Лучевая прочность диэлектрических зеркал для ближнего ИК диапазона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Макаричев, Глеб Вячеславович

• Макаричев, Глеб Вячеславович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Макаричев, Глеб Вячеславович

Содержание.

Введение.

Глава 1. Факторы, влияющие на лучевую прочность (л.п.) оптических покрытий.

1.1 Требования к состоянию подложки.

1.1.1 Строение полированной поверхности.

1.1.2 Глубокое шлифование-полирование.

1.1.3 Обработка поверхности детали перед нанесением покрытий.

1.2 Требования к пленкообразующим материалам.

1.2.1 Обзор диэлектрических материалов, используемых в интерференционной оптике и их свойства,.

1.2.1.1 Галогениды.

1.2.1.2 Сульфиды и селениды.20<

1.2.1.3 Оксиды.

1.3 Комбинации пленкообразующих материалов для зеркал.

1.4 Особенности получения пленок постоянного состава.

1.4.1 Диоксид титана.

1.4.2 Диоксиды гафния и циркония.

1.4.3 Нанесение покрытий с использованием ионного^ ассистирования.

1.4.4 Состояние арматуры камеры.31<

Выводы по главе 1.

Глава 2. Контроль лучевой прочности.

2.1 Влияние характеристик излучения лазера на лучевую прочность.

2.2 Методы контроля лучевой прочности.

2.2.1 Лазерное разрушение прозрачных диэлектриков.

2.2.2 Разрушающий контроль.

2.2.2.1 Схема стенда для контроля л.п.

2.2.2.2 Методика проведения испытаний.

2.2.2.3 Обработка результатов.

2.2.3 Неразрушающий контроль.

Выводы по главе 2.

Глава З: Изготовление образцов. Проведение измерений;.

3.1 Особенности контроля* толщины« по массе метод;"Кварцевого резонатора!'),.!.

3.2 Изготовление образцов зеркал на установке Вашего ВАК

3.2.1 Краткий технологический процесс.55"

3:2.2 Калибровка;по кварцевому датчику.:.

3.2.3 Факторы, влияющие на'точность контроля толщины при,"кварцевом контроле".

3.3; Измерение спектральных характеристик изготовленных покрытий-.

3:4 Результаты измерения лучевой прочности.

3:5 Определение влияния точности нанесения покрытия на лучевую прочность.:. 63'

3.6 Оценка измененияшоказателя преломления диоксида гафния из различных партий . 66^

3.7 Оценка влияния поглощения в слоях покрытия на:его лучевую прочность

Выводы по главеЗЧ.;.

Глава 4. Расчет значений энергии отраженной и прошедшей электромагнитных волн для непоглощающих покрытий .;.

4.1 Распространение света в многослойных* системах.'.

412 Уравнение стоячеШволныл. 82'

4;3;Расчет распределенияэлектрической напряженности

-зеркальной?системе В'Программе:МаШСА©>.:. 85'

4.4'Методы анализа и;синтеза оптическихшокрытий;.;.891 ■

4.5 Расчет распределения электрической напряженности в полученных, образцах.

4.6 Фотографии дефектов покрытия, возникающих при контроле лучевой прочности.

Выводы по главе 4'<-.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Лучевая прочность диэлектрических зеркал для ближнего ИК диапазона»

С начала 90-х годов лазеры, работающие в ближнем инфракрасном диапазоне, получили широкое распространение. В медицине лазерные системы с длиной волны 1,56 мкм оказались эффективными для нехирургической коррекции зрения, а также для лазерной термопластики хрящей (поскольку слабо поглощаются в меланине и гемоглобине, но хорошо- в воде). Лазеры полуторамикронного диапазона применяются в дальнометрии и для дистанционного зондирования благодаря окну прозрачности атмосферы в диапазоне -1,5-1,75 мкм.

Одним из ключевых элементов оптического квантового генератора (ОКГ) являются зеркала резонаторов. Существенной проблемой, возникающей при изготовлении таких зеркал, является нестабильность (плохая воспроизводимость) их лучевой прочности (порога разрушения). По ОСТ-11 070.802-80 лучевая прочность (ЛП)- свойство оптического материала (элемента) выдерживать кратковременное воздействие лазерного излучения и при этом выполнять свои функции и сохранять свои параметры после воздействия. Проблема получения покрытий с высокой лучевой прочностью является актуальной задачей современного оптического приборостроения, поскольку разрушение оптических элементов под действием собственного излучения ОКГ является фактором, лимитирующим их предельную мощность и срок службы. Сложности, возникающие при попытке решения этой проблемы, заключаются в том, что она сопряжена с необходимостью проведения большого количества исследований и обобщения полученных результатов, как в прикладных областях (например, вакуумной технике, лазерной технике, технологии оптических покрытий и пр.), так и в фундаментальных (взаимодействие излучения и вещества, термодинамика испарения, процессы пленкообразования и пр.).

Цель работы

Целью диссертационной работы является определение влияния ошибок в толщинах слоев, допущенных при нанесении диэлектрического зеркала, на его лучевую прочность при воздействии наносекундными импульсами. Задачи исследования

- Анализ технологических факторов, влияющих на лучевую прочность.

- Анализ методов контроля лучевой прочности.

- Изготовление и исследование лучевой прочности опытных образцов диэлектрических зеркал.

- Измерение спектральных характеристик, изучение дефектов покрытия, возникающих при контроле лучевой прочности.

- Анализ связи ошибок, допущенных при контроле толщин слоев, поглощения в слоях с лучевой прочностью.

- Анализ дисперсии показателя преломления плёнкообразующего материала на лучевую прочность зеркала.

Методы исследования

В работе применяются аналитические и численные методы расчета спектральных коэффициентов пропускания и отражения, анализа влияния малого поглощения в слоях, анализа точности контроля толщины слоев-при осаждении покрытия. Использовались рекуррентный и матричный методы описания слоистых систем для расчета распределения напряженности электрического поля- в слоях. Для контроля толщины слоев исследуемого* зеркального покрытия по мере осаждения использовался метод контроля толщины по массе. Измерения спектральных характеристик проводились на спектрофотометрах СФ-256 УВИ и СФ-256 БИК. Контроля лучевой прочности осуществлялся на стенде ИСЛП-1-01-800 ЛЗ с использованием лазера ЛТС-154 (рабочая длина волны 1.54 мкм). Расчеты проведены в программе МаШСАБ.

Научная новизна диссертации.

В ходе работы выявлена связь между ошибками в толщинах слоев, допущенными в ходе нанесения покрытия, вызванными этими ошибками искажениями спектральных зависимостей отражения и пропускания и лучевой прочностью диэлектрических зеркал. При условии статистически значимого количества экспериментов эта связь может быть положена в основу метода определения лучевой прочности диэлектрических зеркал при постоянных технологических параметрах (способов полировки деталей, способов чистки деталей перед установкой в вакуумную камеру, способов нанесения покрытия, технологических факторов (параметров ионной очистки, скорости испарения, температуры подложек в процессе испарения, температуры расплава), состояния вакуумной камеры (давление остаточных газов), чистоты исходных пленкообразующих веществ (а также их стехиометрического состава), вида вещества, способов оплавления пленкообразующего материала, обработки деталей после нанесения покрытия.

Основные результаты, выносимые на защиту.

1. Установлена связь между ошибками, допущенными при контроле толщин слоев четвертьволнового диэлектрического зеркала и распределением напряженности электрического поля в его слоях.

2. Установлена связь между ошибками, допущенными при контроле толщин слоев четвертьволнового диэлектрического зеркала и его лучевой прочностью.

3. Установлена связь между поглощением в слоях и лучевой прочностью.

Практическая ценность.

Установлено, что метод контроля толщины осаждаемого вещества по массе (метод "кварцевого резонатора") позволяет получать воспроизводимые значения лучевой прочности при постоянстве технологических факторов постоянной температуры охлаждения кварцевого датчика, использование пленкообразующих материалов со стабильными параметрами).

Предложены основы нового метода контроля лучевой прочности.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 124 страницы текста, 38 рисунков и 10 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Макаричев, Глеб Вячеславович

Выводы по работе.

В ходе работы был проведен анализ литературных данных, посвященных технологическим факторам; влияющих на лучевую прочность оптических покрытий. Были- рассмотрены требования, предъявляемые к подложке, пленкообразующим материалам; способам получения покрытий со стабильными оптическими характеристиками; параметрам лазерного излучения, оказывающим влияние на лучевую прочность; методы контроля лучевой прочности и механизм лазерного разрушения интерференционного покрытия.

Были изготовлены 16 образцов 28-слойных диэлектрических зеркал и исследованы их спектральные кривые пропускания и отражения; определена их лучевая прочность; определены^ дефекты покрытия, возникающие при контроле лучевой прочности.

Результаты анализа спектральных кривых позволяют сделать выводы о величине и. дисперсии показателей преломления пленкообразующих материалов и определить принадлежность испаряемого материала к конкретной партии. Расчеты> показали, что значение дисперсии показателя, преломления« пленкообразующего материалаг (диоксида гафния) из разных партий не оказывает влияния-на порог разрушения образцов.

Проведенная оценка поглощения по смещению экстремумов отражения^ и пропускания, позволяет утверждать, что в данных партиях оно незначительно и не оказывает существенного влияния, на лучевую прочность, поскольку значения поглощения близки во всех образцах.

Проведен анализ технологических факторов, приведших к отклонению? экспериментально полученных кривых спектральных коэффициентов пропускания^ и отражения от расчетных. Наличие характерных искажений спектральных кривых, вызванных особенностями метода контроля толщины слоев в процессе осаждения, позволило определить экспериментально реализованную конструкцию покрытия. Используя полученные модифицированные конструкции и известные граничные условия, были у

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Макаричев, Глеб Вячеславович, 2012 год

1. ОСТ11-070.802-80. Материалы оптические и элементы твердосплавных лазеров. Метод определения лазерной прочности.

2. W.H. Lowdermilk, D. Milam, F. Rainer, "Damage of coatings and surfaces by 1,06 \im pulses", "US Dep. Commer. Nat. Bur. Stand. Spec. Publ.", 1980, p. 391-403.s

3. A.M. Бонч-Бруевич, "Инициирование низкопробойного пробоя на границе газ-диэлектрик", "Письма в ЖТФ", 1978, т.4, №14, с.51.

4. Справочник технолога-оптика под общей редакцией С.М. Кузнецова и М.А. Окатова, -Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1983.

5. ОСТ 3-6043-86 Заготовки оптических деталей, припуски на обработку глубоким шлифованием и глубоким полированием.

6. Молчанова О. С. Чистка оптических деталей. Л.: Оборонгиз. 1947.

7. Холленд Л. Нанесение тонких пленок в вакууме. -М.:Энергоиздат. 1963.

8. Mattax D.M. //Journ. Appl. Phys. 1966. -Vol.37. - P. 3613.

9. Florescu N. A.//Vacuum. 1955. - Vol.78. -P.46.

10. Holland L., Laurenson L., Priestland C.//Bev. Sci. Istr. 1963. - Vol. 34. - P. 357.

11. Palmberg P.W., Todds J., Phodin T.H.//Journ. Phys. 1968: - Vol: 39; -P: 4650.

12. Surland D.J.//Appl. Phys. Lett. 1966. - Vol.8. - P. 326.

13. Chamber A., Prutton M.//Thin Solid Films. 1967. - Vol. 1. - P: 235:

14. Chopra H.L.//Appl. Phys. Lett. 1965: - Vol.7. - P. 140.

15. Л.А. Черезова. Ионно-лучевые методы в оптической технологии, СПб:СПб ГУ ИТМО, 2007.

16. Л.С. Клейменов, В;В. Ильин, А.Ф. Первеев// Оптико-мех.пром-сть.-1972.-С.53.

17. А.Ф. Первеев, В.В. Ильин, A.B. Михайлов. Ионная полировка: оптических материалов// Оптико-мех.пром-сть.-1972.-С.40;

18. С.С. Качкин, Л.А. Орлова// Оптико-мех.пром-сть.-1968.-С.69.

19. T. Kamimura, К. Nakai, et al. Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng., 3578, 38 (1999)

20. Г.И. Бабаянц, С.Г. Гаранин, В.Г. Жупанов- и др. Разработка и; исследование диэлектрических покрытий с высокой лучевой прочностью. "Квантовая электроника", 35, №7, 2005.

21. Ритгер Э: Пленочные диэлектрические материалы для оптических применений / В кн.: Физика: тонких пленок // Под ред. Г. Хасса, М: Франкомбра; Р. Гофмана, -т. 8. -М.: Мир, 1978.-С. 7-60.

22. Котликов E.H., Кузнецов Ю.А., Лавровская П.П., Тропинйт АШ(, Оптические пленкообразующие материалы для ближней ИК области спектра. Научное приборостроение, 2008, т. 18, №3. •

23. Thomas W. Walker, Arthur H. Guenther, Philip E. Nielsen, Pulsed Laser-Induced Damage to Thin Film Optical Coating- Part; 1': Experimental, IEE Journal of: Quantum Electronics, vol. QE 17, №10, 1981.

24. H. Philip, Laser Focus, 5, №21, 1969.

25. В. Duclenhausen and G. Môllenstedt, Z: Angew. Phys. 27, 191, 1969.

26. Черепанова M.H., Титова Н.Ф.- ОМП, 1979, №11, c.59.31. "Физика тонких пленок", под ред: Хасса Е. и Тунна Р., т.7, изд: Мир, 1977.

27. Еерасименко Ю.В., Логачева В.А., Ховив А.М., Синтез и свойства тонких пленок диоксида титана. "Конденсированные среды и фазовые границы", Том 12, №2, 2010.

28. D. Mardare, G. I. Rusu, ON THE STRUCTURE AND OPTICAL D1ELECTRIC CONSTANTS OF Ti02 SPUTTERED THIN FILMS, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials Vol. 3^ No. 1, March 2001.

29. Введенский В.Д., Фурман Ш.А. Автоматизированное: нанесение тонкоплёночных интерференционных покрытий в, вакууме. Л.: ЛДНТП, 1983,28 с.

30. Физко-химическме свойства окислов. Справочник/ Иод; ред. Е.В:Самсонова. МС: Металлургия; 1978:

31. Валкевич В.Л. Техническая керамика. Стройиздат.М. : 1984-- 200с:

32. Муранова Т.А., Фадеева Э.И., Пёрвеев А.Ф., Зависимость показателя преломления и микропористости пленок Zr02 от условий напыления. ОМП, 1977, №11, с.45-47.

33. Повещен ко В.П., Костюченко Н.Г., Холодов В.М., Трофимова Ж.П., Найко Т.Н. Исследование фазового состава пленок на основе окислов циркония, гафния, иттрия. ОМП, 1984, №5.

34. Хирс Д., Паунд Г. Испарение и конденсация. М:Металлургия, 1965.

35. Балицкий В:С., Лисицина Е.Е. Синтетические аналоги и имитации природных.драгоценных камней. М: Недра, 1981.

36. Глушкова В.Ь.- и др.- Изв. АН СССР. Сер. "Неорганические материалы", 1977, т:13, № 12, с. 2197.

37. Пат. 2025654. Karowa T., Multi-laner nonreflecting film. (Великобритания), опубл. И.З, №1, 1980.

38. Пат. 2050556. Boptist W., Ver fahren Zar Herstellung liner hochbrecheden optisch homogenen und absorbtionsfrein Oxidschicht, (ФРГ), опубл. И.З., №4, 1979.

39. Будников П.П., Химическая технология керамики и огнеупоров. Наука.-М.: 1972, 551 с.

40. El-Shasoury J.A., Rudenko V.A., Ibragim J.A., Polymorphie behavior of thin evaporated films of zirconium and hafnium oxides.- J.Am.Ceram. Soc., 53, №5, 1970, 264-269.

41. Белов А.Н., Закономерности испарения бинарных твердых растворов оксидов Zr, Hf и редкоземельных элементов по данным высокотемпературной масс-спекирометрии. Автореферат диссертации на соискание кандидата химических наук, Ленинград, 1981.

42. Введенский В.Д., Сорбционные процессы при нанесении оптических покрытий, ОМП, №9, 1986.

43. Под редакцией Хасс Г., "Физика тонких пленок", т.1, М., "Мир", 1967.

44. Введенский В.Д., Масс-спектрометрические измерения остаточных газов при испарении окислов в вакууме, ОМП, №9, 1985

45. Розанов Л.Н. Вакуумная техника. М.: Высш. школа, 1982.

46. Басов Л.Л. и др. Успехи фотоники. Л.: Изд-во ЛГУ, 1969, сб.1, с.78-103.

47. Киселев В.Ф., Петров A.C., Прудников Р.В.- Кинетика и катализ, 1978, т. 19, №6, с.1593-1596.

48. Кашкаров П.К., Козлов С.П., Микроэлектроника, 1979, т.5, вып.6, с.535-539.

49. Киселев в.Ф., Крылов О.В. Электронные явления в адсорбции и катализе на полупроводниках и диэлектриках. М.: Наука, 1979, с. 197

50. Нестеров Л.А., Поплавский А.А., Зависимость порога прозрачных диэлектриков от длительности импульса лазера. "Журнал технической физики", 1970, в.З, с.651.

51. Deaton T.F., Smith W.L., "Laser-induced damage measurements with 266-nm pulses", "US Dep. Commer. Nat. Bur. Stand. Spec. Publ.", 1980, №568, p.417-424.

52. Walker T.W., Guenther A.H., Fry C.G., "Pulsed damage thresholds of fluoride and oxide thin films from 0,26 nm to 1,06 nm", "US Dep. Commer. Nat. Bur. Stand. Spec. Publ.", 1980, №568, p.405-416.

53. Алешин И.В., и др., "Влияние на развитие оптического пробоя прозрачных диэлектриков распределения поглощающих неоднородностей в пределах облучаемого пятна", "Журнал технической физики", 1973, т.43, в.12, с.2625.

54. Хазов Л.Д. и др., "О накапительном эффекте разрушения прозрачных диэлектриков при многократном облучении лазером", "Журнал технической физики", 1974, т. XLIV, в.9, с.2020.

55. Thomas W. Walker, Arthur Н. Guenther, Philip E. Nielsen, Pulsed Laser-Induced Damage to Thin Film Optical Coating- Part 2: Theory, IEE Journal of Quantum Electronics, vol. QE 17, №10, 1981.

56. Кузнецов А.Я. и др., Разрушение отражающих диэлектрических покрытий излучением ОКГ, "Оптико-механическая промышленность", 1972, №3, с.39.

57. Гапонов С.В., и др., Повышение равномерности пространственного распределения излучения ОКГ, "Квантовая электроника", 1972, №7, с.2009.

58. Рэди Дж., Действие мощного лазерного излучения. "Мир", Москва, 1974.

59. Данилейко Ю.К. и др., Исследование объемного лазерного разрушения и рассеяния света в кристаллах и, стеклах, "Труды ФИАН СССР", 1978, т. 103, с.31.

60. Алешин И.В. и др., Оптический пробой прозрачных сред, содержащих неоднородности. "Журнал экспериментальной и теоретической физики", 1976, т.70, с. 1214.

61. Каск Н.Е. и др., Зависимость коэффициента поглощения оптических стекол от температуры при воздействии излучения. "Квантовая электроника", 1972, т.6, №2, с. 1203.

62. Морачевский И.В., Исследование лучевой прочности оптических материалов для мощных лазеров, "Труды ФИАН СССР", 1978, т. 103, с.118.

63. Качкин С.С. и др., Контроль световой прочности полированных оптических поверхностей. ОМП, 1973, №11, с.38.

64. Еременко A.C. и др., Прибор для контроля лучевой прочности оптических элементов. ОМП, 1976, №2.

65. Губанова Л.А., Нужин A.B., Путилин Э.С., Старовойтов С.Ф., Оптический производственный контроль, СПбГУИТМО, С-Петербург, 2010.

66. Варфоломев Г.А., Котликов E.H., Методические указания к проведению лабораторных и практических занятий по курсу "Оптика лазеров", САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ, С-Петербург, 2007.

67. Артемьев В.В. и др., Корреляция лучевой прочности и микронеоднородностей диэлектрических покрытий, "Журнал технической физики", 1978, т.48, в.12, с.2566.

68. Артемьев В.В. и др., Статистика микронеоднородностей прозрачных сред и их лучевая прочность, "Журнал технической физики", 1977, т.47, в.1, с.183.

69. Данилин Б.С., Вакуумное нанесение тонких пленок, Изд-во "Энергия", 1967.

70. Майселл JL, Глэнг Р., "Технология тонких пленок" (справочник), Т.1, М., "Сов. радио", 1977.

71. Ohring M., The materials science of thin films, Academic press, 1992

72. E. Benes, K.C. Harms, G. Thorn, 39 Annual Frequency control symposium, Philadelphia, USA, 556 (1985).

73. Бадлевский Ю.Н, Шарупенко H.M., Физические методы измерения толщины тонких пленок. Передовой научно-технический и производственный опыт, тема 14, вып.2, 1962.

74. Крылова Т.Н., Интерференционные покрытий, Издательство "Машиностроение", Ленинград, 1973.

75. Борн М., Вольф Э., Основы оптики, Издательство "Наука", Москва, 1970.

76. Аззам Р., Башара Н., Эллипсометрия и поляризованный свет, М.: Мир, 1981.

77. Фурман Ш.А., Столов Е.Г. Синтез многослойных оптических покрытий-Опт. И спектроскопия, 1974, т.36, в.З, с.589-594.

78. Furman S., Tichonravov. A.V. Basics of optics of multilayer systems. Gif-sur-Yvette: Edition Frontiers, 1992.

79. Лихолетов H.B., Ахмадеев M.X. Оптимизация многослойных интерференционных оптических покрытий.- Журнал прикладная спектроскопия, 1981, т.34, в.З, с.497-500.

80. Столов Е.Г. Синтез интереференционных оптических покрытий.- Оптико-механическая промышленность, 1976, №6, с. 20-22.

81. Ермолаев A.M., Минков И.М., Власов А.Г. Метод расчета многослойного покрытия с заданной отражательной способностью.- Оптика и спектроскопия, 1962, т.13, в.2, с.269-265.

82. Thelen A. Equivalent layers in multilayer filters // J. Opt. Soc. Am. 1966. 56. 1533-1538.

83. Тихонравов А.В. о принципиально достижимой точности решения задач синтеза//Ж. вычисл. матем. и матем. физики. 1982. 22, №6. 1421-1433.

84. Спеткральные характеристики отражения и пропускания. Лучевая прочность 1.4 ГВт/смл21750

85. Спеткральные характеристики отражения и пропускания. Лучевая прочность 1.1 ГВт/смА2100 90 80 70 60 50 40 30 20 10а>о >. с о а са)