Расчет многослойных просветляющих и отражающих покрытий

 

 

 

 

 

 

таблица 1.8

 

λ, нм	300		450	600	750	900	1050		1200	1350	1500	640
β1(nh=λ0/4)	3,751		2,234	1,676	1,34	1,117	0,957		0,838	0,745	0,67	1,57
β2(nh=λ0/2)	6,701		4,468	3,351	2,681	2,234	1,915		1,676	1,489	1,34	3,14
cos2β1	0,914		-0,242	-0,978	-0,896	-0,616	-0,337		-0,105	0,081	0,228	-1
cos2β2	0,669		0,367	-0,022	-0,408	-0,73	-0,938		-0,999	-0,904	-0,667	1
r3,5	-0, 011		-0,017	-0, 021	-0,021	-0,019	-0,018		-0,017	-0,016	-0,015	-0,209
r2,5	-0,119		-0,118	-0,111	-0,103	-0,098	-0,095		-0,096	-0,098	-0,102	-0,1013
r1,5	-0,21		-0,075	0,0059	-0,011	-0,043	-0,071		-0,093	-0,111	-0,126	-0,0017
R1,5	0,044		0,0056	0,00003	0,0001	0,0018	0,005		0,0086	0,1232	0,016	0,00037
T1,5	0,956		0,994	0,9999	0,9999	0,998	0,995		0,991	0,988	0,984	0,999
Rсмод	0,04679	0,0049		0,00076	0,00001	0,0018		0,0056	0,0094	0,0130	0,01646	0,00089

 

 

 

 

 

 

 

 

1.4. четырехслойное  просветляющее покрытие

 

n₂h₂ = n₃h₃= n₄h₄= n₅h₅=λ₀/4 = 640/4 = 160 нм

 

Находим показатель преломления n₅:

 

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 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:

                                                                                                         

;

;

;

;

;

.

R_1,6= |r_1,6² |

Т_1,6= 1- R_1,6

 

Для построения спектральной характеристики R_1,6= f(β) и R_1,6 = f(λ) составим таблицы 1.9 и 1.10:

таблица 1.9

n4·h4	0	λ0/4	λ0/2	3λ0/4	λ0
β	0	π/2	π	3π/2	2π
cos2β	1	-1	1	-1	1
r4,6	0,0055	0,026	0,0055	0,026	0,0055
r3,6	-0,01	-0,042	-0,01	-0,042	-0,01
r2,6	-0,122	-0,07	-0,122	-0,07	-0,122
r1,6	-0,223	-0,033	-0,223	-0,033	-0,223
R1,6	0,049	0,0003	0,049	0,0003	0,049
T1,6	0,951	0,999	0,951	0,999	0,951

 

 

 

таблица 1.10

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
r4,6	0,006	0,018	0,026	0,025	0,022	0,619	0,017	0,015	0,014	0,026
r3,6	-0,01	-0,02	-0,042	-0,039	-0,03	-0,023	-0,018	-0,015	-0,013	-0,042
r2,6	-0,121	-0,107	-0,072	-0,078	-0.094	-0,104	-0.011	-0,113	-0,115	-0,07
r1,6	-0,211	-0,077	-0,033	-0,034	-0,046	-0,068	-0,092	-0,112	-0,129	-0,033
R1,6	0,045	0,605	0,0011	0,0011	0,002	0,0046	0,0084	0,013	0,017	0,0003
T1,6	0,955	0,994	0,999	0,999	0,998	0,995	0,992	0,987	0,983	0,9997

 

 

 
              1.5.Анализ результатов расчетов

 

Для выбора оптимальной  конструкции просветляющего покрытия построим графики спектральных зависимостей R= f(λ) для всех типов покрытий в единой системе координат.

 

Оптимальной будет та конструкция, которая обеспечивает минимальный коэффициент отражения на рабочей длине  волны λ₀=640нм и более широкую зону просветления в заданной области спектра.

Таким образом,  оптимальным  является 3-х слойное оптическое покрытие.

Построим графики спектральных зависимостей R= f(λ)  для 3-х слойного покрытия (теоретический и смоделированный):

 

 

 

Обозначим выбранную  конструкцию просветляющего покрытия:

 

 ВД– Просветл.    112 ИЭ  97 ИЭ  110 ИЭ₁₅₀

λ₀ = 640 нм ±20 нм;

ρ_min = 0,00037;

λ₁ – λ₂ = 300 – 1500 нм.

Материал подложки: стекло БФ-6 ГОСТ 3514-94;

    n_с=1.5724

 

Для данной конструкции  просветляющего покрытия составим  технологический процесс.

 

Технологический процесс

Технологический процесс включает  следующие основные операции :

010  Очистка подложек.

020 Подготовка вакуумной камеры.

030  Ионная очистка подложек.

040  Нагрев  подложек до фиксированной температуры.

050  Нанесение оптических  покрытий:

                      051 Нанесение оптического покрытия LaF₃.

052  Нанесение оптического покрытия  YF₃

053  Нанесение оптического покрытия CaF₂.

060  Разгерметизация  вакуумной камеры , выгрузка готовых  изделий.

070  Контроль оптических  параметров  покрытия.

 

Содержание операций:

 

010 – Очистка подложек: подложки из стекла  БФ-6  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:

 

• Очистка элементов подколпачной аппаратуры (экранов, испарителей, заслонов) от пленок  испаряемых материалов и пропитку их спиртом. 
• Загрузка исходных пленкообразующих материалов в испарители  (YF₃,LaF₃, и CaF₂ в 4^х  позиционный тигель электронно-лучевого испарителя).
• Загрузка подложкодержателя с очищенными оптическими деталями.
• Проверка  работоспособности механизмов и устройств в вакуумной камере: вращение подложкодержателя, перемещение заслонок, работа фотометра.
• 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 Т_подл =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  Т_исп . 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 LaF₃ .

Режимы нанесения пленки:

ИЭ    Р=10^-3 Па;

Т_исп    = 1750° С;

Т_под =150° С;

U= 6кВ;   

I_н = 10-12 А;

I_эм = 20-60 мА.

 

052 – Нанесение оптического покрытия  YF₃

Режимы нанесения пленки:

ИЭ    Р=10^-3 Па;

                Т_исп    = 1136° С;

Т_под =150° С;

U= 6кВ;   

I_н = 10-12 А;

I_эм = 20-60 мА.

  

 053 – Нанесение оптического покрытия CaF₂.