Расчет многослойных просветляющих и отражающих покрытий

 

 

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=600нм и более широкую зону просветления в заданной области спектра.

Таким образом,  оптимальным является 4-х слойное оптическое покрытие.

Построим графики спектральных зависимостей R= f(λ)  для 4-х слойного покрытия (теоретический и смоделированный):

 

 

Обозначим выбранную конструкцию просветляющего покрытия:

 

 ВД– Просветл.  97ИЭ  112 ИЭ  97 ИЭ  110 ИЭ150

λ0 = 600 нм ±20 нм;

ρmin = 0,006;

λ1 – λ2 = 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 :

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 YF3.

052  Нанесение  оптического покрытия LaF3.

053  Нанесение оптического покрытия  YF3

054  Нанесение оптического покрытия CaF2.

060  Разгерметизация вакуумной  камеры , выгрузка готовых изделий.

070  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:

 

• 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 4х  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 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;

Iэм = 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;

Iэм = 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 50ºС камера отсекаеся 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	λфотом	Фазовая толщина
1 свидетель	546	1,56384
	546	1,56569
	546	1,56569
2 свидетель	546	1,56384

 

 

Задание 2.

 

Для заданной марки оптического материала произвести расчёт однослойного, двухслойного и многослойного отражающего покрытия с максимальным 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№1

Материал: ЛК-1 ГОСТ3514-94, nс=1.441

устойчивость к химическим реагентам – III;

устойчивость к влажной атмосфере – А;

однослойное покрытие : λ0/4;

двухслойное покрытие: λ0/4 – λ0/4;

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

λ0=600±20нм

λ1 – λ2=400 – 800нм

 

II. Расчет многослойного отражающего покрытия

 

2.1 Однослойное отражающее покрытие

n1 = 1;

n1< n2 >n3

n2= nв

n3= nн

n2h2 = λ0/4 , n2h2 = 600/4 = 150 нм

 

Из таблицы плёнкообразующих материалов выбираем материал с максималь-ным 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
Двуокись титана TiO2	2.4	ИЭ	1640	0,35-12.

n2  = 2.4

 

Рассчитаем интегральный коэффициент отражения по формуле:          

nв=2.4

nн=1.441

Рассчитаем амплитудные и энергетический коэффициенты отражения системы воздух – плёнка – подложка по формулам:

;                                                                                                                           

,                                                                                                         

где i – порядковый номер слоя,

       j – число слоёв,

       β – угол  сдвига фаз:

,                                                                                                                                

где λ – 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(β) и R1,3  = f(λ) составим таблицы 2.1 и 2.2.:

таблица 2.1

 

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	-0,1807	-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

λ, нм	400	450	500	550	600	650	700	750	800
β	0,7500	0,6667	0,6000	0,5455	0,5000	0,4615	0,4286	0,4000	0,3750
cos2β	0,0000	-0,5000	-0,8090	-0,9595	-1,0000	-0,9709	-0,9010	-0,8090	-0,7071
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= λ0/4 = 600/4 = 150 нм

 

n2= nв

n3= nн

 

Находим показатель преломления n3:

Из таблицы плёнкообразующих материалов выбираем материал с минималь-ным 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 кальций СaF2	1,23 – 1,46	И, ИЭ	1360	0,15-12.