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
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

Цель работы – знакомство с методами изготовления интерференционных пленок и покрытий различного назначения: одиночных пленок, просветляющих покрытий, зеркал. Изготовление и исследование этих покрытий в лабораторных условиях.

 РЕЗИСТИВНЫЙ МЕТОД НАПЫЛЕНИЯ ПЛЕНОК

Тонкослойные покрытия позволяют изменять оптические, механические, химические, электрические и другие свойства оптических деталей. В настоящее время более 98% оптических деталей имеют покрытия, которые можно разделить на оптические, электропроводящие и защитные. К основным видам покрытий относятся оптические; их удельный вес составляет около 90 % .

Наиболее распространенным способом получения оптичес­ких пленок является осаждение их в вакууме при термическом ис­парении пленкообразующего вещества с последующей его конденсаци­ей на подложку, Основным преимуществом вакуумных методов являются: возмож­ность надежного контроля основных технологических параметров в процессе нанесения покрытий, хорошая воспроизводимость результа­тов, высокая производительность. Вакуумные методы, основанные на термическом испарении пленкообразующего материале, используются для получения покрытий в диапазоне спектра 0,2-20 мкм.

При термическом испарении пленкообразующее вещество нагревается в вакуумной камере до температуры, при которой происходит его интенсивное испарение в условиях высокого вакуума. Это соответствует давлению насыщенных паров порядка 1Па. Обычно [5,10], температуру, при которой давление насыщенных паров составляет 1.33Па, называют условной температурой ТР. Испаряемое вещество оседает на подложках и создает оптическую пленку.

Испаренные молекулы материала попадают на подложку, где из них происходит образование островковой структуру, сливающейся в сплошную пленку. Чем выше температура испарения материала, тем меньше размеры островков. В частности, тугоплавкие металлы образуют практически сразу монопленки, т.е. происходит образование однородной моноструктуры, которая может в дальнейшем служить хорошим адгезионным слоем.

Для создания качественной пленки молекулы испаряемого вещества должны распространяться прямолинейно, т.е. не испытывать соударений с молекулами остаточных газов в вакууме и не рассеиваться.  Средняя длина свободного пробега молекулы с остаточным газом LСР определяется из кинетической теории газов. При давлении 10-2 Па она равна 900 мм. LСР должна быть много больше расстояния от испарителя до подложек. Реально давление 10-2 Па можно использовать в камерах с размерами порядка 150-200мм. Для больших камер с размерами 500-700 мм это давление не должно превышать (3-5)×10-3Па. Но, даже при этом давлении, определенная часть молекул испаряемых веществ рассеивается и оседает на стенках и дне камеры. При длительной работе на стенках и дне камеры напыляется слой пленкообразующих веществ, который «газит» и увеличивает время откачки до требуемого давления. Стенки и дно камеры необходимо периодически очищать. Хороший результат для упрощения этого процесса дают экраны из нержавеющей стали. Эти экраны устанавливаются вблизи дна и стенок вакуумной камеры. Они периодически очищаются травлением в азотной кислоте. В свою очередь, эти экраны (или стенки и дно камеры) можно рекомендовать оборачивать тонкой фольгой из алюминия (h=0.01-0.03 мм) и удалять ее после нескольких напылений. При отсутствии экранов, их можно также заменить более толстой фольгой из алюминия. Реально использование экранов существенно снижает необходимость периодической чистки камеры.

Остаточные газы соударяются с подложкой во время напыления пленки, остаются в ней. При давлении 10-2 Па частота столкновений остаточных газов с подложкой соответствует осаждению пленкообразующего вещества со скоростью оседания  нм/с. Естественно, что этот процесс увеличивает пористость пленки и снижает ее механические характеристики. Так при давлении 1 Па осаждаемые пленки настолько пористы, что стираются обычной ватой.

Вакуумные установки для получения покрытий термическим испарением пленкообразующих материалов, можно разделить на стандартные, улучшенные и сверхвысоковакуумные. Установки стандартного типа имеют непрогреваемый (или прогреваемый водой до 80-90°С) металлический или стеклянный колпак. Заданный вакуум получают с помощью паромасляного диффузионного насоса, снабженного маслоотражателем и ловушками (водяной и азотной). Разборные соединения в установках выполняются с использованием вакуумной резины. К этому типу относятся установки [5] А-700Р (фирмы «Лейбольд—Хераус», ФРГ); ВА-550К, ВА-710 (фирмы «Бальцерс», Лихтенштейн); ВУ-1А, ВУ-2, УРМЗ-279-011 (СССР, Россия) и др.

Вакуумная установка тер­мического испарения (рис. 2.1) состоит из камеры, за­крытой от окружающей ат­мосферы 12, рабо­чей плиты 18, откачивающей вакуумной системы, подколпачного устройства для кре­пления напыляемых деталей и их вращения, испарителей 5 и пульта управления рабо­той узлов и агрегатов уста­новки. Для наблюдения за ходом процесса напыления в двери камеры имеется иллюми­натор 7. Чаще всего он используется при электронно-лучевом испарении, когда нужно следить за режимом работы луча.

Напыляемые подложки 13 и образец-свидетель 11 для контроля толщины пленки в процессе напыления устанавливают в отверстия приспособления 14. В установке находится оправа для свидетелей, позволяющая устанавливать до 10 сменных свидетелей. Для улучшения равномерности толщины пленки приспособление 14 вращается с частотой до 100 об/мин на ролико­вых опорах. Привод вращения приспособления осуществляется через конический ролик 16 и бесконтактную электромагнитную муфту 19, расположенную на рабочей плите установки.

Технологический процесс нанесения покрытий требует выполнения ряда операций в заданной последовательности. Поверхность подложек сначала очищалась с помощью изопропилового спирта или ацетона. Методы очистки подложек приведены  в (см. таблицу 1).

Окончательная очистка подложек производилась в вакуумной камере тлеющим разрядом при давлении в камере от 10-1 до 10-2 Тор в течение 5¸10 минут. Тлеющий разряд обеспечивает нагрев и десорбцию примесей, расщепляет органические молекулы с образованием летучих соединений, улучшает прочность сцепления напыляемых слоев и сокращает время откачки рабочего объема вакуумной установки.

Существует два основных способа термического испарений плен­кообразующих материалов: резистивное из нагреваемых электрическим током тиглей и испарение за счет нагрева электронным пучком.

Резистивное испарение хорошо изучено и используется для испа­рения металлов, галогенидов, халькогенидов и некоторых окислов - т.е. практически для всех веществ, используемых в ИК-диапазоне спектра. Для проведения процесса испарения вещества в вакууме необходимо иметь испаритель, который содержал бы испаряемое вещество и поддер­живал бы его при температуре выше Тр. Для пленкообразующих мате­риалов эта температура лежит в диапазоне 200° - 2500°С  (см. табл. 1). Во избежание загрязнения осаждаемых пленок вещество испари­теля должно иметь при рабочей температуре незначительную упругость паров.

 

Рис. 2.1.

Испарители изготавливают из фольги, толщиной 0,05 - 0,2мм. Испарители любой Формы легко делаются из Та и отожженной Мо-фольги. Для вольфрама необходимо пользоваться уже готовыми испарителями, так как он очень хрупок и легко ломается. После прокаливания в вакууме все металлы становятся хрупкими и повторного использование, как правило, возможно, без вынимания из токоподводов.

В качестве подложек для дальнейших исследований использовались полированные шайбы диаметром 20мм из ZnSe, кварца, Si, Ge, KBr и NaCl. Температура подложек во время напыления фиксировалась с точностью ±50С в диапазоне 50¸2000С. Температура подложек определялась специальными спиральными термопарами, устанавливаемыми на место подложек. Параллельно проводились измерения температуры с помощью проволочных термопар, которые являлись вторичным источником измерения.

Скорость вращения подложек обычно составляла 30-90 об. минуту. Постоянство пределов скорости вращения было не хуже + 2% за 1 оборот при работе в течение нескольких часов.

 Контроль толщины напыляемых пленок и скоростей осаждения конденсата осуществлялся фотометрическим методом по пропусканию в области спектра 0,4¸1,1 мкм. Необходимая длина волны выделялась монохроматором МУМ-2 и регистрировалась ФЭУ-62. Контроль толщины пленок мог осуществляться также на длинах волн от 1.0 до 2,5 мкм. Указанные длины волн регистрировались фотоприемником на основе PbS.

Оптическую толщину пленок h на длине волны l0 определяли по числу наблюдаемых экстремумов:

h = d n(l0) = [n(n(l0))/n(lК)]klК/4 (2.1 )

где lК – длина волны фотометрического контроля, n(lК) – показатель преломления пленки на длине волны контроля, d – геометрическая толщина пленки, n(l0) – показатель преломления на длине волны l0=10,6 мкм., k – число экстремумов –максимумов или минимумов пропускания света. При k = 12 длина волны фотометрического контроля лежит в интервале 0,90¸0,94 мкм. Относительная погрешность измерения пропускания фотометрической системы не превышала 0,5%. Это обеспечивало точность контроля толщины напыляемой пленки на длине волны 10,6 мкм при k = 12 не хуже 1%.

Скорость напыления определялась по времени, которое требовалось для напыления пленки с толщиной, соответствующей расстоянию между двумя соседними экстремумами.

Равномерность пленок по толщине достигалась за счет использования вращающегося подложкодержателя и оптимизации расположения испарителей относительно подложкодержателя. Расстояние от тиглей до подложек не превышало 150 мм, что позволяло наносить равнотолщинные пленки на площади с диаметром до 100 мм, со скоростями до 15 нм/с без нарушения стехиометрического состава пленок, возникающего за счет перегрева пленкообразующего материала при испарении.

Поверхность подложек сначала очищалась с помощью изопропилового спирта или ацетона. Окончательная очистка подложек производилась в вакуумной камере тлеющим разрядом при давлении в камере от 10-1 до 10-2 Торр в течение 5¸10 минут. Тлеющий разряд обеспечивает нагрев и десорбцию примесей, расщепляет органические молекулы с образованием летучих соединений, улучшает прочность сцепления напыляемых слоев и сокращает время откачки рабочего объема вакуумной установки.

В качестве плёнкообразующих материалов в данной работе используются фторид свинца, и сульфид мышьяка показатели преломления: 1.60 и 2,65 соответственно на длине волны 10.6 мкм.

 ЗАДАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Задание №1. Изготовить 5-слойное зеркало из четвертьволновых пленок селенида цинка и фторида стронция на подложке из стекла или кварца, длина волны - 0,85мкм. Изготовленное зеркало используется как выходное зеркало резонатора полупроводникового лазера. Провести измерение спектра пропускания и сравнить его с теоретически рассчитанным.

Задание №2. Изготовить 6-слойное зеркало из четвертьволновых пленок сульфида сурьмы и фторида стронция на подложке из селенида цинка, длина волны 10,6мкм, Контрольную длину волны и кратность наб­людаемых экстремумов рассчитать с преподавателем. Зеркало может быть использовано как выходное зеркало резонатора СО2 лазера. Провести измерение спектра пропускания и сравнить его с теоретически рассчитанным.

Задание №3. Изготовить 13-слойное зеркало из четвертьволновых пленок, селенида цинка и фторида стронция на подложке из стекла, длина волны - 0,63мкм, Зеркало может быть использовано как глухое зеркало резонатора гелий-неонового лазера. Провести измерение спектра пропускания и сравнить его с теоретически рассчитанным.

Задание №4. Изготовить 2слойное просветляющее покрытие из пленок сульфида сурьмы и фторида свинца на подложке из кремния. Рабочая область 3-5 мкм. Рассчитать контрольную длину волны и кратность для контроля в видимой области спектра. Провести измерение спектра пропускания и сравнить его с теоретически рассчитанным.

Задание №5. Изготовить 1слойное просветляющее покрытие из пленки фторида магния на стекле. Центральная длина волны 0.55 мкм. Провести измерение спектра пропускания и сравнить его с теоретически рассчитанным.

очень жесткое новое порно hd 2016 года смотреть на сайте без смс Архитектура Зимнего дворца Санкт-Петербурга