автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Фазо-компенсирующие интерференционные тонкопленочные диэлектрические системы

На правах рукописи

А

Никандров Георгий Васильевич

ФАЗО-КОМПЕНСИРУЮЩИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005559411

Санкт-Петербург - 2014

005559411

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Губанова Людмила Александровна

Официальные оппоненты: Котликов Евгений Николаевич

доктор физико-математических наук, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, профессор

Михайлов Анатолий Васильевич

кандидат технических наук

ОАО «Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова», главный технолог

Ведущая организация: ОАО «ЛОМО»

Защита состоится «17» декабря 2014 г. в 17.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190000, Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14, ауд.314 а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190000, Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14 и на сайте fppo.ifrno.ru .

Автореферат разослан « /4 » ДО^о-ЬЛ 2014 года. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.01

кандидат технических наук, доцент Красавцев В. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертациоиной работы

Интерференционные диэлектрические системы широко применяются при создании зеркал, светоделителей, фильтров, просветляющих покрытий, обладающих малым поглощением. Диэлектрические покрытия, как правило, выполняют только одну функцию: изменение энергетических характеристик излучения. Однако им можно придать дополнительные функции, связанные с формированием фронта световой волны, например, исправление дефектов подложки, исправление аберраций, получение длиннофокусных сферических зеркал, создание асферических поверхностей, и другие. При этом, как правило, присоединение второй функции приводит к ухудшению первой, связанной с формированием энергетических характеристик отражённого или прошедшего излучения. Задачей работы является создание покрытий, позволяющих формировать волновой фронт без существенного изменения отражения (пропускания) этих покрытий по поверхности оптического элемента.

В работе исследуются фазо-компенсирующие покрытия. Это покрытия, у которых с изменением оптической толщины одного или нескольких слоев, значение энергетического коэффициента отражения (пропускания), в заданном спектральном диапазоне, не изменяется.

Цель и задачи работы

Цель диссертационной работы состояла в разработке и исследовании принципиально нового типа оптических покрытий - фазо-компенсирующих. Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

1. Исследование конструкций (порядка чередования показателей преломления и толщин слоев) фазо-компенсирующих покрытий;

2. Анализ возможности создания фазо-компенсирующих систем с большим количеством чередующихся градиентных слоев;

3. Разработка технологического процесса изготовления фазо-компенсирующих покрытий;

4. Разработка аналитического метода нахождения параметров технологической оснастки для создания покрытий с параметрами, максимально приближенными к заданным.

Объект исследования

Объектом исследований является принципиально новый тип оптических покрытий - фазо-компенсирующих, формирующих фазовые характеристики отражённого или прошедшего светового излучения в заданном спектральном диапазоне.

Методы исследования

Для решения поставленной задачи были использованы основные положения теоретических моделей, описывающих энергетические и фазовые характеристики многослойных систем, образованных прозрачными слоями. Исследовано влияние формы диафрагмы на характер распределения толщины слоя по поверхности оптической детали. Для создания градиентных слоев с заданным распределением толщины или коэффициента отражения по поверхности оптической детали была разработана программа синтеза,

позволяющая определить условия изготовления градиентного покрытия с использованием круглых диафрагм.

Научная новизна

1. Разработан принципиально новый тип покрытий, формирующий волновой фронт отраженного или прошедшего излучения при неизменном значении энергетического коэффициента отражения (пропускания) по поверхности оптического элемента;

2. Показано, что значение энергетического коэффициента отражения (пропускания) фазо-компенсирующих покрытий по поверхности оптического элемента определяется показателями преломления и оптическими толщинами слоев их формирующих, и может лежать в диапазоне от 0 до 1;

3. Разработан аналитический метод расчета параметров технологической оснастки, для получения фазо-компенсирующих и градиентных покрытий с параметрами максимально приближенными к заданным;

4. Экспериментально изготовлены фазо-компенсирующие покрытия и исследованы их оптические характеристики.

Практическая ценность работы

1. Разработанные покрытия могут применяться в лазерных резонаторах для формирования формы волнового фронта с большой крутизной на малых размерах оптических элементов.

2. Предложен метод выбора пленкообразующих материалов, показатели преломления которых позволяют обеспечивать постоянство коэффициента отражения (пропускания) оптического элемента при переменной толщине одного из слоев, входящих в состав интерференционного покрытия.

3. Полученные структуры покрытий позволяют создавать асферические детали с высокой точностью.

4. Созданные структуры интерференционных покрытий могут являться альтернативой мягких диафрагм.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Принципиально новый тип покрытий - фазо-компенсирующих;

2. Результаты исследования двух- и трехслойных фазо-компенсирующих систем. Зависимость максимального пропускания от показателей преломления слоев, формирующих эти системы. Зависимость разности фаз между отраженной и падающей, прошедшей и падающей волнами по поверхности оптического элемента;

3. Результаты анализа многослойных чередующихся четвертьволновых фазо-компенсирующих покрытий с переменным по толщине верхним слоем;

4. Результаты исследования возможности создания фазо-компенсирующих систем с неограниченным количеством чередующихся градиентных слоев, показатель преломления которых зависит от показателей преломления соседних слоев. Количество чередующихся градиентных слоев может быть любым, зависящим от механической прочности системы;

5. Результаты моделирования условий получения покрытия с характеристиками максимально близкими к заданным;

6. Результаты экспериментальных исследований оптических характеристик фазо-компенсирующих покрытий.

Вклад автора в работу

Диссертация отражает личный вклад автора в проведенные исследования. Соавторство относится, в основном, к оказанию соискателю методической помощи при решении поставленных задач и технической помощи при выполнении экспериментальных исследований.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 8 конференциях.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 статей, из которых 2 статьи опубликованы в рецензируемых журналах из перечня ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа содержит 118 страниц текста, 72 рисунка и 10 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение диссертационной работы посвящено обоснованию актуальности выбранной темы. Во введении определены цели и задачи выполненного исследования, приведены положения, раскрывающие его новизну и практическую ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе произведенный литературный обзор, посвященный распространению света в многослойных системах. Рассмотрены методы описания этого процесса. Обсуждены достоинства и недостатки конструкций.

Описано изменение формы волнового фронта световой волны, отраженной от интерференционной четвертьволновой диэлектрической системы со слоями переменной толщины.

Рассмотрены градиентные зеркала с переменным по радиусу коэффициентом отражения. Такие системы используются для решения прикладных задач, связанных с обеспечением заданного поперечного распределения поля на выходе лазера.

В работе были проанализированы мягкие диафрагмы - это системы, размещенные внутри резонатора лазерной системы, имеющие максимальное пропускание в центре по оси и минимальное на краях. В качестве мягких диафрагм могут быть использованы интерференционные фильтры, диэлектрические зеркала, а также системы, имеющих переменное пропускание по радиусу элемента за счет либо поглощения в материале вещества образующего элемент, либо рассеивания.

Рассмотренные выше способы обладают одним существенным недостатком, заключающимся в том, что с градиентом толщины пленкообразующих слоев связано не только изменение пространственного распределения интенсивности отраженного и прошедшего излучения, но и

появление в отраженной и прошедшей световой волне фазовых искажений. В ряде случаев применения градиентных зеркал данное обстоятельство может оказаться решающим и привести не к ожидаемому улучшению, а к ухудшению пространственно-энергетических характеристик генерируемого излучения. Задача разделения влияния амплитудных и фазовых характеристик градиентных зеркал на формирование пространственно-энергетических характеристик лазерного излучения может быть решена с помощью фазо-компенсирующих систем, имеющих постоянный коэффициент отражения по поверхности оптического элемента, но меняющиеся в зависимости от толщины слоев фазовые характеристики.

Кроме того, были рассмотрены киноформные элементы, управляющие волновым фронтом падающего излучения. Не смотря на то, что подобные элементы имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными оптическими элементами, они обладают и рядом существенных недостатков.

Во второй главе исследованы фазо-компенсирующие покрытия. Фазо-компенсирующие покрытия - диэлектрические системы слоев, у которых при изменении оптической толщины одного или нескольких слоев коэффициент отражения или пропускания (амплитудный или энергетический) остается постоянным, а разность фаз между отраженным и падающим или прошедшим и падающим зависит от изменения толщины одного или нескольких слоев.

На рисунке (1) изображена схема работы фазо-компенсирующего покрытия. У подобных систем один или несколько слоев имеют переменную по поверхности толщину, а, следовательно, и разную оптическую толщину системы. За счет этой разности можно корректировать форму фронта падающего излучения. При этом значение коэффициента отражения (или пропускания), в некотором спектральном интервале, остается постоянным.

Как простейший случай, была рассмотрена двухслойная четвертьволновая система. П| и Пг - показатели преломления соответствующих слоев, пт - показатели преломления подложки. Рассмотрено нормальное падение света на границу раздела, на которой расположены изотропные,

Т(р) = сош^

фронт падающен световой волны

Фронт прошедшей световой волны

фпз^компгнсирующее покрытие

Рисунок 1 - Схема работы фазо-компенсирующих систем

однородные, бесконечно протяжённые плоскопараллельные слои с оптическими толщинами nidi и пгсЬ, и фазовыми толщинами 9i=2nnidi(X)"' и (р2=2лп2с!2(Х)"1, соответственно.

Определим величину амплитудного коэффициента отражения двухслойной диэлектрической системы, у которой оптическая толщина первого слоя переменная в широких пределах, а оптическая толщина второго слоя равна 0.25А«. Для этого воспользуемся матричным аппаратом: {n0Mu-nmM22) + i{n0nmMn-М21)

г -

(п 0М,, + птМ 22) + i{n0nmMn + м21)'

(8)

где

Ми — (н2 /)sin <у9| Л/ =(í/n2)cosm M2í=(in2) cos<z>, М22 = (и, / «2)sin <р{ ) ) >

С учетом этого

'2 У

Sin (рх + i

Ппп„

-п2 COS

П0П2 , ПтП\

п

sin срх + i

2 У

■ + п,

COS

Величина ri может быть приведена к виду:

_ A(cosq>x -/sin^j) _ A-e~,<h _ А ,(2гг) Fi — ' — — &

Bfcos^ -ísin^j) B-e,<h В

или

r _ A\coscpx + / sin ) _ А_е-гщ 1 jB'ícos^, — / sin ) В' Для того чтобы выполнялось (10) необходимо, чтобы:

п0п2 ПтП\ «0 Пт

И| п2 п2

п0п2 t т 1 _ "о Пт

[ п\ п2 п2

+ 72,

Решив систему уравнений (12) получаем: П1 = п22/пт

Для выполнения условия (11) необходимо, чтобы:

П0П2 _ П0Пп,

П

П-1

ffnfH f»AÍÍM

_2!_L + _0_2_=_0_2L +

и,

«0«.

п,

тогда П1=П0

Уравнение (15) является тривиальным решением. Амплитудный коэффициент отражения при (13) будет равен:

(9)

(Ю)

(П)

(12)

(13)

(14)

/ ■> \

=

П0П„, - П2 \П0Пт ~П2 J

е ", то есть разность фаз между отраженной и

падающей волной постоянна по поверхности зеркала и равна л.

Формирование фронта отраженной световой волны происходит за счет изменения толщины слоя по поверхности зеркала, так как Ау/(р) = 0, то:

2 к

АТ{р) = 2[М\р) + АГ\р)}—,

А

АГ(р) = О

где ,

(Р^ - изменение геометрической толщины слоя в долях Хо от 0 до ,

»1

к - безразмерного коэффициента, отвечающего за изменение толщины градиентного слоя.

Согласно уравнению (13) нашли значения показателей преломления пг= 1,70 (N/^0), по =1 (воздух) и пт=1,52 (стекло марки К8) получаем, что П1 = 1,90

(ТЮг).

Для определения энергетического коэффициента были использованы известные матричные формулы. Спектральное распределение энергетического коэффициента отражения, представлено на трёхмерном рисунке (2).

R, %

Рисунок 2 — Зависимость энергетического коэффициента отражения R от длины волны и оптической толщины градиентного слоя nidi для двухслойной системы

Здесь вертикальная ось R - энергетический коэффициент отражения, ось справа X - длина волны в нанометрах, ось слева - коэффициент к, определяющий толщину первого слоя. Видно, что на рабочей длине волны 550

нм расположена прямая линия параллельная оси к. Значит, на этой длине волны нет зависимости энергетического коэффициента отражения от толщины слоя.

Для подобных двухслойных систем показатель преломления второго четвертьволнового слоя может быть любым. И именно его значение будет определять значение энергетического коэффициента отражения. Показано, что для подобных четвертьволновых фазо-компенсирующих систем энергетический коэффициент отражения может быть близок нулю, но не равен.

Далее были исследованы трехслойные четвертьволновые системы. Решив систему уравнений подобную той, что использовалась для двухслойных систем (12, 14), получаем, что показатель преломления градиентного слоя равен:

П1 = (п22пт)/п32 (16)

На основании выражения (16) были получены следующие трехслойные системы на подложке с показателем преломления пт = 1.52:

Таблица 1

№ П1 п2 Пз Значение R на рабочей длине волны,%

1 1.70 (MgO) 2 (SiO) 1.89 (Y2O3) 7

2 1.89 (Y203) 1.54 (AI2O3) 1.38 (MgF2) 9,5

3 2.Ю(Та205) 2 (SiO) 1.7 (MgO) 12,2

Здесь, так же, как и для двухслойной системы можно получить различающиеся значения энергетического коэффициента отражения. Спектральные распределения энергетического коэффициента отражения первой системы представлено на рис. 3.

Рисунок 3 — Зависимость энергетического коэффициента отражения R от длины волны и оптической толщины градиентного слоя nidi для трехслойной системы MgO-SiO-YaCb

После рассмотрения двух- и трехслойных фазо-компенсирующих систем были проанализированы подобные многослойные покрытия с переменным по

толщине верхним слоем. Были найдены уравнения, позволяющие значения показателей преломления градиентного слоя для четных нечетных (18) систем:

я,

2 \2/

И.

наити (17) и

(17)

(18)

п, щ

где 1 - число пар слоев, равное 2к или 2к+1, соответственно, к - любое целое число.

Таким образом, показано, что фазо-компенсирующее покрытие может состоять из любого количества чередующихся слоев и градиентного верхнего.

Также были рассмотрены фазо-компенсирующие многослойные четвертьволновые системы с чередующимися градиентными слоями. Примером таких систем, содержащей четное количество слоев, является четырехслойное покрытие, у которого 2 и 4 слой четвертьволновый, а 1 и 3 переменной толщины (рис. 4). Было показано, что количество таких чередующихся градиентных слоев может быть любым. Показатель преломления четвертьволнового слоя зависит только от показателей преломления соседних градиентных слоев (19).

Рисунок 4 - Многослойная четвертьволновая система с чередующимися градиентными слоями, где п, — показатель преломления четвертьволнового слоя, пи и п|+| — показатели преломления соседних градиентных слоев.

(19)

При подборе материалов, формирующих градиентные слои, удобней выразить их показатели преломления через показатели преломления четвертьволновых. Тогда для 3-его слоя согласно выражению (И) получаем:

а для первого слоя

п, = п, и / пл

. Примером подобной системы

может быть следующее покрытие (таб. 2): Таблица 2

П] п2 Пз п4 Значение Я на рабочей длине волны, %

1.54 (А120з) 1,7 (МёО) 1,9 (ТЮ2) 1,7 (МёО) 4,7

Для диэлектрических систем, содержащих нечетное число слоев, примером является пятислойное покрытие, где 2, 4 и 5 слой четвертьволновые, а 1 и 3 переменной толщины. Показатель преломления 3-его слоя находится

согласно выражению (12) 3 4 т 5 , а показатель преломления 1-ого слоя равен:

пх=п2п21п2пт

Таблица 3 _

П1 П2 п3 П4 п5 Значение Я на рабочей длине волны, %

1.38 1,7 (МвО) 2,1 (Та205) 1,7 (М80) 1,45 (БЮг) 2,6

Таким образом, мы может создать систему с неограниченным количеством градиентных слоев. Используя такие покрытия, например, в асферической оптике, мы можем достичь большой крутизны поверхности.

В третьей главе рассмотрены способы формирования градиентных по толщине покрытий с использованием круглой диафрагмы. Было получено уравнение для нахождения распределения толщины слоя в зависимости от параметров технологической оснастки:

Толщина слоя, осаждаемого на подложке, равна:

2 у \

,= | (20) О Р

= агссо5(-ганпн-к)-(21)

где Н — расстояние от плоскости, в которой размещен испаритель, до плоскости, в которой размещена деталь,

Ь — расстояние между плоскостями, в которых расположены испаритель и диафрагма,

Р - расстояние от электронно-лучевого испарителя до подложки, а - расстояние от оси вращения подложки до электронно-лучевого испарителя,

г - расстояние от оси вращения до некоторой точки на подложке, га — радиус диафрагмы,

Ф - угол между поверхностью подложки и вектором г, и - угол между нормалью к испарителю и направлением на исследуемую точку на поверхности подложки.

Раскрыли интеграл, применив разложение с высокой степенью точности, учтя, что г2 « а2 + Н2. Получили уравнение для нахождения распределения толщины слоя от параметров технологической оснастки:

г= Г.-агссоз^2-^-^2-^2) (22)

(а2+Н2)2 2аНг{Н-Щ

Получив данное уравнение, становиться возможным рассчитать параметры технологической оснастки для получения распределения толщины слоя на подложке, максимально приближенного к заданному. Для этого была написана программа, состоящая из четырех вложенных друг в друга циклов, задающих изменение параметров оснастки. Внутри циклов сравнивалось рассчитанное распределение профиля градиентного покрытия с заданным. В результате выполнения программы были найдены значения четырех параметров технологической оснастки: а, га, Н, Ь.

Для отработки технологического процесса нанесения фазо-компенсирующего покрытия, были изготовлены градиентные покрытия. Распределение энергетического коэффициента отражения по поверхности оптического элемента было проверено на лазерной установке, позволяющей проводить измерения с большим разрешением по площади. Показано, что измеренное и рассчитанное распределение энергетического коэффициента отражения по поверхности близки друг к другу.

Для экспериментального исследования свойств фазо-компенсирующих систем было изготовлены покрытия для лазерной системы с рабочей длиной волны 532 нм. Эта фазо-компенсирующая система работает в пропускании, формируя волновой фронт прошедшего излучения.

Задачей эксперимента было увеличение зоны максимальной интенсивности лазерного пучка. Для определения расходимости пучка на различных расстояниях от источника излучения был измерен диаметр пятна на экране. Был рассчитан угол расходимости, который оказался равен 0,1°. Рассчитав разность хода лучей по центру и на краях, становится возможным посчитать необходимое значение толщины градиентного слоя.

В качестве подложки было выбрано стекло марки К8 (пт=1,52). Второй слой (на подложке) равнотолщинный четвертьволновый БЮг с показателем преломления П2=1,45. Фазовая толщина этого слоя равна:

где Хм - длина волны излучения, на которой ведется фотометрический контроль толщины в процессе осаждения. Численно ее значение равно рабочей длине волны лазерной системы, для которой изготавливается покрытие: 532 нм. Контроль толщины второго слоя осуществлялся с помощью свидетеля из стекла марки ТФ, так как его показатель преломления значительно отличается от показателя преломления пленкообразующего материала. В этом случае легче проконтролировать изменение толщины.

Для нахождения показателя преломления первого слоя (граничащего с воздухом) воспользуемся уравнением (13):

П1 = П22/Пш = 1,38

Рассчитанное значение показателя преломления соответствует показателю преломления М§Рг. Для получения необходимой крутизны профиля фазо-компенсирующего покрытия, необходимо нанести 10 четвертьволных слоев при фотометрическом контроле с длиной волны 698 нм.

В результате эксперимента было получено 2 образца с двухслойными фазо-компенсирующими покрытиями, полученные при различных значениях диаметра отверстия диафрагмы: 2,6 и 2,8 мм, соответственно. Покрытия были получены одновременно, толщины в центре слоев одинаковы. Распределение толщины слоев по поверхности оптического элемента не сильно отличаются, поэтому результаты формирования волнового фронта с помощью таких систем должны быть примерно одинаковыми (рис. 5).

— -диаметр отверстия диафрагмы 2,8 мм +++ - диаметр отверстия диафрагмы 2,6 мм Рисунок 5 - Распределение толщины покрытия с различными значениями диаметра

отверстия диафрагмы

Для анализа полученных результатов было найдено распределение интенсивности пучка лазерной системы, прошедшего через каждый из образцов. Для этого измерялось распределение интенсивности (рис. 6) в лазерном пучке (пятно) на экране на расстоянии 8,5 м от выходного окна лазера. Эксперименты проводились для различных значений расстояния между лазером (Хгс„ =532 нм) и подложкой с фазо-компенсирующим покрытием (Ь).

Рисунок 6 - Контурная карта распределения интенсивности пятна лазера

В результате эксперимента для каждого из образцов был получен набор изображений (рис. 7,8), каждое из которых соответствует различному значению расстояния Ь.

шах > отн. ед.

-пятно лазера---Ь = 450мм ----Ь = 500ыы

Рисунок 7 - Распределение интенсивности пятна лазера в относительных единицах образца 1

\ max >отн- ед-

•VT и."™ — - — // / " -,

'/У \ /•■ / 1 f / 1 oV

f /и 1 / / И / II 1 Э.6

': / И 1 '; / I 1 Ч / и | 0.4 ! 1! \\

¿У 11 1 ..............................т................................,.х.1.т.........т........1.т 0,2 1 1 1 •>у\

-16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Г, ММ

-пятно лазера---L = 400 мм ----L = 500 мм

Рисунок 8 - Распределение интенсивности пятна лазера в относительных единицах образца 2

Для образца 1 наибольшая центральная зона максимальной интенсивности (на уровне 90%) достигается при расстоянии L = 500 мм. Для образца 2 эта зона получается при расстоянии L = 400 мм. Это объясняется тем, что первый образец был изготовлен при значении диаметра отверстия диафрагмы 2,6 мм, а второй 2,4 мм. Таким образом, диаметр первого покрытия больше, а значит и расстояние, при котором задействована вся область покрытия, больше (рис. 5).

Из представленных результатов видно, что с применением фазо-компенсирующих покрытий удалось увеличить зону максимальной интенсивности лазерного пучка.

В ходе выполнения работы для того чтобы убедиться в полученном результате был проведен эксперимент, позволяющий визуально оценить свойства фазо-компенсирующих систем. Для этого было изготовлено двухслойное зеркальное фазо-компенсирующего покрытия на подложке большого диаметра (80 мм).

В качестве материала подложки было выбрано оптическое стекло марки Borofloat 33, производства фирмы Schott, показатель преломления которого nm=1.47. Как было показано выше (13), показатель преломления градиентного слоя двухслойного фазо-компенсирующего покрытия находится из следующего равенства: ni=n22/nm.

Исходя из этого, были измерены показатели преломления нескольких пар пленкообразующих материалов. Показатели преломления пленкообразующих материалов, измеренных на вакууме и на воздухе, в пределах точности измерения практически не отличаются. Для эксперимента были выбраны Zr02 и MgO.

На четвертьволновый слой MgO с помощью диафрагмы был нанесен градиентный слой Zr02 с оптической толщиной по центру детали IOIq/4.

Значение энергетического коэффициента пропускания было измерено по поверхности полученной двухслойной системы. Измерения проводились с помощью спектрофотометра Сагу 500 Scan с установленной в нем диафрагмой диаметром 2 и 0,7 мм. Полученные результаты представлены на рисунке 9.

Т,°ь

1

4 В 12 16 23 24 28 32 г мы

- - рассчитанное распределение коэффициента пропускания, И - распределение коэффициента пропускания при диафрагме 0,7мм, ♦ - распределение коэффициента пропускания при диафрагме 2 мм Рисунок 9 - Зависимость энергетического коэффициента пропускания от расстояния до

центра подложки

Для того чтобы дополнительно убедиться в полученном результате был проведен эксперимент, позволяющий визуально оценить свойства фазо-компенсирующих систем и распределение толщины градиентного слоя по поверхности. Примененная схема эксперимента представлена на рисунке 10.

полупрозрачное зеркало

объектив

образец с фазокомпенсирутощим покрытием

полупрозрачный экран

7

наблюдатель

Рисунок 10 - Схема контроля фазо-компенсирующего покрытия В качестве источников света в схеме были использованы светодиоды различных цветов излучения, которые попеременно менялись, и каждый раз наблюдалась одна и та же интерференционная картина в виде набора светлых и темных колец (рис. 11). Исключение составляет случай, когда в качестве

источника света был выбран светодиод с рабочей длиной волны в 600 нм. На экране наблюдалось пятно с равномерной освещенностью (рис. 12).

Рисунок 11 - Интерференционная картина Рисунок 12 - Интерференционная картина

со светодиодом 525 нм со светодиодом 600 нм

Из представленных изображений видно, что при наблюдении мы получаем набор светлых и темных колец, который позволяет определить толщину градиентного слоя, кроме случая, когда рабочая длина волны светодиода соответствует контрольной при нанесении длине волны покрытия 600 нм. Это является подтверждением основного свойства фазо-компенсирующих покрытий, постоянства разности фаз между отраженной и падающей волной и коэффициента отражения по поверхности элемента. Распределение толщины градиентного слоя по поверхности оптического элемента представлено на рисунке 13.

""" - рассчитанное распределение,

■ - экспериментально полученное распределение для >-=465 нм, А - экспериментально полученное распределение для >.=525 нм Рисунок 13 - Распределение толщины градиентного слоя

Заключение

Исследован новый класс многослойных диэлектрических систем, обладающих постоянным коэффициентом отражения при изменении в широких пределах оптических толщин одного или нескольких слоев. С использованием систем, содержащих слои, толщины которых не влияют на величину коэффициента отражения, можно создавать асферические поверхности, управляя распределением толщины по поверхности оптического элемента, компенсировать осесимметричные дефекты по поверхности подложек.

В ходе выполнения диссертационной работы были изучены простейшие конструкции фазо-компенсирующих покрытий и их свойства на примере двух-и трехслойных систем. Найдена зависимость максимального пропускания от показателей преломления слоев, формирующих эти системы, а также разности фаз между падающей и отраженной, падающей и прошедшей волнами от толщин градиентных слоев.

В результате анализа многослойных чередующихся четвертьволновых фазо-компенсирующих покрытий с переменным по толщине верхним слоем, найдено уравнение, позволяющее определить показатель преломления градиентного слоя для любого количества слое, а также величину коэффициента отражения и разность между падающим и отраженным излучением.

Показана возможность создания фазо-компенсирующих систем с неограниченным количеством чередующихся градиентных слоев, что позволяет создавать системы с большой крутизной поверхности.

Разработан аналитический метод нахождения параметров технологической оснастки для получения покрытий с параметрами, максимально приближенными к заданным.

В работе исследованы свойства фазо-компенсирующих покрытий. В ходе эксперимента установлено, что экспериментально полученные результаты совпадают с расчетными. С помощью фазо-компенсирующих покрытий можно увеличить зону максимальной интенсивности лазерного излучения на заданном расстоянии.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

Публикации из перечня ВАК:

1) Никандров Г.В., Путилин Э.С. Фазокомпенсирующие покрытия для асферической оптики // Известия высших учебных заведений Приборостроение. Выпуск 4. Оптико-информационные системы и технологии. СПб.: СПб НИУ ИТМО, 2012. -С. 40-46. - 0,44 п.л./0,22 п.л.

2) Никандров Г.В., Путилин Э.С., Губанова Л.А., Б. 81агос1иЬоу. Двухслойные фазо-компенсирующие интерференционные системы // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, Выпуск 5. СПб.: Университет ИТМО, 2014. -С. 183-185. - 0,19 п.л./0,05 п.л.

Прочие публикации:

3) Путилин Э.С., Никандров Г.В. Фазо-компенсирующие покрытия // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и

оптики, Выпуск 49. Оптотехника и оптические материалы. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2008. -С. 3-7. - 0,31 п.л. /0,15 п.л.

4) Никандров Г.В. Фазо-компенсирующие покрытия // Сборник тезисов V всероссийской межвузовской конференции молодых ученых. Выпуск 2. Оптотехника и оптические материалы. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2008. -С. 50-51. -0,13 п.л.

5) Никандров Г.В. Фазо-компенсирующие покрытия // Сборник тезисов VII всероссийской межвузовской конференции молодых ученых. Выпуск 2. Оптотехника и оптические материалы. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. -С. 48-49. -0,13 п.л.

6) Никандров Г.В. Разработка технологии создания фазо-компенсирующих покрытий // Сборник тезисов VIII всероссийской межвузовской конференции молодых ученых. Выпуск 2. Оптотехника и оптические материалы. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2011. -С. 53-54. - 0,13 п.л.

7) Никандров Г.В., Доан В.Б. Многослойные фазо-компенсирующие покрытия // Сборник тезисов докладов I всероссийского конгресса молодых ученых. Выпуск 2. Оптотехника и оптические материалы. СПб.: СПб НИУ ИТМО, 2012. -С. 14-15. - 0,13 п.л./0,65 п.л.

8) Путилин Э.С., Губанова JI.A., Руденок Е.П., Соснина Н.Ю., Никандров Г.В., Константинова Ю.А. Разработка методологии синтеза рельефных нанокомпозитных покрытий для фазокомпенсирующих систем лазерной оптики // Отчёт по НИР 12346, г.р. № 01200503697. СПб.: СПб НИУ ИТМО, 2014. -88с. - 5,5 п.л./0,92 п.л.

Формат: 60x84 1/16 Печать офсетная. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Тираж: 100 экз. Заказ: 398 Отпечатано: Учреждение «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., д.14 +7(812) 9151454, zakaz@tibir.ru, www.tibir.ru