СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО СЛОЯ Российский патент 1997 года по МПК G02B5/28 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к технологии изготовления оптических покрытий, и может быть использовано для создания интерференционных покрытий (ИП) различного функционального назначения, в том числе для оптических элементов (ОЗ) ИК лазерных систем.

ИП нашли широкое применение в оптическом приборостроении, в том числе в лазерной технике. Так в мощных технологических CO₂-лазерах применяются выходные окна и резонаторные зеркала с ИП. В условиях воздействия мощных лазерных пучков в силу наличия поглощения в ИП часть оптической энергии превращается в тепло, стимулируя в покрытиях диффузию, рекристаллизацию и механические напряжения, что приводит к нестабильности оптических характеристик и разрушению покрытий.

Как правило, большинство ИП представляют собой систему чередующихся слоев с низким и высоким значением показателя преломления (см. например, Т.Н. Крылова "Интерференционные покрытия", Л. Машиностроение, 1973). Практически известно, что, чем больше число слоев в ИП, тем больше оптические потери и ниже механическая устойчивость покрытия из-за некомпенсированных внутренних механических напряжений в слоях. Последние существенно сокращают ресурс эксплуатации ОЭ с ИР, особенно в условиях воздействия мощных лазерных пучков.

Так, для высокоотражающих интерференционных зеркал число слоев можно уменьшить за счет применения диэлектрических слоев с максимальной разницей величин показателя преломления. Для ИК ИП этот принцип особенно важен, т.к. позволяет существенно повысить термомеханическую устойчивость за счет уменьшения числа слоев.

Известны ИК пленкообразующие материалы (ПОМ) с относительно высоким значением показателя преломления ZnS, ZnSe, As₂S₃, As₂, Se₃, Sb₂S₃, Ge, PbTe среди которых Ge и PbTe имеют максимальные значения показателя преломления в области 8-12 мкм4,0 и 5,2 соответственно, для них характерны механические напряжения растяжения (см. например, "Физика тонких пленок", под ред. Г. Хасса и др. М. Мир, т. 8, 1978, с. 36-46). В случае применения Ge и PbTe в качестве диэлектрических слоев с высоким значением показателя преломления в ИП для ОЭ для технологических CO₂-лазеров проявляется их основной недостаток высокое значение поглощения; 70 и 200 см^-1 соответственно ((см. например статью В. Н. Глебова и др. "Поглощение в слоях интерференционных покрытий элементов технологических CO₂-лазеров", ОЖ, N 4, 1992, с. 56). В технологии оптических покрытий известен такой ПОМ как GATS, представляющий собой соединение Ge-30, As-17, Te-30, S-23 ат. (см. например статью Takeo Mjata, "R&D of optics fo high power ew CO₂ lasers in the gapanese National Program", SPIE, 1986, v. 650, p.131-140). Для слоев из GATS даны следующие характеристики: n=3.1 и поглощение α = 2,5 см^-1 (для λ 10,6 мкм). Основным недостатком этого ПОМ является недостаточно высокое значение показателя преломления (по сравнению с Ge и PbTe), что существенно снижает его возможности при создании высокоэффективных интерференционных покрытий для CO₂-лазерной техники.

В справочнике (см. например Handbook the optical industri and sistems directory, 1979) имеется информация о ПОМ GeTe, для которого указано: массовая плотность равна 6,2 г/см³, температура плавления 725^oC, температура испарения в вакууме (создающая давление паров 10^-4 торр.) равна 381^oC, других характеристик не приводится. В другом источнике (см. "Физика тонких пленок", М. Мир, т. 8, 1978, с. 52) имеется информация о способе получения пленок соединения A^IIB^VI и A^IV B^VII, в том числе испарением из одного тигля и конденсацией в вакууме на подложку со скоростью 15 Ангстрем/c (прототип). Упрощенная запись химической формулы соединения типа GeTe обычно означает, что использовалось соединение с составом Ge₅₀Te₅₀ ат.

Проведены исследования оптико-физических характеристик пленок, полученных термическим испарением в вакууме соединения GeTe с содержанием Te 40 80 ат. Определено, что величина показателя преломления слоев при содержании Te в исходном ПОМ 50 60 ат. была равна n=(3.7-3.8) для l10,6 мкм (вместо 6,1 как указано в источнике). Так же была определена зависимость поглощения слоев от состава исходного ПОМ. Для состава Ge₅₀Te₅₀ поглощение было в 5-6 раз меньше, чем для пленок Ge, а термостабильность этих пленок не превышала 80^oC. При больших температурах лавинообразно растет поглощение и происходит разрушение пленки. С учетом результатов основными недостатками прототипа следует считать: невысокая термостабильность пленок и недостаточно низкое поглощение, что не позволяет на их основе создавать малопоглощающие и термостабильные интерференционные покрытия для технологических CO₂-лазерных систем.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение поглощения и повышение термостабильности интерференционных слоев теллурида германия.

Цель достигается тем, что испаряемый материал содержит теллура в количестве 55-58 ат. остальное германий, а испарение осуществляют электронным лучом при скорости конденсации не менее 7 нм/с.

Проведенные исследования процесса получения слоев из соединения GeTe показали, что для достижения минимального поглощения наиболее эффективно электронно-лучевое испарение при существенно больших скоростях конденсации, что объясняется следующими причинами. Во первых соединение переходит в парообразное состояние, минуя жидкую фазу (сублимируется). Во вторых - температура сублимации небольшая (около 400^oC). В результате практически исключается диссоциация и взаимодействие ПОМ с материалом тигля, что при постоянной скорости конденсации приводит с стабилизации состава паровой фазы, обеспечивая воспроизводимые оптико-физические характеристики получаемых слоев. Определено, что при содержании теллура в исходном ПОМ 55-58 ат. поглощение в слоях достигает 3 см^-1 (что очень близко к поглощению слоев GATS).

Предлагаемое изобретение имеет следующие существенные признаки новизны. Первый исходный материал содержит теллура в количестве 55-58 ат. остальное германий. Как показали исследования, при таком оптимальном составе исходного материала достигаются минимальное поглощение и максимальная термостабильность получаемых интерференционных слоев. При меньшем и большем содержании теллура в исходном ПОМ происходит существенное увеличение поглощения. Второй испарение производят электронным лучом (методом электронно-лучевого испарения). Сам по себе этот метод известен в технологии покрытий давно, однако именно он в сочетании со свойствами исходного ПОМ позволяет получить воспроизводимые оптико-физические характеристики слоев теллурида германия. Применение резистивного испарения (как в прототипе) не позволило получить слои с хорошими характеристиками. Третий скорость конденсации выбрана не менее 7 нм/с, т. к. при меньшей скорости происходит увеличение поглощения в слоях теллурида германия, что объясняется увеличением пористости за счет замуровывания молекул остаточной атмосферы в камере. После развакуумирования камеры эти поры насыщаются влагой из окружающего воздуха, увеличивая поглощение. Максимальная скорость конденсации принципиально не ограничена, однако при этом увеличивается "капельная" фракция в молекулярном потоке, что ухудшает оптическую чистоту покрытия. Практически реализовывалась скорость конденсации до 14 нм/с.

Перечисленные существенные отличительные признаки образуют новую совокупность признаков, не обнаруженную в технической и патентной литературе.

Предложенный способ реализуется следующим образом. Методом сплавления при соответствующей температуре синтезируют соединение германия с теллуром с содержанием теллура 55 58 ат. остальное германий. Этот материал в виде гранул загружается в тигель вкладыш из стеклоуглерода, который устанавливается в медный водоохлаждаемый тигель электронно-лучевого испарителя типа УЭЛИ-1, входящего в состав вакуумной технологической установки ВУ-1А или ВУ-2М. Далее в камеру загружают рабочие подложки (полированные пластины), например из ZnSe. Камера вакуумируется до давления не более 4•10^-4 Па в подложки, при необходимости нагреваются до 100^oC. Далее исходный материал обезгаживается под заслонкой, после чего ток эмиссии ЭЛИ увеличивается до рабочего значения, заслонку открывают и наносят слой теллурида германия заданной толщины, например, равной четверти длины волны, со скоростью конденсации не менее 7 нм/с.

На основе предложенного способа были разработаны и изготовлены просветляющие и светоделительные (зеркальные) интерференционные покрытия на оптические элементы из ZnSe для технологических CO₂-лазеров. Изготовлены просветляющие покрытия вида ПВН, состоящие из четвертьволновых слоев GeTe и ZnSe соответственно. Покрытия имели следующие характеристики: коэффициент отражения с одной поверхности r ≅0,2% коэффициент пропускания окна с двухсторонними просветляющими покрытиями составил t≅99% поглощение покрытия с одной поверхности b0,01% Просветляющее покрытие сохраняло все свои характеристики до 150^oC. Другой пример изготовлены светоделительные покрытия для выходных зеркал из ZnSe вида П ВНВ из GeTe и ZnSe соответственно со следующими характеристиками: коэффициент отражения r 74% поглощение b(0,01-0,02)%
Сравним характеристики выше упомянутых интерференционных покрытий, полученных с использованием слоев теллурида германия, с аналогичными функциональными покрытиями, в которых используется конкурирующий ПОМ GATS. Согласно расчетным данным для просветляющего покрытия вида П GATS/ZnSe остаточное отражение с одной поверхности составляет r3,2% что явно не удовлетворяет требованиям лазерной оптики (должно быть не более 0,5%). Для получения коэффициента отражения светоделительного покрытия r74% из GATS и ZnSe необходима конструкция вида П (ВН)³В, имеющая семь четвертьволновых слоев вместо трех (в нашем случае). Естественно, такое покрытие должно быть дороже, с большими суммарными потерями и меньшей термомеханической устойчивостью.

Таким образом, по сравнению с прототипом предложенный способ позволяет уменьшить поглощение в слоях теллурида германия в 3-4 раза и повысить их термостабильность с 80 до 150^oC.

По сравнению с конкурирующим ПОМ GATS предложенный способ позволяет практически приравнять слой теллурида германия с GATS по поглощению, причем слои теллурида германия приобретают существенное преимущество за счет большего значения показателя преломления (3,7 вместо 3,1). Достигнутые характеристики слоев теллурида германия позволяют конструировать на их основе более эффективные интерференционные покрытия для технологических CO₂-лазерных систем по сравнению с GATS.

Использование: для создания ИК интерференционных покрытий различного функционального назначения. Сущность изобретения: при испарении из одного тигля испаряемый материал содержит теллура в количестве 55-58 ат.%, остальное - германий, причем испарение осуществляют электронным лучом при скорости конденсации не менее 7 нм/с.

Способ получения интерференционного слоя, включающий термическое испарение в вакууме из одного тигля теллурида германия и конденсацию на подложке, отличающийся тем, что испаряемый материал содержит теллура в количестве 55 58 ат. остальное германий, а испарение осуществляют электронным лучом при скорости конденсации не менее 7 нм/с.