Расчет многослойных просветляющих и отражающих покрытий
КУРСОВОЙ
ПРОЕКТ
«Расчет многослойных просветляющих и отражающих покрытий»
Задание 1
Для заданной марки оптического
материала произвести расчёт однослойного, двухслойного, трёхслойного и
многослойного просветляющего покрытия с минимальным коэффициентом отражения для
данной длины волны л0.
Подобрать оптические толщины и
материалы напыляемых покрытий, а также методы их нанесения.
Варьируя оптической толщиной плёнки
в заданном интервале длин волн, построить спектральные зависимости коэффициента
отражения R=f(в), R=f(л). Для оптимальной конструкции покрытия составить
технологическую карту его нанесения.
Исходные данные:
Вариант №1
Материал: ЛК-1 ГОСТ3514-94
nс=1.441
устойчивость к химическим реагентам
- III;
устойчивость к влажной атмосфере -
А;
однослойное покрытие: л0/4;
двухслойное покрытие: л0/4
- л0/4;
трёхслойное покрытие: л0/4
- л0/2 - л0/4 (л0/4 - л0/4 - л0/4);
четырехслойное покрытие - л0/4
- л0/4 - л0/4 - л0/4.
л0=600±20 нм
л1 - л2=400 -
800 нм
1. Расчет многослойного
просветляющего покрытия.
.1 Однослойное
просветляющее покрытие
n1 = 1;
Условие потери полуволны:
n1< n2< n3
n2h2 = л0/4
n2h2 = 600/4 = 150 нм
Рассчитываем показатель преломления:
Из таблицы плёнкообразующих
материалов выбираем материал с наиболее близким показателем преломления к
расчётному для заданного диапазона л1-л2=400 - 800 нм
Пленкообразующий материал
|
Показатель преломления слоя,
n
|
Методы нанесения
|
Температура плавления, Тпл,° С
|
Область спектра, l1-l2,
мкм
|
фтористый кальций СaF2
|
1,23 - 1,46
|
И, ИЭ
|
1360
|
0,15-12.
|
n2 = 1,23
Рассчитаем минимальный коэффициент
отражения по формуле:
Рассчитаем амплитудные и
энергетические коэффициенты отражения системы воздух - плёнка - подложка по
формулам:
;
,
где i - порядковый номер слоя,
j - число слоёв,
в - угол сдвига фаз:
,
где л - длина волны;
Ri,j = |ri,j|2;
Тi,j = 1 - Ri,j
;
;
.
R1,3 = |r1,3|2
Т1,3 = 1 - R1,3
Для построения спектральной
характеристики R1,3 = f(в) и R1,3 = f(л) составим таблицы 1.1 и 1.2.:
Таблица 1.1
n2·h2
|
0
|
л0/4
|
л0/2
|
3л0/4
|
л0
|
в
|
0
|
р/2
|
р
|
3р/2
|
2р
|
cos2в
|
1
|
-1
|
1
|
-1
|
1
|
r1,3
|
-0,1807
|
-0,0243
|
-0,1807
|
-0,0243
|
-0,1807
|
R1,3
|
0,0326
|
0,0006
|
0,0326
|
0,0006
|
0,0326
|
T1,3
|
0,9674
|
0,9994
|
0,9674
|
0,9994
|
0,9674
|
Таблица 1.2
л, нм
|
400
|
450
|
500
|
550
|
600
|
650
|
700
|
750
|
800
|
в
|
0,7500
|
0,6667
|
0,6000
|
0,5455
|
0,5000
|
0,4615
|
0,4286
|
0,4000
|
0,3750
|
cos2в
|
0,0000
|
-0,5000
|
-0,8090
|
-0,9595
|
-1,0000
|
-0,9709
|
-0,9010
|
-0,8090
|
-0,7071
|
r1,3
|
-0,1031
|
-0,0639
|
-0,0395
|
-0,0276
|
-0,0243
|
-0,0266
|
-0,0322
|
-0,0395
|
-0,0476
|
R1,3
|
0,0106
|
0,0041
|
0,0016
|
0,0008
|
0,0006
|
0,0007
|
0,0010
|
0,0016
|
0,0023
|
T1,3
|
0,9894
|
0,9959
|
0,9984
|
0,9992
|
0,9994
|
0,9993
|
0,9990
|
0,9984
|
0,9977
|
.2 Двухслойное
просветляющее покрытие
n2h2 = n3h3= л0/4 = 600/4 = 150 нм
Рассчитываем показатель преломления n3:
Из таблицы плёнкообразующих материалов
выбираем материал с наиболее близким показателем преломления к расчётному для
заданного диапазона л1-л2=400 - 800 нм
Пленкообразующий материал
|
Показатель преломления слоя,
n
|
Методы нанесения
|
Температура плавления, Тпл,° С
|
Область спектра, l1-l2,
мкм
|
Фтористый иттрий YF3
|
1,54
- 1,56
|
И, ИЭ
|
1136
|
l1>0.3
|
Рассчитаем минимальный коэффициент
отражения по формуле:
Рассчитаем амплитудные и
энергетический коэффициент отражения системы воздух - плёнки - подложка:
;
;
.
где
R1,3 = |r1,3|2
Т1,3 = 1 - R1,3
Для построения спектральной характеристики
R1,4= f(в) и R1,4 = f(л) составим таблицы 1.3 и 1.4:
Таблица 1.3
n2·h2
|
0
|
л0/4
|
л0/2
|
3л0/4
|
л0
|
в
|
0
|
р/2
|
р
|
3р/2
|
2р
|
cos2в
|
1
|
-1
|
1
|
-1
|
1
|
r2,4
|
-0,0790
|
-0,1446
|
-0,0790
|
-0,1446
|
-0,0790
|
r1,4
|
-0,18066
|
0,04207
|
-0,18066
|
0,04207
|
-0,18066
|
R1,4
|
0,0326
|
0,0018
|
0,0326
|
0,0018
|
0,0326
|
T1,4
|
0,9674
|
0,9982
|
0,9674
|
0,9982
|
0,9674
|
Таблица 1.4
л, нм
|
400
|
450
|
500
|
550
|
600
|
650
|
700
|
750
|
800
|
в
|
0,7500
|
0,6667
|
0,6000
|
0,5455
|
0,5000
|
0,4615
|
0,4286
|
0,4000
|
0,3750
|
cos2в
|
0,000
|
-0,5000
|
-0,8090
|
-0,9595
|
-1,0000
|
-0,9709
|
-0,9010
|
-0,8090
|
-0,7071
|
r2,4
|
-0,1119
|
-0,1283
|
-0,1384
|
-0,1433
|
-0,1446
|
-0,1436
|
-0,1414
|
-0,1384
|
-0,1350
|
r1,4
|
-0,1031
|
-0,0393
|
0,0089
|
0,0348
|
0,0421
|
0,0369
|
0,0245
|
0,0089
|
-0,0077
|
R1,4
|
0,0106
|
0,0015
|
0,0001
|
0,0012
|
0,0018
|
0,0014
|
0,0006
|
0,0001
|
0,0001
|
T1,4
|
0,9894
|
0,9985
|
0,9999
|
0,9988
|
0,9982
|
0,9986
|
0,9994
|
0,9999
|
0,9999
|
.3 трехслойное
просветляющее покрытие
1 вариант: n2h2 = n3h3= n4h4=л0/4
n2h2 = n3h3= n4h4=л0/4 = 600/4
= 150 нм
Находим показатель преломления n4:
Из таблицы плёнкообразующих
материалов выбираем материал с наиболее близким показателем преломления для
заданного диапазона л1-л2=400 - 800 нм
Пленкообразующий материал
|
Показатель преломления слоя,
n
|
Методы нанесения
|
Температура плавления, Тпл,° С
|
Область спектра, l1-l2,
мкм
|
Фтористый лантан LaF3
|
1.59
|
И, ИЭ
|
1750
|
0,22-2
|
Рассчитаем минимальный коэффициент
отражения по формуле:
Рассчитаем амплитудные и
энергетический коэффициенты отражения системы воздух - плёнки - подложка:
;
;
;
;
;
.
R1,5= |r1,52 |
Т1,5= 1 - R1,5
Для построения спектральной
характеристики R1,5= f(в) и R1,5 = f(л) составим таблицы 1.5 и 1.6:
Таблица 1.5
n4·h4
|
0
|
л0/4
|
л0/2
|
3л0/4
|
л0
|
в
|
0
|
р
|
3р/2
|
2р
|
cos2в
|
1
|
-1
|
1
|
-1
|
1
|
r3,5
|
0,0332
|
-0,0651
|
0,0332
|
-0,0651
|
0,0332
|
r2,5
|
-0,07900
|
-0,04717
|
-0,07900
|
-0,04717
|
-0,07900
|
r1,5
|
-0,18066
|
-0,05624
|
-0,18066
|
-0,05624
|
-0,18066
|
R1,5
|
0,0326
|
0,0032
|
0,0326
|
0,0032
|
0,0326
|
T1,5
|
0,9674
|
0,9968
|
0,9674
|
0,9968
|
0,9674
|
Таблица 1.6
л, нм
|
400
|
450
|
500
|
550
|
600
|
650
|
700
|
750
|
800
|
в1 (nh=л0/4)
|
0,7500
|
0,6667
|
0,6000
|
0,5455
|
0,5000
|
0,4615
|
0,4286
|
0,4000
|
0,3750
|
cos2в1
|
0,0000
|
-0,5000
|
-0,8090
|
-0,9595
|
-1,0000
|
-0,9709
|
-0,9010
|
-0,8090
|
-0,7071
|
r3,5
|
-0,0160
|
-0,0405
|
-0,0557
|
-0,0631
|
-0,0651
|
-0,0637
|
-0,0602
|
-0,0557
|
-0,0507
|
r2,5
|
-0,1119
|
-0,0919
|
-0,0672
|
-0,0517
|
-0,0472
|
-0,0505
|
-0,0580
|
-0,0672
|
-0,0764
|
r1,5
|
-0,1031
|
-0,0575
|
-0,0491
|
-0,0538
|
-0,0562
|
-0,0544
|
-0,0512
|
-0,0491
|
-0,0494
|
R1,5
|
0,0106
|
0,0033
|
0,0024
|
0,0029
|
0,0032
|
0,0030
|
0,0026
|
0,0024
|
0,0024
|
T1,5
|
0,9894
|
0,9967
|
0,9976
|
0,9971
|
0,9968
|
0,9970
|
0,9974
|
0,9976
|
0,9976
|
2 вариант: n2h2 = n4h4=л0/4
n3h3 =л0/2
n2h2 = n4h4=л0/4 = 600/4 = 150 нм
n3h3 =л0/2=600/2=300
нм
Находим показатель преломления n4:
Из таблицы плёнкообразующих
материалов выбираем материал с наиболее близким показателем преломления для
заданного диапазона л1-л2=400 - 800 нм
Пленкообразующий материал
|
Показатель преломления слоя,
n
|
Методы нанесения
|
Температура плавления, Тпл,° С
|
Область спектра, l1-l2,
мкм
|
Фтористый лантан LaF3
|
1.59
|
И, ИЭ
|
1750
|
0,22-2
|
Рассчитаем минимальный коэффициент
отражения по формуле:
Рассчитаем амплитудные и
энергетический коэффициенты отражения системы воздух - плёнки - подложка:
;
;
;
;
;
.
R1,5= |r1,52 |
Т1,5= 1 - R1,5
Для построения спектральной
характеристики R1,5= f(в) и R1,5 = f(л) составим таблицы 1.7 и 1.8:
Таблица 1.7
n4·h4
|
0
|
л0/4
|
л0/2
|
3л0/4
|
л0
|
в
|
0
|
р/2
|
р
|
3р/2
|
2р
|
cos2в
|
1
|
-1
|
1
|
-1
|
1
|
r3,5
|
0,0332
|
-0,0651
|
0,0332
|
-0,0651
|
0,0332
|
r2,5
|
-0,07900
|
-0,04717
|
-0,07900
|
-0,04717
|
-0,07900
|
r1,5
|
-0,18066
|
-0,05624
|
-0,18066
|
-0,05624
|
-0,18066
|
R1,5
|
0,0326
|
0,0032
|
0,0326
|
0,0032
|
0,0326
|
T1,5
|
0,9674
|
0,9968
|
0,9674
|
0,9968
|
0,9674
|
Таблица 1.8
л, нм
|
400
|
450
|
500
|
550
|
600
|
650
|
700
|
750
|
800
|
в1 (nh=л0/4)
|
0,7500
|
0,6667
|
0,6000
|
0,5455
|
0,5000
|
0,4615
|
0,4286
|
0,4000
|
0,3750
|
в2 (nh=л0/2)
|
1,5000
|
1,3333
|
1,2000
|
1,0909
|
1,0000
|
0,9231
|
0,8571
|
0,8000
|
0,7500
|
cos2в1
|
0,0000
|
-0,5000
|
-0,8090
|
-0,9595
|
-1,0000
|
-0,9709
|
-0,9010
|
-0,8090
|
-0,7071
|
cos2в2
|
-1,0000
|
-0,5000
|
0,3090
|
0,8413
|
1,0000
|
0,8855
|
0,6235
|
0,3090
|
0,0000
|
r3,5
|
-0,0160
|
-0,0405
|
-0,0557
|
-0,0631
|
-0,0651
|
-0,0637
|
-0,0602
|
-0,0557
|
-0,0507
|
r2,5
|
-0,0961
|
-0,0919
|
-0,1289
|
-0,1640
|
-0,1757
|
-0,1672
|
-0,1488
|
-0,1289
|
-0,1119
|
r1,5
|
-0,1031
|
-0,0575
|
0,0011
|
0,0551
|
0,0739
|
0,0602
|
0,0314
|
0,0011
|
-0,0242
|
R1,5
|
0,0106
|
0,0033
|
0,0000
|
0,0030
|
0,0055
|
0,0036
|
0,0010
|
0,0000
|
0,0006
|
T1,5
|
0,9894
|
0,9967
|
1,0000
|
0,9970
|
0,9945
|
0,9964
|
0,9990
|
1,0000
|
0,9994
|
1.4 Четырехслойное просветляющее покрытие
n2h2 = n3h3= n4h4= n5h5=л0/4 = 600/4 = 150 нм
Находим показатель преломления n5:
Из таблицы плёнкообразующих
материалов выбираем материал с наиболее близким показателем преломления для
заданного диапазона л1-л2=400 - 800 нм
Пленкообразующий материал
|
Показатель преломления слоя,
n
|
Методы нанесения
|
Температура плавления, Тпл,° С
|
Область спектра, l1-l2,
мкм
|
Фтористый иттрий YF3
|
1,54
- 1,56
|
И, ИЭ
|
1136
|
l1>0.3
|
Рассчитаем минимальный коэффициент
отражения по формуле:
Рассчитаем амплитудные и
энергетический коэффициенты отражения системы воздух - плёнки - подложка:
;
;
;
;
;
R1,6= |r1,62 |
Т1,6= 1 - R1,6
Для построения спектральной
характеристики R1,6= f(в) и R1,6 = f(л) составим таблицы 1.9 и 1.10:
Таблица 1.9
n4·h4
|
0
|
л0/4
|
3л0/4
|
л0
|
в
|
0
|
р/2
|
р
|
3р/2
|
2р
|
cos2в
|
1
|
-1
|
1
|
-1
|
1
|
r4,6
|
0,0492
|
-0,0172
|
0,0492
|
-0,0172
|
0,0492
|
r3,6
|
0,03321
|
0,00127
|
0,03321
|
0,00127
|
0,03321
|
r2,6
|
-0,0790
|
-0,1132
|
-0,0790
|
-0,1132
|
-0,0790
|
r1,6
|
-0,18066
|
0,01015
|
-0,18066
|
0,01015
|
-0,18066
|
R1,6
|
0,0326
|
0,0001
|
0,0326
|
0,0001
|
0,0326
|
T1,6
|
0,9674
|
0,9999
|
0,9674
|
0,9999
|
0,9674
|
Таблица 1.10
л, нм
|
400
|
450
|
500
|
550
|
600
|
650
|
700
|
750
|
800
|
в
|
0,7500
|
0,6667
|
0,6000
|
0,5455
|
0,5000
|
0,4615
|
0,4286
|
0,4000
|
0,3750
|
cos2в
|
0,0000
|
-0,5000
|
-0,8090
|
-0,9595
|
-1,0000
|
-0,9709
|
-0,9010
|
-0,8090
|
-0,7071
|
r4,6
|
0,0160
|
-0,0006
|
-0,0109
|
-0,0159
|
-0,0172
|
-0,0163
|
-0,0140
|
-0,0109
|
-0,0075
|
r3,6
|
-0,0160
|
-0,0157
|
-0,0072
|
-0,0007
|
0,0013
|
-0,0002
|
-0,0034
|
-0,0072
|
-0,0107
|
r2,6
|
-0,1119
|
-0,1041
|
-0,1061
|
-0,1113
|
-0,1133
|
-0,1119
|
-0,1088
|
-0,1061
|
-0,1044
|
r1,6
|
-0,1031
|
-0,0514
|
-0,0174
|
0,0037
|
0,0103
|
0,0056
|
-0,0051
|
-0,0174
|
-0,0296
|
R1,6
|
0,0106
|
0,0026
|
0,0003
|
0,0000
|
0,0001
|
0,0000
|
0,0000
|
0,0003
|
0,0009
|
T1,6
|
0,9894
|
0,9974
|
0,9997
|
1,0000
|
0,9999
|
1,0000
|
1,0000
|
0,9997
|
0,9991
|
Rсмод
|
0,0101
|
0,0025
|
0,0004
|
0,0000
|
0,000103
|
0,000024
|
0,000037
|
0,00034
|
0,9990
|
.5 Анализ результатов
расчетов
Для выбора оптимальной конструкции
просветляющего покрытия построим графики спектральных зависимостей R= f(л) для
всех типов покрытий в единой системе координат.
Оптимальной будет та конструкция,
которая обеспечивает минимальный коэффициент отражения на рабочей длине волны л0=600
нм и более широкую зону просветления в заданной области спектра.
Таким образом, оптимальным является 4-х
слойное оптическое покрытие.
Построим графики спектральных
зависимостей R= f(л) для 4-хслойного покрытия (теоретический и
смоделированный):
Обозначим выбранную конструкцию
просветляющего покрытия:
ВД -
Просветл. 97ИЭ 112 ИЭ 97 ИЭ 110 ИЭ150
л0 = 600 нм ±20 нм;
сmin = 0,006;
л1 - л2 = 400
- 800 нм.
Материал подложки: ЛК-1 ГОСТ
3514-94;
nс=1.441
Для данной конструкции
просветляющего покрытия составим технологический процесс.
Технологический процесс
Технологический процесс включает
следующие основные операции:
Очистка подложек.
Подготовка вакуумной камеры.
Ионная очистка подложек.
Нагрев подложек до фиксированной
температуры.
050 Нанесение оптических покрытий:
Нанесение оптического покрытия YF3.
Нанесение оптического покрытия LaF3.
Нанесение оптического покрытия YF3
Нанесение оптического покрытия CaF2.
Разгерметизация вакуумной камеры,
выгрузка готовых изделий.
Контроль оптических параметров
покрытия.
Содержание операций:
010 - Очистка подложек: подложки из стекла ЛК-1 ГОСТ
3514 - 94 обезжиривают в смеси петролейного эфира и этилового спирта в
соотношении 75% - 25% и окончательно протирают тампонами обезжиренной ваты,
смоченной в абсолютном этиловом спирте. Очищенные детали протирают обезжиренными
батистовыми салфетками. Готовые детали вставляют в съёмные оправы
подложкодержателя и с поверхностей беличьей кисточкой удаляются ворсинки.
Очищенные детали в оправах загружают в подложкодержатель, и подложкодержатель
устанавливается в вакуумную камеру. При выполнении этой операции оператор
должен работать в резиновых перчатках или напальчниках.
020 - Подготовка вакуумной камеры происходит параллельно с
операцией 010:
S Очистка элементов подколпачной
аппаратуры (экранов, испарителей, заслонов) от пленок испаряемых материалов и
пропитку их спиртом.
S Загрузка исходных пленкообразующих
материалов в испарители (YF3, LaF3, и CaF2 в 4х позиционный
тигель электронно-лучевого испарителя).
S Загрузка подложкодержателя с
очищенными оптическими деталями.
S Проверка работоспособности
механизмов и устройств в вакуумной камере: вращение подложкодержателя,
перемещение заслонок, работа фотометра.
S Откачка камеры до давления примерно
2 Па.
030 - Операция ионной очистки подложек проводится в камере
(р=2…1.38 Па) в течение 5-10 минут при напряжении 500 В на электроде ионной
очистки и токе разряда 150 - 200 мА. При этом включается вращение
подложкодержателя с частотой n = 10-20 мин -1. В процессе ионной очистки ионами
остаточных газов с поверхности удаляются пылинки и молекулы тяжелых газов. По
окончании ионной очистки камера откачивается до Р = 10 -2 - 10 -3
Па.
040 - Нагрев подложек до фиксированной температуры Тподл =1500С,
происходит в высоком вакууме при одновременном вращении подложкодержателя. При
этом с поверхности оптических деталей удаляются пары воды и молекулы легких
газов. Время нагрева 5 - 15 минут.
050 - Нанесение оптического покрытия начинают после
обезгаживания пленкообразующих материалов при закрытой заслонке. Для этого
материал нагревают до температуры на 100 0С ниже, чем Тисп.
В процессе прогрева давление вакуумной камеры повышается, а потом понижается до
Р = 10-3 Па. Обезгаживание считается законченным, когда давление
восстанавливается до первоначального значения. Далее включают фотометр, выводят
нагреватель или ЭЛИ на режим испарения, открывают заслонку и проводят испарение
материала, фиксируя параметры испарителя или ЭП. Контроль за нанесением
испарителя ведут по фотометру. При нанесении просветляющих покрытий метод
контроля на пропускание раздельный, так как m ≥3, и экстремальный.
051 - Нанесение оптического покрытия YF3.
Режимы нанесения пленки:
ИЭ Р=10-3 Па;
Тисп = 1136° С;
Тпод =150° С;
U = 6 кВ;
Iн = 10-12 А;
Iэм = 20-60 мА.
052 - Нанесение оптического покрытия LaF3.
Режимы нанесения пленки:
ИЭ Р=10-3 Па;
Тисп = 1750° С;
Тпод =150° С;
U= 6кВ;
Iн = 10-12 А;эм
= 20-60 мА.
053 - Нанесение оптического покрытия YF3
Режимы нанесения пленки:
ИЭ Р=10-3 Па;
Тисп = 1136° С;
Тпод =150° С;
U= 6кВ;
Iн = 10-12 А;эм
= 20-60 мА.
054 - Нанесение оптического покрытия CaF2.
Режимы нанесения пленки:
ИЭ Р =10 -3 Па;
Тисп.= 1360° С;
Тпод =150° С
U = 6кВ;
Iн = 10-12 А;
Iэм = 20-60 мА.
060 - Разгерметизация вакуумной камеры: после окончания процесса
нанесения выключается вращение подложкодержателя. При снижении Тподл
до 50єС камера отсекается высоковакуумным затвором от высоковакуумной системы
откачки, производится напуск воздуха, открывается вакуумная камера и
производится выгрузка оптических деталей в специальную кассету.
070 - Контроль. В связи с проведением группового технологического
процесса нанесения покрытий на контроль попадают от 2 до 3 штук из партии,
проверяют параметры rl=f(l), tl=f(l) на фотометре СФ-8 или СФ-4 и сравнивают полученные
характеристики с расчетными. Определяют группу механической прочности на установке
СД-500.
Построим графики зависимости от
разности фаз:
i. Для первого свидетеля (на
отражении):
ii. Для второго свидетеля (на
отражении):
Номер свидетеля
|
лфотом
|
Фазовая толщина
|
1 свидетель
|
546
|
1,56384
|
|
546
|
1,56569
|
|
546
|
1,56569
|
2 свидетель
|
546
|
1,56384
|
2. Расчет многослойного
отражающего покрытия
.1 Однослойное
отражающее покрытие
n1 = 1;
n1< n2 >n3
n2= nв
n3= nн
n2h2 = л0/4, n2h2 = 600/4 = 150 нм
Из таблицы плёнкообразующих
материалов выбираем материал с максимальным показателем преломления для
заданного диапазона л1-л2=400 - 800 нм
Пленкообразующий материал
|
Показатель преломления слоя,
n
|
Методы нанесения
|
Температура плавления, Тпл,° С
|
Область спектра, l1-l2,
мкм
|
Двуокись титана TiO2
|
2.4
|
ИЭ
|
1640
|
0,35-12.
|
n2 = 2.4
Рассчитаем интегральный коэффициент
отражения по формуле:
nв=2.4н=1.441
Рассчитаем амплитудные и
энергетический коэффициенты отражения системы воздух - плёнка - подложка по
формулам:
;
,
где i - порядковый номер слоя,
j - число слоёв,
в - угол сдвига фаз:
,
где л - длина волны;
Ri,j = |ri,j|2;
Тi,j = 1 - Ri,j
;
;
.
R1,3 = |r1,3|2
Т1,3 = 1 - R1,3
Для построения спектральной
характеристики R1,3 = f(в) и R1,3 = f(л) составим таблицы 2.1 и 2.2.:
Таблица 2.1
n2·h2
|
0
|
л0/4
|
л0/2
|
3л0/4
|
л0
|
в
|
0
|
р/2
|
р
|
3р/2
|
2р
|
cos2в
|
1
|
-1
|
1
|
-1
|
1
|
r1,3
|
-0,1807
|
-0,5998
|
-0,1807
|
-0,5998
|
-0,1807
|
R1,3
|
0,0326
|
0,3597
|
0,0326
|
0,3597
|
0,0326
|
T1,3
|
0,9674
|
0,6403
|
0,9674
|
0,6403
|
0,9674
|
Таблица 2.2
л, нм
|
400
|
450
|
500
|
550
|
600
|
650
|
700
|
750
|
800
|
в
|
0,7500
|
0,6667
|
0,6000
|
0,5455
|
0,5000
|
0,4615
|
0,4286
|
0,4000
|
0,3750
|
cos2в
|
0,0000
|
-0,5000
|
-0,8090
|
-0,9595
|
-1,0000
|
-0,9709
|
-0,9010
|
-0,8090
|
r1,3
|
-0,4118
|
-0,5104
|
-0,5666
|
-0,5928
|
-0,5998
|
-0,5948
|
-0,5827
|
-0,5666
|
-0,5484
|
R1,3
|
0,1696
|
0,2605
|
0,3211
|
0,3515
|
0,3597
|
0,3538
|
0,3396
|
0,3211
|
0,3008
|
T1,3
|
0,8304
|
0,7395
|
0,6789
|
0,6485
|
0,6403
|
0,6462
|
0,6604
|
0,6789
|
0,6992
|
.2 Двухслойное
отражающее покрытие
n2h2 = n3h3= л0/4 = 600/4 = 150 нм
n2= nв
n3= nн
Находим показатель преломления n3:
Из таблицы плёнкообразующих
материалов выбираем материал с минимальным показателем преломления для
заданного диапазона л1-л2=400 - 800 нм:
Пленкообразующий материал
|
Показатель преломления слоя,
n
|
Методы нанесения
|
Температура плавления, Тпл,° С
|
Область спектра, l1-l2,
мкм
|
фтористый кальций СaF2
|
1,23 - 1,46
|
И, ИЭ
|
1360
|
0,15-12.
|
n3 = 1,23
Рассчитаем минимальный коэффициент
отражения по формуле:
nв=2.4
nн=1.23
Рассчитаем амплитудные и
энергетический коэффициенты отражения системы воздух - плёнки - подложка:
;
;
.
где
R1,3 = |r1,3|2
Т1,3 = 1 - R1,3
Для построения спектральной
характеристики R1,4= f(в) и R1,4 = f(л) составим таблицы 2.3 и 2.4:
Таблица 2.3
n2·h2
|
0
|
л0/4
|
л0/2
|
3л0/4
|
л0
|
в
|
0
|
р/2
|
р
|
3р/2
|
2р
|
cos2в
|
1
|
-1
|
1
|
-1
|
1
|
r2,4
|
0,2497
|
0,3913
|
0,2497
|
0,3913
|
0,2497
|
r1,4
|
-0,18066
|
-0,69166
|
-0,18066
|
-0,69166
|
-0,18066
|
R1,4
|
0,0326
|
0,4784
|
0,0326
|
0,4784
|
0,0326
|
T1,4
|
0,9674
|
0,5216
|
0,9674
|
0,5216
|
0,9674
|
Таблица 2.4
л, нм
|
400
|
450
|
500
|
550
|
600
|
650
|
700
|
750
|
800
|
в
|
0,7500
|
0,6667
|
0,6000
|
0,5455
|
0,5000
|
0,4615
|
0,4286
|
0,4000
|
0,3750
|
cos2в
|
0,000
|
-0,5000
|
-0,8090
|
-0,9595
|
-1,0000
|
-0,9709
|
-0,9010
|
-0,8090
|
-0,7071
|
r2,4
|
0,3223
|
0,3573
|
0,3784
|
0,3886
|
0,3913
|
0,3894
|
0,3847
|
0,3784
|
0,3715
|
r1,4
|
-0,4118
|
-0,5499
|
-0,6375
|
-0,6802
|
-0,6917
|
-0,6834
|
-0,6636
|
-0,6375
|
-0,6086
|
R1,4
|
0,1696
|
0,3024
|
0,4065
|
0,4627
|
0,4784
|
0,4671
|
0,4404
|
0,4065
|
0,3704
|
T1,4
|
0,8304
|
0,6976
|
0,5935
|
0,5373
|
0,5216
|
0,5329
|
0,5596
|
0,5935
|
0,6296
|
2.3 Четырехслойное
отражающее покрытие
n2h2 = n3h3= n4h4= n5h5=л0/4 = 600/4 = 150 нм
n2= nв
n3= nн
n4= nв
n5= nн
Находим показатели преломления n4 и n5:
Из таблицы плёнкообразующих
материалов выбираем материалы с максимальным nв= n4 и минимальным
показателем преломления nн= n5 для заданного диапазона л1-л2=400 - 800 нм
Пленкообразующий материал
|
Показатель преломления слоя, n
|
Методы нанесения
|
Температура плавления, Тпл,°
С
|
Область спектра, l1-l2,
мкм
|
Двуокись титана TiO2
|
2.4
|
ИЭ
|
1640
|
0,35-12.
|
фтористый кальций СaF2
|
1,23 - 1,46
|
И, ИЭ
|
1360
|
0,15-12.
|
n4 = 2,4
n5 = 1,23
Рассчитаем интегральный коэффициент
отражения по формуле:
nв=2.4
nн=1.23
Рассчитаем амплитудные и
энергетический коэффициенты отражения системы воздух - плёнки - подложка:
;
;
;
;
;
R1,6= |r1,62 |
Т1,6= 1 - R1,6
Для построения спектральной
характеристики R1,6= f(в) и R1,6 = f(л) составим таблицы 2.5 и 2.6:
Таблица 2.5
n4·h4
|
0
|
л0/4
|
л0/2
|
3л0/4
|
л0
|
в
|
0
|
р/2
|
р
|
3р/2
|
2р
|
cos2в
|
1
|
-1
|
1
|
-1
|
1
|
r4,6
|
0,2497
|
0,3913
|
0,2497
|
0,3913
|
0,2497
|
r3,6
|
-0,07900
|
-0,63372
|
-0,07900
|
-0,63372
|
-0,07900
|
r2,6
|
0,2497
|
0,7939
|
0,2497
|
0,7939
|
0,2497
|
r1,6
|
-0,18066
|
-0,90862
|
-0,18066
|
-0,90862
|
-0,18066
|
R1,6
|
0,0326
|
0,8256
|
0,0326
|
0,8256
|
0,0326
|
T1,6
|
0,9674
|
0,1744
|
0,9674
|
0,1744
|
0,9674
|
Таблица 2.6
л, нм
|
400
|
450
|
500
|
550
|
600
|
650
|
700
|
750
|
800
|
в
|
0,7500
|
0,6667
|
0,6000
|
0,5455
|
0,5000
|
0,4615
|
0,4286
|
0,4000
|
0,3750
|
cos2в
|
0,0000
|
-0,5000
|
-0,8090
|
-0,9595
|
-1,0000
|
-0,9709
|
-0,9010
|
-0,8090
|
-0,7071
|
r4,6
|
0,3223
|
0,3573
|
0,3784
|
0,3886
|
0,3913
|
0,3894
|
0,3847
|
0,3784
|
0,3715
|
r3,6
|
-0,3223
|
-0,4737
|
-0,5720
|
-0,6206
|
-0,6337
|
-0,6243
|
-0,6017
|
-0,5720
|
-0,5393
|
r2,6
|
0,3223
|
0,5195
|
0,6832
|
0,7700
|
0,7939
|
0,7767
|
0,7358
|
0,6832
|
0,6267
|
r1,6
|
-0,4118
|
-0,6066
|
-0,7857
|
-0,8822
|
-0,9086
|
-0,8897
|
-0,8443
|
-0,7857
|
-0,7230
|
0,1696
|
0,3680
|
0,6173
|
0,7783
|
0,8256
|
0,7915
|
0,7128
|
0,6173
|
0,5227
|
T1,6
|
0,8304
|
0,6320
|
0,3827
|
0,2217
|
0,1744
|
0,2085
|
0,2872
|
0,3827
|
0,4773
|
Rсмод
|
0,1737
|
0,3290
|
0,5236
|
0,7086
|
0,8248
|
0,7340
|
0,6335
|
0,5442
|
0,5000
|
2.4
Анализ результатов расчетов
Для выбора оптимальной конструкции
отражающего покрытия построим графики спектральных зависимостей R= f(л) для
всех типов покрытий в единой системе координат.
Оптимальной будет та конструкция,
которая обеспечивает максимальный коэффициент отражения на рабочей длине волны
л0=600 нм и более широкую зону отражения в заданной области спектра.
Таким образом, оптимальным является 4-х
слойное оптическое покрытие.
Обозначим выбранную конструкцию
просветляющего покрытия:
- ВД
Отраж. (110ИЭ 88 ИЭ) 250Ч2
л0 = 600 нм ±20 нм;
сmах = 0,42;
л1 - л2 = 400
- 800 нм.
Материал подложки: ЛК-1 ГОСТ
3514-94;
nс=1.441
Для данной конструкции отражающего
покрытия составим технологический процесс.
Технологический процесс
Технологический процесс включает
следующие основные операции:
Очистка подложек.
Подготовка вакуумной камеры.
Ионная очистка подложек.
Нагрев подложек до фиксированной
температуры.
050 Нанесение оптических покрытий:
Нанесение оптического покрытия СаF2.
Нанесение оптического покрытия TiO2.
Нанесение оптического покрытия СаF2.
Нанесение оптического покрытия TiO2.
Разгерметизация вакуумной камеры,
выгрузка готовых изделий.
Контроль оптических параметров
покрытия.
Содержание операций:
010 - Очистка подложек: подложки из стекла ЛК-1 ГОСТ
3514 - 94 обезжиривают в смеси петролейного эфира и этилового спирта в
соотношении 75% - 25% и окончательно протирают тампонами обезжиренной ваты,
смоченной в абсолютном этиловом спирте. Очищенные детали протирают
обезжиренными батистовыми салфетками. Готовые детали вставляют в съёмные оправы
подложкодержателя и с поверхностей беличьей кисточкой удаляются ворсинки.
Очищенные детали в оправах загружают в подложкодержатель, и подложкодержатель
устанавливается в вакуумную камеру. При выполнении этой операции оператор
должен работать в резиновых перчатках или напальчниках.
020 - Подготовка вакуумной камеры происходит параллельно с
операцией 010:
S Очистка элементов подколпачной
аппаратуры (экранов, испарителей, заслонов) от пленок испаряемых материалов и
пропитку их спиртом.
S Загрузка исходных пленкообразующих
материалов в испарители (TiO2, и CaF2 в 4х позиционный тигель электронно-лучевого
испарителя).
S Загрузка подложкодержателя с
очищенными оптическими деталями.
S Проверка работоспособности
механизмов и устройств в вакуумной камере: вращение подложкодержателя,
перемещение заслонок, работа фотометра.
S Откачка камеры до давления примерно
2 Па.
030 - Операция ионной очистки подложек проводится в камере
(р=2…1.38 Па) в течение 5-10 минут при напряжении 500 В на электроде ионной
очистки и токе разряда 150 - 200 мА. При этом включается вращение
подложкодержателя с частотой n = 10-20 мин -1. В процессе ионной очистки ионами
остаточных газов с поверхности удаляются пылинки и молекулы тяжелых газов. По
окончании ионной очистки камера откачивается до Р = 10 -2 - 10 -3
Па.
040 - Нагрев подложек до фиксированной температуры Тподл =2500С,
происходит в высоком вакууме при одновременном вращении подложкодержателя. При
этом с поверхности оптических деталей удаляются пары воды и молекулы легких
газов. Время нагрева 5 - 15 минут.
050 - Нанесение оптического покрытия начинают после
обезгаживания пленкообразующих материалов при закрытой заслонке. Для этого
материал нагревают до температуры на 100 0С ниже, чем Тисп.
В процессе прогрева давление вакуумной камеры повышается, а потом понижается до
Р = 10-3 Па. Обезгаживание считается законченным, когда давление
восстанавливается до первоначального значения. Далее включают фотометр, выводят
нагреватель или ЭЛИ на режим испарения, открывают заслонку и проводят испарение
материала, фиксируя параметры испарителя или ЭП. Контроль за нанесением
испарителя ведут по фотометру. При нанесении просветляющих покрытий метод
контроля на пропускание раздельный, так как m ≥3, и экстримальный.
051 - Нанесение оптического покрытия CaF2.
Режимы нанесения пленки:
ИЭ Р =10 -3 Па;
Тисп.= 1360° С;
Тпод =250° С
U = 6кВ;
Iн = 10-12 А;
Iэм = 20-60 мА.
052 - Нанесение оптического покрытия TiO2.
Режимы нанесения пленки:
ИЭ Р=10-3 Па;
Тисп = 1640° С;
Тпод =250° С;
U= 6кВ;
Iн = 10-12 А;эм
= 20-60 мА.
053 - Нанесение оптического покрытия CaF2.
Режимы нанесения пленки:
ИЭ Р =10 -3 Па;
Тисп.= 1360° С;
Тпод =250° С
U = 6кВ;
Iн = 10-12 А;
Iэм = 20-60 мА.
054 - Нанесение оптического покрытия TiO2.
Режимы нанесения пленки:
ИЭ Р=10-3 Па;
Тисп = 1640° С;
Тпод =250° С;
U= 6кВ;
Iн = 10-12 А;эм
= 20-60 мА.
060 - Разгерметизация вакуумной камеры: после окончания процесса нанесения
выключается вращение подложкодержателя. При снижении Тподл до 50єС
камера отсекается высоковакуумным затвором от высоковакуумной системы откачки,
производится напуск воздуха, открывается вакуумная камера и производится
выгрузка оптических деталей в специальную кассету.
070 - Контроль. В связи с проведением группового технологического
процесса нанесения покрытий на контроль попадают от 2 до 3 штук из партии,
проверяют параметры rl=f(l), tl=f(l) на фотометре СФ-8 или СФ-4 и сравнивают полученные характеристики
с расчетными. Определяют группу механической прочности на установке СД-500.
Построим графики зависимости от
разности фаз:
1. Для первого свидетеля (на
отражении):
2. Для второго свидетеля (на
отражении)
Номер свидетеля
|
лфотом
|
Фазовая толщина
|
1 свидетель
|
558
|
1,56384
|
|
|
1,57409
|
|
|
1,57409
|
2 свидетель
|
558
|
1,56384
|
Список использованной
литературы
оптический отражение
спектральный
1. Конспект лекций по
дисциплине «Оптические покрытия».
2. Справочник
технолога-оптика/ М.А. Окатов, Э.А. Антонов, А. Байгоджин и др.; под редакцией
М.А. Окатова. - 2-е издание, переработанное и дополненное - СПб.: Политехника,
2009-679 с.