhH,

обеспе

чивает снижение побочных максимумов со стороны

коротковолновой

области относительно основного максимума с 30—40% до 10—12%

(кривая 2,	рис.	III.5).	Здесь оптические толщины слоев	nBhB	—.
= 200 нм\	nHhH	= 100	нм. Основной максимум расположен	в обла-
сти X = 600 нм. Обратное соотношение оптических толщин nRhR. ••• =					і
			пнпн		*

приведет к аналогичному снижению побочных максимумов со стороны длинноволновой области спектра (кривая /, рис. III.5). Следствием неравнотолщинности слоев является некоторое уменьше ние высоты и ширины полосы высокого отражения основного макси мума. Кроме того, если с одной стороны от основного максимума происходит снижение высоты побочных максимумов, то одновременно с другой стороны они заметно возрастают.

Для уменьшения высоты побочных максимумов можно пользо-

nJiR	118J, однако приведенные
ваться и другими отношениями д .	118J, однако приведенные
"нпн

выше схемы являются наиболее эффективными, а также удобными для практического воспроизведения.

Еще одна возможность снижения высоты побочных максимумов отражения заключается в нанесении на поверхность многослойного

покрытия, состоящего из слоев равной оптической Т О Л Щ И Н Ы

последнего слоя оптической толщиной - 5 - [18, 88]. Так, если на

300

500

700

300

400 Я, нм 1301}

Рис. III.5. Уменьшение высоты побочных максимумов при исполь зовании слоев неравной оптической толщины (пв = 2,20;

п„= 1,45):

/	-	= 2- 2 -	" B " g = 2
	" nBhB	'	nHhH

поверхность обычного 11-слойного покрытия из слоев оптической толщиной -jX- нанести дополнительный, двенадцатый слой -Xg-,

с низким показателем преломления, то наблюдается уменьшение вы соты побочных максимумов со стороны коротких волн при парал лельном росте их интенсивности со стороны длинных волн. Это равно сильно увеличению оптической толщины слоев с высоким показателем преломления и характеризуется спектральной кривой, близкой к кри вой 2, рис. III.5.

Для снижения высоты вторичных максимумов со стороны длинно волновой области необходимо, не изменяя числа слоев многослойного покрытия, уменьшить оптическую толщину первого и последнего

X X

слоев с высоким показателем преломления пв от-^- до -g- . Это равно-

сильно уменьшению оптической толщины слоев с более высоким пока зателем преломления, и характеризуется кривой очень близкой к кри вой /, рис. III . 5 . Несколько менее эффективным будет уменьшение оптической толщины только верхнего слоя nBhB на границе с возду хом до значения -|- без изменения толщины слоя на границе с под

ложкой. В обоих случаях не наблюдается значительного				изменения
характера основного максимума.
Необходимо заметить, что введение слоев 4г дает положительный
			о		состав-
результат только тогда, когда в оптических толщинах слоев,
				„	X
ляющих покрытие, нет заметных отступлении от значении					, ха-
хар актеризующих		основной	максимум.
Дихроические зеркала, получаемые с помощью многослойных
покрытий	из чередующихся		слоев неравной оптической	толщины,
а также	из слоев	равной оптической толщины с дополнительными

слоями оптической толщиной ~ , нашли успешное применение вразличных цветоделительных узлах телевизионных и других систем для передачи цветного изображения (п. 20).

13. УВЕЛИЧЕНИЕ И УМЕНЬШЕНИЕ ШИРИНЫ ОБЛАСТИ С ВЫСОКИМ ОТРАЖЕНИЕМ

Избирательный характер повышения отраженного света с по мощью многослойных интерференционных покрытий выгодно исполь зуется при создании дихроических зеркал. Однако значительно труд нее получить высокие значения коэффициента отражения в широкой области спектра.

Высокоотражающие ахроматические светоделители представляют значительный интерес из-за отсутствия потерь на поглощение. Это дает возможность полностью использовать как отраженный, так и оставшийся проходящий свет. На рис. III.6 показано распределение

падающего	пучка белого света на отраженный R и проходящий Т
с помощью	полупрозрачных металлических зеркал, пленок Sb2 S3

и пленок диэлектриков. Заштрихованная часть представляет потери на поглощение. Для интерференционного покрытия из слоев Т Ю 2 и S i 0 2 характерно отсутствие потерь на поглощение при использовании как обычного отражателя из трех чередующихся слоев (кривая а), так и ахроматизированного (кривая б), которое будет описано ниже.

В первом приближении, практически хорошо оправдываемом, спектральная характеристика света, прошедшего интерференционное покрытие, является дополнительной к характеристике отраженного, удовлетворяя для любой длины волны соотношению ( I I I . 1). Этого не наблюдается у тонких металлических покрытий, у которых имеют место большие потери света на поглощение. Кроме того, многослой ные интерференционные покрытия из стабильных окислов, таких, как двуокиси титана, тория, кремния и др., обычно обладают более высо-

кой химической устойчивостью по сравнению с широко применяемыми металлическими пленками серебра и алюминия.

Значения коэффициента отражения 10—20% в широкой области спектра можно получить нанесением на поверхность стекла или дру гой прозрачной подложки однослойных пленок более высокого пока зателя преломления, оптиче

ской .толщиной nh <

(кривая /, рис. III.7) или

слоев	оптической		толщиной
к
-j-,	при	сравнительно не
большой		разнице	показате
лей	преломления		подложки

и пленки (см.рис. П.2). Необ ходимо учитывать, что при увеличении разницы в пока зателях преломления подлож ки и пленки усиливается из бирательный характер отра женного света.

Максимальное значение коэффициента отражения от подложки стекла (п = 1,52)

соднослойной пленкой пв =

=2,20-4-2,25 составляет 27—

30%. Однако не всегда мож но пренебрегать указанной спектральной зависимостью. Это вызывает необходимость ахроматизации покрытий, что требует нанесения более сло жных покрытий с большим числом слоев.

Равномерного отражения порядка 30% в любой обла сти спектра можно достиг нуть с помощью двух слоев, из которых первый с низким

750 т

Рис. III.6. Спектральное разделение свето вого пучка на отраженный и проходящий с помощью металлических и диэлектриче ских покрытий

показателем преломления, оптической толщиной 4 наносится на

подложку; второй слои такой же оптической толщины, но с высоким показателем преломления граничите воздухом (кривая 2, рис. III.7). Здесь К — длина волны средней части выбранной области.

С помощью четырех слоев [19, 84] оптической толщиной - j - можно получить покрытия, равномерно отражающие до 50% падаю щего света в спектральной области шириной порядка у . Структура

такого ахроматического светоделителя отличается от обычного трех-

слойного отражателя ВНВ также из слоев по	X
	(кривая 3, рис. III.2)

тем,что на границе с подложкой вводится четвертый, переходный слой с показателем преломления, имеющим промежуточное значение между

пв	и пП0дЛ, иначе говоря
	п В ^> п п ^> пподл	^> nHi
где	пп — показатель преломления	переходного слоя. Покрытие,

состоящее

из четырех слоев, значительно расширяет область с В Ы С О

ТУ»

/ 1A

—

- —

y1_

400

500

600

700 А,нм

Рис.

III.7.

Спектральные характеристики покрытий, равномерно отражающих

видимую

область

спектра:

1 — о д н о с л о й н а я п л е н к а

n^hg

< — ;

2 — д в у х с л о й н а я

пленка

Пд =

2,20;

п ^ = 1 , 4 5 .

nRhа

В~

130

нм;

3 — ч е т ы р е х с л о й н а я пленка

« 6

1,8;

2 , 2 0 ;

" з

= 1 , 4 5 ;

— 1 5 - с л о й н о е ' п о к р ы т и е

и з слоев tig

2,30;

nh =

135 нм;

1,35; 5

— 2 5 - с л о й н о е по

крытие и з слоев

== 2,20;

— 1,45, оптическая

т о л щ и н а которых

м о н о т о н н о

в о з р а с т а е т

от

100 д о 200

нм

ким отражением. Действие переходного слоя аналогично тому, что мы наблюдаем при трехслойном ахроматическом просветлении. При зна чениях пв = 2,20 и пн = 1,45 показатель преломления переходного слоя имеет значение порядка 1,7—1,8 (кривая 3, рис. III.7). При ис пользовании покрытий из слоев иного показателя преломления необходимо подобрать соответствующий .показатель преломления переходного слоя [84].

Чем больше разница в показателях преломления чередующихся слоев, иначе говоря, чем выше значения пв и ниже значения пн, тем шире область с высоким коэффициентом отражения. Однако практи ческие возможности получения слоев с необходимой большей разни цей показателей преломления ограничены.

Задача получения высоких значений коэффициента отражения порядка 80—90% и выше в широкой области спектра достаточно сложна как теоретически, так и практически. Уже первые попытки решения этого вопроса заставили отказаться от использования пар-

„

ных слоев по — и перейти к покрытиям из слоев неравной оптиче ской толщины. Из найденных полуэмпирическим путем решений [87]

наиболее удачное иллюстрирует кривая 4, рис. III.7. Покрытие со* стоит из 15 чередующихся слоев с показателями преломления пв —

— 2,30 и % = 1,35 и отражает более 90% в видимой части спектра. Оптические толщины 15 слоев разные и, как показал расчет, изме няются в направлении от подложки к границе с воздухом так, что

	X
последовательно составляют значения равные	для следующего

ряда длин волн; 690,8; 690,8; 690,8; 666,7; 575,7; 701,3; 626,2; 517; 520,5; 463,7; 463,7; 434,8; 414; 414; 414 нм. Нечетные слои имеют высокий показатель преломления, четные — низкий. Эксперимен тальное воспроизведение этой системы с помощью слоев ZnS и MgF2 , полученных испарением в вакууме, подтвердило результаты расчета. Соотношение показателей преломления и толщины слоев должно быть достаточно строго выдержано. Использование слоев с более низким значением пв (например, 2,2 или 2,0) и более высоким пн (например, 1,45) уже дает менее равномерное и более низкое отражение в указан ной области.

Дальнейшие исследования показали, что покрытия, дающие высокие значения коэффициента отражения в широкой области спек тра можно получить путем нанесения большого числа чередующихся слоев, оптическая толщина которых медленно убывает или возрастает от границы раздела со стеклом к границе раздела с воздухом. Харак тер изменения толщины выражается арифметической или геометриче ской прогрессией. При достаточно большом числе слоев существенной разницы в равномерности спектрального отражения в зависимости от направления изменения толщины слоев не наблюдается. Так, напри мер, равномерное отражение можно получить в более широкой обла сти спектра, если последовательно изменять фазовую толщину слоев на 5°. Это вызовет плавное изменение (рост или уменьшение) их опти ческой толщины на 50—100 нм в области 200—400 нм и на 100—200 нм в видимой. Кривая 5, рис. 111.7, характеризует такое покрытие на поверхности стекла. Оно содержит около 25 слоев с показателями преломления пв = 2,20 и пн — 1,45 (результат расчета). Нанесение таких покрытий пока еще сложно осуществляется практически. Контроль толщины слоев в процессе их нанесения при необходимости тонкой регулировки толщины мало доступен [20, 89], а случайные ошибки в отдельных слоях оказывают заметное влияние на характе ристики покрытий.

Теоретически, при нанесении соответствующего большого числа слоев с плавным изменением оптической толщины, можно получить высокое отражение в спектральной области любой ширины, однако, как всегда, нанесение очень большого числа слоев встречает техноло гические затруднения.

Один из наиболее удачных методов расширения полосы высокого

отражения состоит в нанесении двух-трех многослойных		систем на
А/	' К" К'"
одну подложку. Системы состоят из слоев -j-,	—	и каждая

система характеризуется своим максимумом отражения для длин волн К', К", Г .

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 78 / 238 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ