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

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

Никандров Георгий Васильевич ФАЗО-КОМПЕНСИРУЮЩИЕ ЗЕРКАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Специальность 05.11.07 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи УДК: 535.41

005057102

6 ДЕК 2012

Санкт-Петербург 2012 г.

005057102

Работа выполнена на кафедре Оптических технологий Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель: профессор

доктор технических наук,

Путилин Эдуард Степанович

Официальные оппоненты: профессор

доктор технических наук,

Храмов Валерий Юрьевич

кандидат технических наук Михайлов Анатолий Васильевич

Ведущая организация: ОАО «ЛОМО»

Защита диссертации состоится «18» декабря 2012 г. в 17 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.227.01 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» в Срнкт-Петерб^рцщом национальном исследовательском универсщрте информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190031, г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПб НИУ ИТМО.

Автореферат разослан «/6 » ноября 2012 г.

Отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах) просим направлять в адрес Университета: 197101, СПб, Кронверкский пр., д. 49, СПб НИУ ИТМО, ученому секретарю диссертационного совета Д.212.227.01

Г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.227.01, кандидат технических наук, доцент

В.М. Красавцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационной 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

3. 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-компенсирующие, формирующие 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

Разработанные покрытия могут применяться для формирования волнового фронта лазерного излучения. При этом фаза волны меняется, а распределение интенсивности остается неизменным. Еще одна область применения фазо-компенсирующих покрытий - создание асферических поверхностей или компенсации асимметричных дефектов поверхности подложек.

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.

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 экспериментальных исследований оптических характеристик фазо-компенсирующих покрытий.

5

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 V всероссийской межвузовской конференции молодых ученых 2008 году; на VII всероссийской межвузовской конференции молодых ученых 2010 году; на VIII всероссийской межвузовской конференции молодых ученых 2011 году; на XL научной и научнометодической конференции СПбГУ ИТМО в 2011 году; на XLI научной и научнометодической конференции СПбГУ ИТМО в 2012 году; на I Всероссийском конгрессе молодых ученых 2012 году; на X международной конференции «Прикладная оптика - 2012».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 6 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.

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 рассмотрено распространение света в многослойных системах.

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 в результате формирования волнового фронта меняется не только фаза отраженного или прошедшего излучения, но и коэффициент отражения (пропускания) в большей или меньшей степени, в зависимости от типа используемых систем.

Во второй главе исследованы фазо-компенсирующие покрытия. Фазо-компенсирующие покрытия - это такие диэлектрические системы слоев, у которых при изменении оптической толщины одного или нескольких слоев коэффициент отражения или пропускания (амплитудный или энергетический) остается постоянным.

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

7

падающего излучения. При этом значение коэффициента отражения (или пропускания), в некотором спектральном интервале, остается постоянным.

Т(р) = const

фронт падающей фазо-компенсирующее фронт прошедшей световой волны покрытие световой волны

Рис. 1 Схема работы фазо-компенсирующих систем

Как простейший случай, была рассмотрена двухслойная четвертьволновая система. П] и п2 - показатели преломления соответствующих слоев, пт - показатели преломления подложки. Рассмотрено нормальное падение света на границу раздела, на которой расположены изотропные, однородные, бесконечно протяжённые плоскопараллельные слои с оптическими толщинами п^! и п2ё2, и фазовыми толщинами ф1=2тгп1 (¿^Х.)"1 и (рг^ЗяпгС^СА.)"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 0.25?чх Для этого воспользуемся матричным аппаратом:

г = (прМи-п,„М22)+1(п0птМ,2 -Мг|) . (8)

(и0А/,, + птМ22)+ г(п0птМ ]2 + М21)

где Мп =(щ/п)^\п(риМп = (1/щ)^(р^М21-{1щ)соъ(рХгМг1={г1л /и^т^,.

С учетом этого

я = к

И„И,

12 . Л

Щ J

sin" (рх + i

ПпП„,

COS iр,

(9)

«„и.

|

Л2

sin ср{ + i

"2 у

л2

COS (р\

Отсутствие зависимости энергетического коэффициента отражения будет выполняться при условии равенства круглых скобок в числителе и

знаменателе:

Ч«2

ПпП2 «2 «2 , "»,«1 «0 »„

"i пг "г

(10)

+ Í7,

Решив систему уравнений (10) получаем:

"i=«21,пп, (п>

Так при п2= 1,70 (MgO), п0 =1 (воздух) и nm=l,52 (стекло марки К8) получаем, что n¡ = 1,90 (Ti02).

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

к (в единицах 0.25Хд)

1Ю0 ¡^

Рис. 2 Зависимость энергетического коэффициента отражения Я от длины волны и оптической толщины градиентного слоя »¡с!/ для двухслойной системы

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 (10), получаем, что показатель преломления градиентного слоя равен:

На основании выражения (12) были получены следующие трехслойные системы с показателями преломления подложки пт = 1.52:

«1 =0Ь"т)/Пз

2

(12)

Таблица 1

№ П! п2 п3 Значение Я на рабочей длине волны, %

1 1.70 (М^О) 2 (БЮ) 1.89 (У20з) 7

2 1.89 (У203) 1.54 (А1203) 1.38 (МВР2) 9,5

3 2.10(Та305) 2 (810) 1.7 (МёО) 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.

Хо

4

П|С1}' —— _ км

к. КМ

Рис. 3 Зависимость энергетического коэффициента отражения К от длины волны и оптической толщины градиентного слоя и/й?/ для трехслойной системы М%0-8Ю-У20з

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

толщине верхним слоем. Отметив закономерность в полученных выражениях, было найдено уравнение для нахождения показателя преломления градиентного слоя в общем виде:

п3п5

где П; - показатель преломления слоя на подложке. Нумерация слоев идет от обрамляющей среды, из которой падает световое излучение.

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

Так же были рассмотреины фазо-компенсирующие многослойные четвертьволновые системы с чередующимися градиентными слоями. Было показано, что количество таких чередующихся градиентных слоев может быть любым. Показатель преломления четвертьволнового слоя зависит только от показателей преломления соседних градиентных слоев (рис. 4).

у/ У/ У/ У/ '//

Рис. 4 Многослойная четвертьволновая система с чередующимися градиентными слоями, где п, - показатель преломления четвертьволнового слоя, п,.1 и Пц-1 - показатели преломления соседних градиентных слоев.

Уравнение для нахождения показателя преломления слоя, с соседними 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.

При подборе материалов, формирующих градиентные слои, удобней

выразить их показатели преломления через показатели преломления

четвертьволновых. Тогда для 3-его слоя согласно выражению (11) получаем:

— 2 / — 2 / 2 пз~п4 птг а для первого слоя ~Пг Пт . Примером подобной

системы может быть следующее покрытие (таб. 2):

Таблица 2

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

1.54 (А1203) 1,7 (М§0) 1,9 (ТЮ2) 1,7 (М§0) 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 32 / 2 }1 ~ п / Ц

его слоя находится согласно выражению (12) 3 4и 5,а показатель преломления 1-ого слоя равен: л, =п22щ2/пл2пт

Таблица 3

П1 п2 Пз п4 п5 Значение Я на рабочей длине волны, %

1.38 (МЁР2) 1,7 (МёО) 2,1 (Та205) 1,7 (МёО) 1,45 (ЭЮ2) 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:

Р2

" (15)

Я, = агссо ^Ч?«*), (16)

0 2акг(Н - К)

где Н - расстояние от плоскости, в которой размещен испаритель, до

плоскости, в которой размещена деталь, И - 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, - радиус диафрагмы, ср -угол между поверхностью подложки и вектором г, г) - 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:

/'(^-агссо (17)

(02 + Я2)2 2 аИКН-К)

Получив данное уравнение, становиться возможным рассчитать параметры технологической оснастки для получения распределения толщины слоя на подложке, максимально приближенного к заданному.Для этого была написана

14

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, г<|, Н, И.

Для экспериментального исследования свойств фазо-компенсирующих систем было изготовлено покрытие для лазерной системы с рабочей длиной волны 532 нм. Задачей эксперимента было уменьшение расходимости пучка, придав волновому фронту плоскую форму. 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.

Рис. 5 Экспериментально исследованноее и рассчитанное распределение толщины слоя по подложке

Для отработки технологического процесса нанесения фазо-компенсирующего покрытия, было изготовлены градиентные покрытия. Распределение энергетического коэффициента отражения по поверхности оптического элемента было проверено на лазерной установке, позволяющей проводить измерения с большим разрешением по площади. После отработки процесса изготовления градиентных покрытий, было изготовлено фазо-компенсирующее покрытие следующей конструкции:

- подложка К8 (пт=1,52)

- второй слой (на подложке) равнотолщинный четвертьволновый 8Ю2 (п2=1,45)

- длина волны излучения, на которой ведется фотометрический контроль толщины в процессе осаждения Хо2 = 532 нм

- первый слой (граничащий с воздухом) (п;-=1,38)

- длина волны излучения, на которой ведется фотометрический контроль толщины в процессе осаждения Х01 = 698 нм. Изменение длины волны излучения при контроле толщины слоя связанно с тем, что коэффициент отражения на длине волны 532 нм при изменении толщины слоя остается постоянным.

Для получения покрытия с заданными характеристиками необходимо сформировать слой М^2с оптической толщиной равной 2,5 Хо|.

В результате эксперимента удалось уменьшить расходимость пучка, придав волновому фронту плоскую форму.

Заключение

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие результаты:

1. Изучены простейшие конструкции фазо-компенсирующих покрытий на примере двух- и трехслойных систем. Найдена зависимость максимального пропускания от показателей преломления слоев, формирующих эти системы.

2. В результате анализа многослойных чередующихся четвертьволновых фазо-компенеирующих покрытий с переменным по толщине верхним слоем, найдено уравнение, позволяющее определить показатель преломления градиентного слоя для любого количества слоев

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

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

По теме диссертации опубликованы следующие работы

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. Никандров Г.В., Путилин Э.С. Фазокомпенсирующие покрытия для асферической оптики // Известия высших учебных заведений -

17

Приборостроение. Выпуск 4. Оптико-информационные системы и технологии. СПб: СПб НИУ ИТМО, 2012, -С. 40-46.

6. 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: СПбГУ ИТМО, 2012,-С. 14-15.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации » 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14 Тел. (812) 233 46 69, Объем 1,0 у.п.л. Тираж 100 экз.