Анализ и синтез блокирующих и узкополосных интерференционных фильтров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, доктор физико-математических наук Несмелов, Евгений Андреевич

• Несмелов, Евгений Андреевич
• доктор физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Несмелов, Евгений Андреевич

Введение.

Глава 1. Фильтрация излучения.

1.1. Общие принципы фильтрации проходящего излучения.

1.2. Принципы просветления поверхностей.

1.3. Выделение рабочих полос спектра.

1.3.1. Блокирующие фильтры.

1.3.2. Полосовые интерференционные фильтры.

1.3.3. Фильтры для многоканальных радиометров.

1.3.4. Солнечнослепые фильтры.

Выводы.

Глава 2. Синтез блокирующих фильтров.

2.1. Синтез и свойства спектроделителей при нормальном падении излучения.

2.2. Влияние поглощения в слоях на оптические свойства блокирующих фильтров

2.3. Свойства блокирующих фильтров при наклонном падении излучения

2.4. Свойства блокирующих систем в сходящихся пучках излучения 79 Выводы.

Глава 3. Узкополосные фильтры.

3.1. Характеристики фильтров Фабри-Перо при нормальном падении излучения.

3.1.1. Фильтры Фабри-Перо на основе пленок металлов.

3.1.2. Особенности фильтров Фабри-Перо с диэлектрическими зеркалами

3.1.3. Влияние шероховатости поверхности подложки и неоднородности пленок по толщине на оптические свойства фильтров.

3.1.4. Влияние пористости слоев фильтра на его свойства.

3.1.5. Синтез металлодиэлектрических фильтров (просветление металлических слоев).

3.2. Характеристики фильтров Фабри-Перо в наклонных и сходящихся пучках излучения.

3.2.1. Эффекты, связанные с поляризацией света

3.2.2. Характеристики фильтров Фабри-Перо при наклонном падения излучения

3.2.3. Характеристики фильтров Фабри-Перо в сходящихся пучках излучения и управление ими.

3.3. Влияние условий эксплуатации на свойства и устойчивость узкополосных фильтров.

3.3.1. Влияние температуры на оптические свойства узкополосного фильтра

3.3.2. Старение фильтров

3.3.3. Воздействие влажности и защита фильтров

3.3.4. Принцип оценки долговечности фильтров

Выводы.

Глава 4. Методы измерения оптических постоянных пленок.

4.1. Оптические постоянные материалов.

4.2. Общие выражения для оптических свойств тонких пленок

4.3. Расчет оптических постоянных тонких пленок

4.3.1. Интерферометрические оценки параметров прозрачной пленки.

4.3.2. Оптические постоянные тонких пленок по данным спектрофотометрических измерений.

4.3.3. Эллипсометрическое определение оптических постоянных

4.4. Измерение малого поглощения методами эллипсометрии и нарушенного полного внутреннего отражения.

4.5. Специальные методы определения малого поглощения в пленках

4.6. Некоторые замечания о свойствах реальных пленок.„

Выводы.

Глава 5. Подложки для оптических покрытий.

5.1. Оценка шероховатости подложки.

5.2. «Внутренние» параметры поверхности после обработки.

5.2.1. Модель нарушенного слоя

5.2.2. Программа расчета параметров модели

5.2.3. Обсуждение результатов расчета параметров.

5.3. Усовершенствование методики оценки нарушенного слоя . . . 237 Выводы.

Глава 6. Некоторые вопросы изготовления покрытий

6.1. Влияние условий при нанесении пленок испарением и конденсацией в вакууме на их физические свойства

6.2. Флуктуации толщин слоев, возникающие при конденсации из молекулярного пучка.

6.3. Методы измерения толщины пленок в процессе их роста.

6.4. Оптический метод контроля толщин слоев в процессе роста

6.5. Моделирование оптического контроля.

6.6.Создание автоматизированных установок для получения многослойных интерференционных покрытий.

6.7. Пути развития автоматизации вакуумного нанесения оптических покрытий

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ и синтез блокирующих и узкополосных интерференционных фильтров»

Оптика тонкослойных интерференционных покрытий начала интенсивно развиваться после второй мировой войны, когда потребовались самые разнообразные приборы наблюдения. К этому времени было зафиксировано уменьшение отражения от поверхности стекла при нанесении на нее тонкого слоя из материала с показателем преломления меньшим, чем у стекла. Этот эффект стал интенсивно использоваться при создании фотографических объективов и биноклей. В сороковых годах нашего столетия начались исследования возможности усиления эффекта просветления оптики, что привело к использованию комбинаций из двух и трех тонких слоев на поверхности оптической детали. Дальнейшие работы привели к созданию фильтров, позволяющих выделять сравнительно узкие области спектра, что дало возможность использовать эти элементы в приборостроении.

В настоящей работе обобщаются результаты исследований, выполненных автором в период 1961 - 1998 г, направленных на создание теоретических методов исследования оптических свойств интерференционных покрытий, развитие и внедрение в производство новых методов расчёта, обеспечивающих разработку и изготовление новых оптико-электронных приборов.

Актуальность работы.

Последние десятилетия характеризуются все возрастающим интересом к созданию новых оптических приборов самого разнообразного назначения. Задачи, решаемые современной оптикой, перекрывают широкое поле самых различных исследований - от мониторинга окружающей среды и оценки состояния природных ресурсов до слежения за отдельными объектами и поражения их также при помощи оптических методов. Интерференционные покрытия на оптических деталях позволяют проводить фильтрацию оптического сигнала и снижают световые потери в выделяемых спектральных диапазонах, что и привело к их широкому использованию в современном оптическом приборостроении.

Развитие техники потребовало как значительного расширения спектрального интервала использования интерференционных покрытий, так и создания новых покрытий со строго заданными свойствами и отвечающих определённым условиям эксплуатации оптических деталей с покрытиями. Так развитие силовой оптики привело к необходимости создания интерференционных покрытий, успешно работающих в условиях интенсивных оптических нагрузок, что потребовало проведения специальных исследований по разработке технологии получения и использования новых материалов для изготовления покрытий, выдерживающих высокие интенсивности светового излучения. Развитие тепловидения привело к необходимости создания новых фильтрующих покрытий для инфракрасной области спектра и ужесточению требований к просветляющим покрытиям по величине остаточного отражения. Оказалось, что просветление оптики, изготовленной из материалов с высоким показателем преломления, должно быть выполнено так, чтобы остаточное отражение от просветленной поверхности было менее 0.5%, в противном случае проявляется воздействие на фотоприемник отрицательных световых потоков. И это значительно важнее, чем небольшое изменение регистрируемого полезного светового сигнала.

Успешное решение задач разработки и изготовления интерференционных покрытий, удовлетворительно работающих в различных условиях эксплуатации прибора, немыслимо без проведения теоретических исследований и моделирования их оптических свойств, что привело к постановке и решению многих дополнительных задач, связанных с исследованиями физических свойств материалов и, прежде всего, оптических. При этом выяснилось, что физические свойства тонких пленок материалов не совпадают с таковыми для массивного состояния и в значительной степени зависят от технологии их получения. Это привело к значительному расширению исследований и разработке новых специальных методов исследования физических и технических свойств материалов. Все эти направления в настоящее время успешно развиваются, а их важность для современной науки и техники трудно переоценить.

Состояние вопроса.

Ко времени начала нашей работы интерференционные свойства тонких диэлектрических пленок только начинали изучаться и использоваться. Сравнительно широко использовалось просветление оптических деталей для видимой области спектра, была разработана технология нанесения тонких окисных пленок на поверхность стекла путем разложения сложных эфиров. Начали появляться работы по изготовлению и исследованию оптических свойств фильтрующих интерференционных покрытий и появились первые сообщения об исследовании оптических свойств тонких металлических и диэлектрических слоев и их отличиях от свойств этих же материалов в массивном состоянии. В это же время была разработана методика расчета оптических свойств интерференционных покрытий в приближении геометрической оптики. Расчет был очень трудоемок и стояла естественная задача его автоматизации, тем более что именно в это время появились и первые ЭВМ. Включившись в эту работу, мы создали программу расчета на ЭВМ произвольных диэлектрических покрытий используя решение волнового уравнения. Специальные исследования, выполненные позднее, показали идентичность подхода к решению задачи как со стороны геометрической оптики, так и решением волнового уравнения, но обоснованность применения геометрической оптики для расчета оптических свойств произвольных интерференционных пленок, заключенных между произвольными средами, все же вызывает сомнения. Эти сомнения особенно сильны при наличии поглощения в обрамляющих интерференционную пленку средах. Именно поэтому для решения задачи расчета оптических свойств произвольной интерференционной системы следует использовать решение волнового уравнения.

Перед институтом в то время была поставлена задача создания интерференционных покрытий, работающих в инфракрасной области спектра. Это привело к разворачиванию исследования материалов, пригодных для изготовления интерференционных покрытий, новых систем интерференционных пленок и технологии изготовления покрытий. Так как в этом случае метод разложения сложных эфиров, разработанный в ГОИ под руководством академика И.В. Гребенгцикова, оказался неэффективным из-за значительной толщины пленок, то началось развитие метода испарения и конденсации материалов в вакууме. Аналогичные исследования проводились во многих лабораториях мира. Широкий фронт этих исследований диктовался огромными потребностями техники в оптических приборах. К сожалению, результаты достигнутые другими исследователями и на другом оборудовании не всегда полностью воспроизводились. Этому способствовало недостаточное понимание роли условий (состав и давление остаточных газов в системе, скорость испарения, температура подложек и т.д.) в процессе нанесения покрытий и большой разброс в методах подготовки материалов перед испарением в вакууме и подложек перед нанесением покрытий. Именно поэтому все результаты, полученные в других лабораториях, очень тщательно проверялись и корректировались перед тем, как использоваться в наших технологических разработках интерференционных покрытий различного назначения.

Цель работы.

Целью настоящей диссертационной работы является создание теоретической базы для разработки интерференционных фильтрующих покрытий, а также алгоритмов и методов расчёта их оптических характеристик; исследование одно- и многослойных покрытий; разработка физических основ получения интерференционных систем с заданными параметрами.

Научная новизна.

1. Развит теоретический подход к синтезу просветляющих интерференционных покрытий и на его основе впервые проанализированы фильтрующие свойства системы оптических просветленных поверхностей.

2. Построена теория блокирующих интерференционных фильтров и впервые показана малая чувствительность спектральных характеристик к углу падения излучения на фильтр и поглощению в составляющих его слоях.

3. Впервые с единых позиций проанализированы оптические свойства узкополосных диэлектрических и металлодиэлектрических фильтров и показано, что эти системы отличаются существенной чувствительностью к качеству граничных поверхностей.

4. Впервые разработаны высокоэффективные методики расчета оптических постоянных тонких интерференционных плёнок.

5. Впервые предложена и апробирована математическая модель, которая описывает оптические свойства нарушенного слоя на поверхности массивной подложки, возникающего за счет механических воздействий при её получении.

Практическая ценность работы.

Полученные в работе теоретические и экспериментальные результаты позволили создать базу для решения ряда крупных задач в области оптического приборостроения:

- выделение спектральных областей в оптических приборах различного назначения;

- создание новых элементов мощных лазерных систем;

- создание технологии изготовления интерференционных покрытий.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Система просветленных оптических поверхностей обладает свойством фильтрации проходящего излучения; методы расчета состава просветляющих покрытий.

2. Введение огибающих спектральной прозрачности позволяет описать оптические свойства блокирующих фильтров; оптимизация прозрачности блокирующего фильтра осуществляется путем выбора параметров системы, обеспечивающих заданные свойства огибающих.

3. Образование дублетной структуры полосы пропускания узкополосных фильтров в наклонных пучках излучения обусловлено различием отражения 8и р-компонент излучения от зеркал резонатора; устранение дублетной структуры полосы пропускания узкополосного фильтра в наклонном пучке излучения осуществляется путем специального выбора показателя преломления резонансного слоя.

4. Обеспечить сохранение спектральных свойств узкополосных фильтров в сходящихся пучках излучения возможно:

- специальным распределением толщины всех слоев по поверхности фильтра;

- специальным выбором показателей преломления всех слоев фильтра.

5. Физическая модель влияния шероховатости поверхностей слоев и подложки на полуширину полосы прозрачности фильтра и его максимальное пропускание.

6. Физическая модель фильтрации излучения металлическим слоем, находящимся в узле стоячей волны.

7. Анализ огибающих к спектральной прозрачности диэлектрической или полупроводниковой плёнки в сочетании с методами эллипсометрии и МНПВО позволяет повысить точность расчета оптических постоянных плёнок и измерить малое поглощение в них.

8. Механическая обработка поверхности подложки приводит к появлению оптической неоднородности, средний размер которой экспоненциально уменьшается с удалением от поверхности вглубь материала; экспериментальные методы определения параметров неоднородного слоя.

Внедрение.

Все результаты, полученные автором при проведении работы, внедрены в производство ФНПЦ ГИПО.

Личный вклад автора.

Автору принадлежат постановка задач, нахождение методов и путей их решения; развитие и обоснование экспериментальных методик; получение, интерпретация и обобщение данных экспериментальных и теоретических исследований.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы легли в основу многих технологических разработок лаборатории вакуумных покрытий ФНПЦ ГИПО по созданию интерференционных покрытий для приборов, выпускавшихся в институте и отрасли. Успешное выполнение этих работ достаточно полно характеризует проведенные исследования.

Кроме того, основные материалы работы докладывались на: VI1 Симпозиуме по физическим свойствам и электронному строению переходных металлов и соединений (Киев, 1969г.); V Всесоюзной научно - технической конференции «Новые разработки и исследования струйных, механических, электрофизических, сорбционных и других типов вакуумных насосов» (Казань, 1972г.); Всесоюзной конференции "Теория и практика алмазной абразивной обработки деталей приборов и машин" (Москва, 1973 г.); Всесоюзном семинаре "Методы синтеза и применение многослойных интерференционных систем" (Москва, 1984 г.); VI1 Всесоюзной конференции по физике вакуумного ультрафиолета и его взаимодействию с веществом ВУФ-86 (Эзерниеки, 1986г.); Всесоюзных конференциях "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва, 1986г. и 1988г.); IV Всесоюзной конференции «Эллипсометрия - метод исследования поверхности твердых тел» (Новосибирск 1989г.); VI Всесоюзном совещании «Применение металлоорганических соединений для получения неорганических покрытий и материалов» (Нижний Новгород 1991г.); отраслевых совещаниях по новым покрытиям и оптической технологии (Москва, 1976, 1977, 1979, 1980, 1981гг.) и первом отраслевом семинаре "Автоматизация оптических приборов" (Ленинград 1987г.).

Публикации.

Список трудов автора по теме диссертации включает 81 сообщение. Из них 2 авторских свидетельства, 4 аналитических обзора, 1 отчет по гранту АНТ.