6.2. Тонкослойные оптические покрытия

6.2.1. Просветляющие покрытия для видимой и инфракрасной областей спектра.

В настоящее время для линз и окон почти всех оптических приборов, работающих в видимой и инфракрасной областях спектра, используются просветляющие покрытия [11,12]. Просветление поверхностей элементов оптических систем используются по двум причинам. Во-первых, если оптическая система состоит из элементов с высокими показателями преломления и если количество элементов велико, потери света из-за отражений могут стать недопустимо большими. Во-вторых, в плоскость изображения попадает свет, претерпевший многократные отражения от поверхностей элементов, что приводит к уменьшению контраста и четкости изображения.

На рис.6.1. приведена система обозначений, принятая для показателя преломления и коэффициентов отражения Френеля. Показатели преломления окружающей среды и подложки обозначены через n₀ иn_s соответственно, а слои нумеруются по порядку от наружного слоя к подложке.

Рис. 6.1. Обозначения, принятые для коэффициентов Френеля r и показателей преломления n.

Для однослойных просветляющих покрытий с оптической толщиной, равной , условием отсутствия отражения будет.

Интенсивность отраженного света характеризуется коэффициентом .

При выполнении условия коэффициент отражения. Отклонение показателя преломления пленки от оптимального значения даже на 10% приводит к отражению примерно в 1%. Отражение пленки, оптическая толщина которой составляетили любое четное число, равно отражению подложки без покрытия. Еслиn₁ n_s, то отражение максимально, когда толщина пленки кратна. Это означает, что коэффициент отражения однослойного просветляющего покрытия не будет превышать коэффициента отражения чистой подложки. С другой стороны приn₁ n_sминимум коэффициента отражения совпадает с коэффициентом отражения чистой подложки, а максимум определяется приведенным выше уравнением.

Для двухслойных покрытий можно рассмотреть следующие случаи.

Случай 1 – два слоя с одинаковыми оптическими толщинами (– геометрическая толщина пленки) иn₀ =n_s. Это будет обычный случай двойного слоя между одинаковыми средами: толщина каждого слоя кратна.

Случай 2 – . это соответствует двухслойному покрытию, дающему нулевое отражение, когда оптическая толщина каждого слоя составляет нечетное число. Если не выполнено условие для показателей преломления, минимальное отражение двухслойного покрытия– пленками не равно нулю. В этом случае минимальное отражение можно вычислить по формуле:

.

Случай 3 – с покрытием их двух пленок равной оптической толщины можно получит широкую спектральную область низких значений коэффициента отражения, если показатели преломления удовлетворяют соотношению .

Широкая спектральная область с низким и более постоянным отражением может быть получена при использовании трехслойных покрытий. Для системы с толщиной каждого слоя отражение равно нулю в двух случаях:

1) .

Если показатели преломления удовлетворяют этому условию, то имеется три нулевых минимума отражения: один на и по одному с каждой стороны от.

2) .

Это соотношение является обобщением случая 1, так как теперь не обязательно должен быть равным. Такой более широкий выборпозволяет использовать в качестве практического просветляющего покрытия для стекла систему––.

Для системы, в которой толщина верхнего слоя равна , среднего –, внутреннего –, отражение будет равно нулю, если показатели преломления удовлетворяют условию.

Для изготовления просветляющих покрытий наиболее подходящими по своим оптическим свойствам и долговечностью являются следующие материалы: MgF₂(1,38),SiO₂ (1,46),SiO(1,55-2),Al₂O₃(1,60),ZrO₂ (2,1),ZnS(2,35). В скобках указаны показатели преломления для=550 нм. Эти материалы можно получать путем напыления в высоком вакууме.

Пленки MgF₂, напыленные с высокой скоростью на нагретую подложку из стекла () образуют долговечное покрытие, снижающее отражение подложки с 4 до 1,3%. В двухслойных покрытиях первый слой от подложки напыляют с малой скоростью и показателем преломления 1,7, а наружний слой –MgF₂.

Для получения широкой спектральной области малого отражения используют покрытия, состоящие из пленки толщиной с большим показателем преломления, лежащей на стекле и пленки толщинойс малым показателем преломления (внешний слой).

Многие прозрачные в ИК – области материалы, особенно те, которые сильно поглощают в видимой области спектра, обладают высокими показателями преломления в ИК – области. В первую очередь это относится к таким полупроводникам, как Si,Ge,InAsиInSb, которые в настоящее время широко используются в инфракрасной технике для окон, линз и длинноволновых пропускающих фильтров. Их высокие показатели преломления приводят к значительным потерям вследствие френелевского отражения, так что даже тонкие непоглощающие пластинки из этих материалов пропускают лишь 50% или даже меньшую часть падающего излучения. Следовательно, для получения большого пропускания и хорошего изображения при применении оптических деталей из этих материалов необходимы просветляющие покрытия.

Оказывается, что в ближней ИК – области наиболее подходящим покрытием для кремния, германия и InAsявляется окись кремнияSiO. Она не только эффективно снижает отражение, но и обладает хорошей адгезией и большим сопротивлением истиранию.