Расчет многослойных просветляющих и отражающих покрытий

 

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(β) и R1,4 = f(λ) составим таблицы 2.3 и 2.4:

 

таблица 2.3

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	0,2497	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

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	0,000	-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

 

 

• четырехслойное  отражающее покрытие

 

 

 

n2h2 = n3h3= n4h4= n5h5=λ0/4 = 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 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.
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(β) и R1,6 = f(λ) составим таблицы 2.5 и 2.6:

 

таблица 2.5

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	0,2497	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

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
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
R1,6	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

 

4. Анализ результатов расчетов

 

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

 

 

Оптимальной будет та конструкция, которая обеспечивает максимальный коэффициент отражения на рабочей длине  волны λ0=600нм 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) 250×2

λ0 = 600 нм ±20 нм;

ρmах = 0,42;

λ1 – λ2 = 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 :

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 СаF2.

052  Нанесение  оптического покрытия TiO2.

053  Нанесение оптического покрытия  СаF2.

054  Нанесение оптического покрытия TiO2..

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  (TiO2, 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 =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;

Iэм = 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;

Iэм = 20-60 мА.

 

060 – Разгерметизация  вакуумной камеры: после окончания процесса нанесения выключается вращение подложкодержателя. При снижении Тподл до 50ºС камера отсекается высоковакуумным затвором от высоковакуумной системы откачки, производится напуск воздуха, открывается вакуумная камера и производится выгрузка оптических деталей в специальную кассету.