ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ ЗЕРКАЛО Российский патент 1997 года по МПК G02B5/28 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к технологии оптических покрытий, и может быть использовано для изготовления диэлектрических и металлодиэлектрических зеркал преимущественно в области (8-12) мкм, в том числе для технологических CO₂-лазерных систем.

Интерференционные покрытия нашли широкое применение в оптическом приборостроении, в том числе в лазерной технике. В частности, в мощных технологических CO₂-лазерах используются резонаторные зеркала с интерференционными покрытиями. В условиях воздействия мощных лазерных пучков в силу наличия потерь на поглощение в интерференционных слоях часть оптической энергии превращается в тепло, стимулируя в слоях диффузию, рекристаллизацию, твердофазные реакции и механические напряжения, что приводит к нестабильности оптических характеристик и разрушению покрытий.

Получила распространение конструкция интерференционного зеркала вида П (НВ)ⁿ или ПВ (НВ)ⁿ, где П подложка, Н и В четвертьволновые (на рабочей длине волны) чередующиеся слои с низким и высоким значениями показателя преломления соответственно, n целочисленный множитель не менее единицы, указывающий на число пар (периодов) слоев, где период образуется слоями с низким и высоким значениями показателя преломления и имеет оптическую толщину, равную λ/2 (Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. Л. Машиностроение, 1973).

Для ИК-области излучения (8-12) мкм получили распространение следующие пленкообразующие материалы (ПОМ) с низким значением показателя преломления: фториды тория (ThF₄), бария (BaF₂), стронция (SrF₂), свинца (PbF₂) и висмута (BiF₃), имеющие показатели преломления в области (1,4-1,65), среди которых только ThF₄ и BiF₃ нерастворимы в воде. Для всех фторидов характерны растягивающие механические напряжения в слоях. Известны ИК ПОМ с более высоким значением показателя преломления ZnS, ZnSe, As₂S₃, As₂Se₃, Sb₂S₃, Ge, PbTe и др. среди которых Ge и PbTe имеют максимальные значения показателя преломления в области (8-12) мкм 4,0 и 5,2, соответственно, для них характерны механические напряжения растяжения, для остальных напряжения сжатия (Физика тонких пленок./ Под ред. Г. Хасса и др. М. Мир, т. 8, 1978, с. 36-46).

Расчеты оптических характеристик показывают, что можно создать высокоотражающие интерференционные зеркала на основе множества пар слоев из сколь угодно различающихся между собой по показателю преломления ПОМ, причем число слоев в них будет тем больше, чем меньше разница между величинами показателя преломления.

Практически известно, что чем больше число слоев в интерференционном покрытии, тем больше в нем оптические потери и меньше механическая устойчивость покрытия из-за нескомпенсированных внутренних механических напряжений в слоях. Последнее существенно сокращает ресурс эксплуатации интерференционных зеркал, особенно работающих в условиях воздействия мощных лазерных пучков или термических воздействий.

Для ИК-области рассмотренные аспекты более существенны, так как геометрические толщины интерференционных слоев, например, на длине волны 10,6 мкм достигают величин (1-2) мкм, что существенно увеличивает внутренние напряжения в покрытии. Следовательно, с учетом сказанного, на практике целесообразно стремиться к применению ПОМ с максимальной разницей в величинах показателя преломления, что позволит уменьшить число слоев интерференционного покрытия и, следовательно, повысит его механическую устойчивость (при условии разнозначных и равновеликих механических напряжений). Другими ограничениями в выборе ПОМ в ряде случаев являются диффузия и твердофазные реакции между слоями, следствием которых являются продукты их взаимодействия, обладающие неудовлетворительными прочностными свойствами, либо повышенным поглощением, что в итоге приводит к разрушению покрытия. С учетом рассмотренных выше ограничений в выборе ПОМ число возможных конструктивных решений ИК интерференционных зеркальных покрытий с малыми потерями существенно уменьшается.

Целесообразно обратить внимание на характер оптических потерь в интерференционных зеркалах, особенностью которого является колебательное распределение потерь по толщине покрытия и уменьшающихся в направлении к подложке. В четвертьволновом интерференционном зеркальном покрытии пучности (максимумы) интенсивности поля соответствуют границам раздела между слоями 1-2, 3-4 и т.д. считая со стороны падения света (со стороны воздуха), а узлы (минимумы) интенсивности поля соответствуют границам раздела воздух-1, 2-3, 4-5 и т.д.

Известно техническое решение высокоотражающего интерференционного зеркала для 10,6 мкм вида П (НВ)ⁿ из ПОМ ZnSe и Ge соответственно (Котликов Е.Н. Исследование механизма оптических потерь в пленках германия. Оптика и спектроскопия, т. 69, в. 4, 1990, с. 846), в котором для достижения коэффициента отражения около 99% было использовано (5-6) пар слоев. Основными недостатками этого решения являются довольно большие суммарные потери (≈ 1%) и невысокая устойчивость покрытия при термоциклических воздействиях. По нашему мнению, это определялось значительным числом слоев, что приводило к повышенным потерям и несбалансированным механическим напряжениям в многослойном покрытии. Эти напряжения приводили к тому, что покрытие растрескивалось и разрушалось при циклических температурных воздействиях.

Известно техническое решение (прототип) ИК интерференционного зеркала для CO₂-лазеров на подложке из арсенида галлия типа П (НВ)ⁿ, где слои с низким значением показателя преломления выполнены из фторидов металлов, например, ThF₄, BaF₂, NaAlF₆ и др. а слои с высоким значением из ZnS, ZnSe, Ge и др. (авт. св. Болгарии N 30286 от 26.05.81).

В случае создания из таких ПОМ высокоотражающих зеркал с коэффициентом отражения 99% например, из BaF₂ и ZnSe необходимо (14-16) четвертьволновых слоев, что существенно ухудшает механическую устойчивость покрытия и увеличивает оптические потери. В случае создания зеркального покрытия на основе BaF₂ и Ge можно теоретически обойтись 6 слоями, однако, непосредственное сочетание фторидов с германием нежелательно по следующим причинам. Во-первых, как у слоев фторидов, так и у слоев Ge имеют место растягивающие механические напряжения, что не обеспечивает механической устойчивости покрытия в силу их растрескивания (в чем мы убедились на практике). Во-вторых, между фторидами и Ge возможны твердофазные реакции, что ухудшает оптические характеристики зеркального покрытия за счет увеличения потерь на поглощение.

Целью изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик, уменьшение суммарных потерь и стоимости зеркал.

Цель достигается тем, что в интерференционном зеркале, включающем подложку и нанесенное на нее покрытие из чередующихся слоев с низким значением показателя преломления из фторидов металлов и высоким значением из германия, в состав покрытия введены дополнительные прослойки оптической толщиной (0,1-0,5)λ/4 из материалов, имеющих промежуточное значение показателя преломления и сжимающие механические напряжения, причем покрытие имеет вид П (Пр фторид Пр Ge)ⁿ или П Ge (Пр фторид Пр Ge)ⁿ, где П подложка, Пр прослойка, n≥1 число периодов толщиной λ/2, а толщина слоя германия, прилегающего к подложке, составляет λ/4.

При этом в качестве материала с промежуточным значением показателя преломления и сжимающими напряжениями выбран или сульфид цинка, или селенид цинка, или сульфид мышьяка, или селенид мышьяка, или сульфид сурьмы.

Предлагаемое интерференционное зеркало реализуется следующим путем.

Рассмотрим случай высокоотражающего интерференционного зеркала на подложке из Ge, тогда конструкция покрытия записывается в следующем виде: П(0,1 ZnSe 0,8 BaF₂ 0,3 ZnSe 0,8 Ge)³. Такое покрытие может быть нанесено, например, термическим испарением в вакууме. Как можно видеть, толщина прослойки из ZnSe выбрана минимальной в местах с минимальной интенсивностью поля, где первая выполняет, в основном, функции пассивирующего и компенсирующего механические напряжения слоя. Толщина прослойки 0,3λ/4 приходится на максимумы интенсивности поля, что позволяет, кроме пассивации и компенсации напряжений в слоях, уменьшать потери на рассеяние и поглощение в отражающем покрытии.

Другой случай непрозрачное металло-диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения не менее 99,5% на металлизированной подложке, на которую нанесено интерференционное покрытие вида ПСи (0,1 ZnSe 0,8 BaF₂ 0,3 ZnSe 0,8 Ge)², в котором прослойки выбраны из тех же соображений. Расчетные характеристики: коэффициент отражения ρ 99,7% потери на поглощение А=0,3% потери на светорассеяние не учитываются.

Третий выходное интерференционное зеркало на подложке из ZnSe. В этом случае покрытие можно записать в следующем виде: П Ge (0,1 ZnSe 0,8 BaF₂ 0,3 ZnSe 0,8 Ge), в котором прослойки из ZnSe выбраны по предложенному принципу. Расчетные оптические характеристики: r 91,5% коэффициент пропускания t 8,4% А 0,1%
На фиг. 1 показана условно конструкция четвертьволнового интерференционного зеркала; на фиг.2 схема распределения интенсивности оптического поля в сечении зеркального покрытия; на фиг.3 конструкция интерференционного зеркала; на фиг.4 схема распределения интенсивности оптического поля в интерференционном покрытии.

На фиг.1 показана гипотетическая конструкция высокоотражающего интерференционного зеркала (прототипа) вида П (НВ)³ на подложке из Ge и ПОМ BaF₂ (или SrF₂) и Ge. Расчетные оптические характеристики такого зеркала (при направлении излучения со стороны покрытия) без учета потерь на светорассеяние следующие: r 99,6% t 0,25% А 0,15% Из фиг.2 видно, что распределение интенсивности оптического поля (J²) в сечении покрытия таково, что пучности (максимумы) находятся на границах раздела слоев 1-2, 3-4 и т.д. а узлы (минимумы) на границах воздух-1, 2-3 и т.д. Суммарная геометрическая толщина такого отражающего покрытия 7,5 мкм.

На фиг.3 показана предложенная конструкция интерференционного зеркала на основе тех же ПОМ, что и в прототипе, но с прослойками из ZnSe, причем толщина прослоек в узлах оптического поля выбрана равной 0,1λ/4, а в пучностях 0,3λ/4 (фиг.4). Как можно видеть, максимальная интенсивность поля приходится на середину прослойки толщиной 0,3λ/4, что и позволяет уменьшать суммарные потери, в том числе за счет светорассеяния. Расчетные оптические характеристики такого зеркала следующие: ρ 99,5% t 0,25% А 0,15% Суммарная геометрическая толщина зеркального покрытия равна 7 мкм.

Таким образом, в изобретении между основными интерференционными слоями введены прослойки из ПОМ ZnS, ZnSe, As₂S₃, As₂Se₃, Sb₂S₃. В литературе известно применение прослоек в конструкциях интерференционных покрытий для компенсации внутренних механических напряжений и для пассивации соседних слоев. Но в предложенном решении прослойки выполняют комбинированное назначение: они осуществляют компенсацию внутренних механических напряжений растяжения слоев фторидов и Ge; они выполняют роль пассиватора, уменьшающего процессы диффузии и твердофазных реакций между основными слоями; и, наконец, они уменьшают суммарные потери. Причем, потери на поглощение уменьшаются за счет того, что материалы прослоек имеют существенно меньшее поглощение по сравнение с фторидами и Ge, а потери на светорассеяние уменьшаются из-за уменьшения разницы в показателях преломления между материалами прослоек и основных интерференционных слоев, а также из-за того, что границы раздела между основными слоями и прослойкой находятся в областях с меньшей интенсивностью оптического поля по сравнению с аналогами и прототипом.

Кроме того, оптическая толщина прослоек выбрана в диапазоне значений (0,1-0,5)l/4. Минимальное значение определено из условия, что геометрическая толщина прослойки для ПОМ с показателем преломления (2,0-3,0) составляет 0,15-0,1 мкм соответственно и еще гарантирует сплошность прослойки, что обеспечивает пассивацию и, в определенной степени, компенсацию механических напряжений в зеркальном покрытии. Минимальная толщина прослойки целесообразна именно в зонах с минимальной интенсивностью оптического поля в покрытии. Максимальная толщина 0,5λ/4 имеет смысл именно для прослоек, находящихся в максимумах интенсивности поля. Эта предельная толщина прослойки является оптимальной, так как при дальнейшем ее увеличении зеркальное покрытие теряет свое преимущество по коэффициенту отражения по сравнению с зеркальными покрытиями из ПОМ BaF₂ и ZnSe или из ZnSe и Ge.

Прослойки введены за счет уменьшения толщины прилегающих слоев фторидов и германия на сумму двух прослоек (в пучности и в узле) в пределах периода λ/2. Это условие определяет расположение прослоек в пучностях поля так, что они воспринимают значительную долю оптической нагрузки, следовательно, определяют суммарные потери. При этом вместо одной границы раздела, расположенной в пучности (что характерно для прототипа), прослойка формирует две границы раздела, но на более низком уровне интенсивности оптического поля, что приводит к уменьшению как потерь на поглощение, так и на светорассеяние.

Пример. Были изготовлены высокоотражающие резонаторные "задние" зеркала для технологических лазеров типа ТЛ-1,5, выпускаемых в НИЦТРЛ РАН. Конструкция интерференционного зеркала соответствовала фиг.3. Нанесение покрытия осуществлялось на отечественной технологической установке типа БУ-2М термическим испарением в вакууме. Использовались ПОМ отечественного производства, причем слои BaF₂ и Ge наносились электронно-лучевым, а прослойки ZnSe резистивным испарением.

После изготовления зеркал были определены их оптические характеристики, которые составили ρ (99,0-99,2)% t (0,3-0,4)% суммарные потери определялись как A = 1 - ρ - τ и составляли не более 0,5% Зеркала испытывались в лабораторных условиях в режиме термоудара 120+60^oC (10 циклов), а также испытывались в реальных условиях эксплуатации в резонаторе лазера ТЛ-1,5 при номинальной выходной мощности в течение 24 ч. Затем снова определялись оптические характеристики и оценивалась целостность покрытий. В пределах точности измерений (0,2% ) оптические характеристики не изменились, а покрытие не имело признаков разрушения, видимых при 100^x увеличении.

По сравнению с зеркалом аналогом типа П (НВ)⁵ из ПОМ ZnSe и Ge суммарные потери были почти в два раза меньше, а стоимость затрат на нанесение отражающего покрытия в 1,8 раза меньше.

Использование: для изготовления диэлектрических и металлодиэлектрических зеркал преимущественно для ИК-области, в том числе для технологических CO лазерных систем. Сущность изобретения: в интерференционном зеркале, включающем подложку и нанесенное на нее покрытие из чередующихся слоев с низким значением показателя преломления из фторидов металлов и высоким значением - из германия, введены дополнительные прослойки оптической толщиной (0,1-0,5)Лямбда/4 из материалов, имеющих промежуточное значение показателя преломления и сжимающих механические напряжения, причем покрытие имеет вид П(Пр-фторид-Пр-Ge) или ПGe (Пр-фторид-Пр-Ge), где П - подложка, Пр -прослойка, n > 1 - число периодов толщиной Лямбда/2, а толщина слоя германия, прилегающего к подложке, составляет Лямбда/4. При этом в качестве материала с промежуточным значением показателя преломления и сжимающими механическими напряжениями может быть выбран или сульфид цинка, или селенид цинка, или сульфид мышьяка, или селенид мышьяка, или сульфид сурьмы. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Интерференционное зеркало, включающее подложку и нанесенное на нее покрытие из чередующихся слоев с низким значением показателя преломления из фторидов металлов и высоким значением из германия, отличающееся тем, что в состав покрытия введены дополнительные прослойки оптической толщиной (0,1- 0,5)λ/4 из материалов, имеющих промежуточное значение показателя преломления и сжимающие механические напряжения, причем покрытие имеет вид П(Пр-фторид-Пр-Ge) или ПGe(Пр-фторид-Пр-Ge), где П подложка, Пр прослойка, n ≥ 1 число периодов толщиной λ/2, а толщина слоя германия, прилегающего к подложке, составляет λ/4.
2. Зеркало по п.1, отличающееся тем, что в качестве материала с промежуточным значением показателя преломления и сжимающими механическими напряжениями выбран или сульфид цинка, или селенид цинка, или сульфид мышьяка, или селенид мышьяка, или сульфид сурьмы.