Расчет многослойных просветляющих и отражающих покрытий

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И  ИНФОРМАТИКИ

 

 

 

Кафедра «Инновационные технологии в приборостроении, микро- и оптоэлектронике»

 

 

 

Дисциплина: «Оптические покрытия»

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему:

 

 

 

«Расчет многослойных просветляющих и отражающих покрытий»

 

 

 

Вариант № 17

 

 

 

 

 

 

 

 

Работу выполнил: Мишин А.С.

Курс: 4

специальность: 200204

 

Преподаватель: Гриднева Г. Н.

 

 

 

 

 

 

 

МОСКВА, 2013

 

Задание 1.

 

Для заданной марки оптического  материала произвести расчёт однослойного, двухслойного, трёхслойного и многослойного просветляющего покрытия с минимальным коэффициентом отражения для данной длины волны λ₀.

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(β), R=f(λ). Для оптимальной конструкции покрытия составить технологическую карту его нанесения.

 

Исходные  данные:

Вариант№17

Материал: БФ-6 ГОСТ3514-94

n_с=1.5724

устойчивость к химическим реагентам – II;

устойчивость к влажной атмосфере  – А;

однослойное покрытие : λ₀/4;

двухслойное покрытие: λ₀/4 – λ₀/4;

трёхслойное покрытие: λ₀/4 – λ₀/2 – λ₀/4 ;

четырехслойное покрытие – λ₀/4 – λ₀/4 – λ₀/4 – λ₀/4.

λ₀=640±20нм

λ₁ – λ₂=300 – 1500нм

 

 

 

 

 

1. Расчет многослойного просветляющего покрытия.

 

1.1.Однослойное просветляющее покрытие

 

 

n₁ = 1;

Условие потери полуволны:

n₁< n₂< n₃

n₂h₂ = λ₀/4

n₂h₂ = 640/4 = 160 нм

Рассчитываем показатель преломления:

Из таблицы плёнкообразующих материалов выбираем материал с наиболее близким показателем преломления  к расчётному для заданного диапазона λ₁-λ₂=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,

       β – угол  сдвига фаз:

,                                                                                                                                

где λ – длина волны;

R_i,j = |r_i,j|²; 

Т_i,j = 1- R_i,j

                                                                                                                                  

;

;

.

R_1,3 = |r_1,3|²

Т_1,3 = 1- R_1,3

 

Для построения спектральной характеристики R_1,3 = f(β) и R_1,3  = f(λ) составим таблицы 1.1 и 1.2.:

                                                                                                             таблица 1.1

n2·h2	0	λ0/4	λ0/2	3λ0/4	λ0
β	0	π/2	π	3π/2	2π
cos2β	1	-1	1	-1	1
r1,3	-0,2222	0,192	-0,2222	0,192	-0,2222
R1,3	0,049	0,0003	0,049	0,0003	0,049
T1,3	0,951	0,9997	0,951	0,9994	0,951

 

 

 

таблица 1.2

λ, нм	300	450	600	750	900	1050	1200	1350	1500	640
β	3,751	2,234	1,676	1,34	1,117	0,957	0,838	0,745	0,67	1,57
cos2β	0,914	-0,242	-0,978	-0,896	-0,616	-0,337	-0,105	0,081	0,228	-1
r1,3	-0,212	-0,0012	-0,017	0,006	-0,028	-0,062	-0,09	-0,113	-0,131	0,0192
R1,3	0,045	0,005	0,0002	0,0004	0,0007	0,003	0,008	0,013	0,017	0,0003
T1,3	0,955	0,955	1	1	0,999	0,996	0,992	0,987	0,983	0,9997

 

 

 

1.2. двухслойное  просветляющее покрытие

 

 

n₂h₂ = n₃h₃= λ₀/4 = 640/4 = 160 нм

 

Рассчитываем показатель преломления n₃:

Из таблицы плёнкообразующих материалов выбираем материал с наиболее близким показателем преломления к расчётному для заданного диапазона λ₁-λ₂=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

R_1,3 = |r_1,3|²

Т_1,3 = 1- R_1,3

 

Для построения спектральной характеристики R_1,4= f(β) и R_1,4 = f(λ) составим таблицы 1.3 и 1.4:

 

таблица 1.3

n2·h2	0	λ0/4	λ0/2	3λ0/4	λ0
β	0	π/2	π	3π/2	2π
cos2β	1	-1	1	-1	1
r2,4	-0,1218	-0,1021	-0, 1218	-0,1021	-0, 1218
r1,4	-0,222	0,0015	-0,222	0,0015	-0,222
R1,4	0,049	0,000002	0,049	0,000002	0,049
T1,4	0,951	1	0,951	1	0,951

 

 

 

таблица 1.4

λ, нм	300	450	600	750	900	1050	1200	1350	1500	640
β	3,751	2,234	1,676	1,34	1,117	0,957	0,838	0,745	0,67	1,57
cos2β	0,914	-0,242	-0,978	-0,896	-0,616	-0,337	-0,105	0,081	0,228	-1
r2,4	-0,121	-0,109	-0,102	-0,103	-0,106	-0,108	-0,111	-0,113	-0,114	-0,1218
r1,4	-0,212	-0,077	0,0035	-0,011	-0,038	-0,067	-0,092	-0,112	-0,129	0,0015
R1,4	0,045	0,0059	0,00001	0,0001	0,001	0,004	0,0008	0,013	0,017	0,000002
T1,4	0,955	0,994	1	1	0,999	0,996	0,992	0,987	0,983	1

 

 

 

 
1.3. трехслойное  просветляющее покрытие

 

 

 

n₂h₂ = n₄h₄=λ₀/4 = 600/4 = 160 нм

n₃h₃ =λ₀/2=640/2=320 нм

 

Находим показатель преломления n₄:

 

Из таблицы плёнкообразующих материалов выбираем материал с наиболее близким показателем преломления для заданного диапазона λ₁-λ₂=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:

                                                                                                         

;

;

;

;

;

.

 

R_1,5= |r_1,5² |

Т_1,5= 1- R_1,5

 

Для построения спектральной характеристики R_1,5= f(β) и R_1,5 = f(λ) составим таблицы 1.7 и 1.8:

таблица 1.7

n4·h4	0	λ0/4	λ0/2	3λ0/4	λ0
β	0	π/2	π	3π/2	2π
cos2β	1	-1	1	-1	1
r3,5	-0,011	-0,0209	-0,011	-0,0209	-0,011
r2,5	-0,1328	-0,1013	-0,1328	-0,1013	-0,1328
r1,5	-0,2326	-0,05624	-0,2326	-0,05624	-0,2326
R1,5	0,049	0,00037	0,049	0,00037	0,049
T1,5	0,951	0,999	0,951	0,999	0,951