Лабораторные работы по электротехнике

Электротехника
Примеры расчета цепей
Лабораторные работы
Переходные процессы в линейных цепях
Вынужденные колебания
Оптика
Определение удельной теплоемкости воздуха
Гироскоп
Теплопроводность тел
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ПРОСВЕТЛЯЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ

Просветление поверхностей элементов оптических систем используют по двум причинам. Во-первых, если оптическая система состоит из элементов с высокими показателями преломления или если количество элементов велико, потери света из-за отражения могут быть недопустимо большими. Во-вторых, в плоскость изображения попадает свет, претерпевший многократное отражение от поверхностей элементов, что приводит к уменьшению контрастности и четкости изображения.

Пропускание пластины (без учета интерференции проходящего света) равно

Т=(Тs)2/(1-Rs2)=(1-Rs)/(1+Rs)  (1.16)

Где Rs =(1-ns)/(1+ ns), ns - показатель преломления подложки.

На рис.1.4. представлена зависимость пропускания плоскопараллельной подложки от ее коэффициента преломления.

Рис.1.4

Для увеличения пропускания оптических деталей на их преломляющие поверхности наносятся просветляющие покрытия, которые уменьшают коэффициент отражения преломляющих поверхностей до 0,001 на одной и до 0,05 в широком спектральном диапазоне. Просветляющие оптические покрытия получают обычно в ИК области спектра осаждением в вакууме.

В зависимости от конструктивных и эксплуатационных условий работы детали выбирается конструкция просветляющего покрытия (количество и толщины слоев, составляющие покрытие материалы, способы их осаждения в вакууме). Наиболее дешевыми и простыми в изготовлении являются однослойные четвертьволновые покрытия, минимальная отражательная способность которых при нормальном падении света определяется выражением:

 Rmin={ (n12 - no ns ) / (n12 + no ns ) }2 (117)

n0 - показатель преломления воздуха,

n1- показатель преломления пленки с оптической толщиной n1d1=0 /4,

ns - показатель преломления подложки.

0 - длина волны, при которой R=Rmin и производится контроль осаждения

слоя,

d1 - геометрическая толщина плёнки.

Минимальная отражательная способность R=0 реализуется при условии,

n12 = no ns (1.18)

Применительно к оптическим материалам, прозрачным в инфракрасной области спектра ns подложки изменяется от 1,4-1.45 (фторид бария, кальция) до 4.0 (германий) показатель преломления n1 должен иметь величину от 1,20 до 2.0. Пленкообразующих веществ, обладающих достаточной механической прочностью и стабильностью с показателем преломления меньше чем 1,38 (на длине волны 1 мкм) нет. Часто для однослойного просветления применяют пленки фтористого магния (MgF2 n=1,38 на сапфире с ns=1.68 для 4 мкм) или фтористого свинца (PbF2 n=1,6 для 0 =10 мкм на селениде цинка), которые дают нулевое отражение для подложек с ns = 1,90 и 2.6 соответственно.

Хотя однослойные покрытия удовлетворительны для ряда применяемых задач и просты в изготовлении, они обладают некоторыми серьезными ограничениями. Так для крона наименьшее отражение с пленкой фторида магния равно 1.33%.Для веществ с большими показателями преломления можно реально получить и нулевое отражение. Однако, отражение весьма быстро возрастает при отклонении длины волны в ту или иную сторону. Даже небольшие ошибки в толщине пленки могут существенно снизить просветление на рабочей длине волны. Эти трудности можно преодолеть, используя покрытия из нескольких (двух-трех) слоев. Уменьшение отражательной способности материалов до величин близких к нулю в широкой области спектра, как в видимой, УФ и ближней ИК областях спектра, достигают применением многослойных просветляющих покрытий.

Уменьшения отражательной способности материалов до величин близких к нулю, прозрачных в видимой, УФ и ближней ИК областях спектра, достигают применением многослойных просветляющих покрытий.

Наиболее часто используют двухслойные покрытия, состоящие из следующих компонентов Ge, Sb2S3, ZnS, ZnSe, PbF2, MgF2, ZrO2 и др. Оптическая толщина слоев этих материалов определяет положение спектральной кривой остаточного коэффициента отражения и зависит от значений показателей преломления слоев и подложки. Значения оптических толщин определяют в зависимости от показателей преломления плёнкообразующих материалов и подложки из условия R=0, при  = 0 , где  - длина волны, на которой измеряется R для заданного спектрального интервала (обычно R < 0,008).

Величина показателей преломления зависит от условий осаждения диэлектриков, т.е. величины остаточного давления в вакуумной камере, состава остаточных газов, изменения стехиометрического состава вещества во время осаждения слоя, скорости испарения, температуры подложки. Отклонения в величинах показателей преломления и оптических толщинах слоев вызывает в экспериментальной спектральной кривой отличия от теоретической. Поскольку в формировании покрытия участвует не один материал, то количество факторов, влияющих на отклонение спектральной кривой увеличивается с увеличением числа слоев просветляющего покрытия. Поэтому при выборе конструкции просветляющего покрытия желательно обходиться минимальным количеством слоев.

Покрытия, состоящие из тугоплавких веществ (ZrO2,HfO2 , MgO, Ge, а также PbF2) изготавливаются способом электронно-лучевого испарения вещества в вакууме, покрытия, содержащие остальные элементы, могут изготавливаться также с помощью резистивного испарения. Режимы осаждения (температура подложки, остаточное давление в камере, скорость испарения) определяются технико-эксплуатационными условиями применения детали. Режимы испарения (ток накала, эмиссии, ускоряющее напряжение) для электронно-лучевого испарения и ток накала для резистивного испарения выбираются в зависимости от пленкообразующего материала и типа испарителя.

Прежде чем рассматривать конкретные просветляющие диэлектрические системы выведем несколько соотношений, полезных для более подробного анализа. Условие просветления означает равенство нулю энергетического коэффициента отражения, т.е. R=0. По определению R=r02 , отсюда следует, что условие просветления может быть записано в виде r0 = 0. Амплитудный коэффициент отражения непоглощающей системы слоев, выраженный через элементы матрицы интерференции равен

 (1.19)

Нетрудно показать, что равенство нулю амплитудного коэффициента отражения будут выполняться, если одновременно равны нулю действительная и мнимая части числителя:

  (1.20) 

При условии, что (n0m11 + nsm22)2 + (n0nsm12 + m21)2 = 0

Наиболее часто используются двухслойные покрытия, оптические толщины которых не равны друг другу.

Матрица интерференции, описывающая такие покрытия, имеет вид [2] : 

  (1.21)

где n1- показатель преломления слоя, граничащего с воздухом

=2p n1d1 / - оптическая толщина слоя, граничащего с воздухом,

n2 - показатель преломления слоя, прилегающего к подложке

 =2p n1d1 / - оптическая толщина слоя, прилегающего к подложке а значения элементов матрицы интерференции, выраженные через параметры слоев, равны:

   (1.22)

Условие просветления, после подстановки имеет вид:

 (1.23)

Полагая, что из требований к механической прочности, химической стойкости и влагоустойчивости выбраны некоторые пленкообразующие материалы, т.е. известны возможные значения показателей преломления пленкообразующих материалов n1 и n2. Задача определения конструкции просветляющего покрытия сводится к нахождению оптической толщины пленкообразующих слоев. Подставляя известные величины (n0, ns, n1, n2, 0) и неизвестные величины

 (1.24)

найдем оптические толщины слоев n1d1, n2d2, определив предварительно  , здесь d1, d2 – геометрические толщины соответствующих слоев.

Решая систему , получим:

поскольку j1, j2 действительные числа, то для решения этой системы необходимо, чтобы подкоренное выражение было больше нуля. С учетом того, что ns-n0 > 0 при падении света из воздуха система имеет решения при выполнении одного из следующих условий:

(1.25)

Условию просветления будут удовлетворять значения n1, n2, лежащие в заштрихованных областях диаграммы (рис.1.5), определяемых из неравенств, показанных на рис.1.5. Эту диаграмму называют диаграммой Шустера по имени ее создателя. Она позволяет определить соотношение между коэффициентами преломления двухслойных пленок, которые дают нулевое отражение на заданной длине волны.  (1.26)

Рис.1.5

Если решена задача с двухслойным просветляющем покрытием у которого n0 < n1 < ns < n2, то расширение области просветления до 2 N можно получить вставив между двумя пленками третью, с толщиной 0/2. Коэффициент преломления третье пленки должен быть больше, чем у каждой из первых. Его реальное значение можно подобрать, используя программы расчета спектров покрытий на основе численных методов. В качестве примера на следующем рисунке приведены спектры отражения покрытий из двух и трехслойных пленок на фториде кальция. На рис.1.6 представлены рассчитанные спектры пропускания трехслойного просветляющего покрытия на стекле в видимой области.

 

Рис.1.6.

Здесь в качестве первой и третьей пленки использованы четвертьволновые пленки из фторида свинца и фторида бария, а в качестве промежуточной полуволновой пленки использованы пленки из окиси циркония, сульфида цинка, селенида цинка и кремния. Видно, что по мере роста коэффициента преломления ширина области просветления сначала растет, а затем снова сужается. Оптимальные по пропусканию и ширине области просветления получаются покрытия из окиси циркония с коэффициентом преломления 2 и сульфида цинка с коэффициентом преломления 2.15.

Дальнейшее расширение полосы просветления возможно на основе системы пленок с уменьшающемся коэффициентом преломления. Первая пленка имеет максимальный коэффициент преломления. близкий, но меньший коэффициента преломления подложки, а последняя имеет коэффициент преломления максимально близкий к 1.

На рис.1.7 и в таблице 1.1 приведен спектр отражения 5 слойного просветляющего покрытия на германии из пленок с произвольными коэффициентами отражения и толщинами равными 1 для длины волны 3.3 мкм. В диапазоне от 2 до 10 мкм коэффициент отражения германия снижается с 36% до 2%.

Рис.1.7 Спектр отражения 5 слойного покрытия на германии

Здесь все пленки имеют одинаковую оптическую толщину, равную 0 /4 для длины волны 3.3 мкм. Коэффициенты преломления пленок меняются от 3.575 до 1.35. При дальнейшем синтезе покрытия необходимо использовать метод эквивалентных слоев. Он заключается в том, что каждую пленку с заданным коэффициентом преломления требуется заменить на 3. Структура замены такова. Используются 3 пленки, толщины которых меньше 0/4. Структура системы, которая заменяет 1 пленку, имеет вид HLH или LHL, где H - пленка с высоким показателем преломления , L с низким.

 Средне весовое значение коэффициента преломления соответствует тому, которое было получено в результате синтеза. Например, пленку с требуемым коэффициентом преломления 3.575 можно заменить на три пленки, толщины которых в первом приближении одинаковы (0 /12), а коэффициенты преломления равны 4- 2.4- 4. Затем толщины пленок подбираются такими, чтобы получить требуемый коэффициент отражения в заданной области спектра. Та же процедура повторяется с каждой из последующих пленок.

Архитектура Зимнего дворца Санкт-Петербурга