ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ ПОКРЫТИЕ Российский патент 1998 года по МПК G02B5/28 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к интерференционным покрытиям и может быть использовано для создания зеркальных, светоделительных фильтрующих и других многослойных покрытий для оптических элементов широкого применения, в том числе для лазерной техники в области длин волн от 0,4 до 9,0 мкм.

Интерференционные покрытия широко применяются в оптическом приборостроении в том числе в лазерной технике, обеспечивая необходимые оптические и эксплуатационные характеристики оптических элементов и систем. Наиболее распространенной (базовой) конструкцией является многослойное покрытие типа П (НВ)ⁿ или П В (НВ)ⁿ, где П - оптически полированная подложка, В и Н - чередующиеся интерференционные слои, имеющие относительно высокий и относительно низкий значения показателя преломления соответственно, n - число пар слоев типа В и Н.

Одним из известных многослойных интерференционных покрытий, используемых в видимой и ближней ИК-областях является конструкция вида П (ZnS - NaAlF₆)ⁿ ZnS, где ZnS - сульфид цинка, имеющий область прозрачности 0,4 - 14,0 мкм и величину показателя преломления 2,5 - 2,2 соответственно; NaAlF₆ - криолит, имеющий область прозрачности 0,2 - 14,0 мкм и показатель преломления 1,35-1,33 /1/. Это покрытие обладает следующими достоинствами: реализуется в широкой области длин волн от 0,4 до 14,0 мкм, эти пленкообразующие материалы относительно недорогие а слои из них могут быть получены на простых вакуумных установках с помощью резистивных испарителей. Основными недостатками этой конструкции являются невысокая влагоустойчивость, соответствующая 3 группе и невысокая механическая прочность на истирание, соответствующая 3 группе по ОСТЗ-1901-85 /2/, т.е. покрытие не допускает протирку оптической салфеткой с органическим растворителем. В этой конструкции влагоустойчивость определяется в основном криолитом, а механическая прочность в основном сульфидом цинка, расположенным снаружи.

С развитием вакуумной техники для нанесения покрытий и соответствующей технологии с использованием электронно-лучевого испарения (ЭЛИ) были получены многослойный интерференционные покрытия на основе тугоплавких окислов /1/. Основными преимуществами таких покрытий являются лучшие эксплуатационные характеристики: высокая влагоустойчивость, прочность на истирание и лучевая прочность. Основными недостатками интерференционных покрытий из тугоплавких окислов являются недостаточно длинноволновая область реализации (0,25-2,5) мкм и сравнительно высокая стоимость. Хотя область прозрачности тугоплавких окислов простирается до 10 мкм, для длин волн более 2,5 мкм многослойные покрытия оказываются механически неустойчивыми из-за значительных несбалансированных механических напряжений в слоях. Высокая стоимость покрытий из тугоплавких окислов обусловлена относительно высокой стоимостью ПОМ (в 2-4) по сравнению с ZnS и NaAlF₆, большим количеством расходуемых материалов и необходимостью применения более дорогостоящих вакуумных установок, оснащенных ЭЛИ.

Известна конструкция многослойного интерференционного покрытия (прототип) вида П (ZnS-MgF₂)ⁿZnS, где MgF₂ -фторид магния, имеет показатель преломления 1,46 - 1,38 в области прозрачности 0,115-10,0 мкм соответственно. Практическая реализация этой конструкции ограничена в короткой области границей прозрачности ZnS т.е. 0,4 мкм а в длинноволновой 1,0 - 1,35 мкм. Последнее определено механической устойчивостью многослойного покрытия из-за несбалансированных растягивающих напряжений в слоях MgF₂. Многослойные покрытия этого типа соответствуют 2 группе влагоустойчивости и 3 группе механической прочности /2/. Основным преимуществом этой конструкции перед первым аналогом является более высокая влагоустойчивость. Основными недостатками этой конструкции являются: недостаточно длинноволновая область реализации и недостаточная механическая прочность.

Целью предлагаемого изобретения является расширение рабочей области в длинноволновое направление и улучшение эксплуатационных характеристик при невысокой стоимости.

Указанная цель достигается тем, что в середину слоя MgF₂ введена прослойка из двуокиси кремния (SiO₂), составляющая (0,2-0,5) полной оптической толщины слоя Н за счет соответствующего уменьшения толщины слоя MgF₂. Дополнительно на внешний слой В нанесен полуволновый слой Н, состоящий из четвертьволнового слоя вида MgF₂ - SiO₂ - MgF₂ с теми же соотношениями по толщине и четвертьволнового слоя SiO₂. Слои типа В могут быть также выполнены из материалов: селенида цинка (ZnSe), сульфида сурьмы (Sb₂S₃), сульфида мышьяка (As₂S₃), селенида мышьяка (As₂Sl₃) или других прозрачных в ИК-области ПОМ, имеющих показатель преломления не менее 2,2 и сжимающие механические напряжения в слоях.

На чертеже условно (в сечении) показана конструкция предложенного интерференционного покрытия вида П (НВ)ⁿ 2Н, где: 1 - оптически полированная подложка, 2 - слои MgF₂, разделенные прослойкой 3 из SiO₂, 4 - слои ZnS, образующие периодическую структуру - интерференционное зеркальное покрытие с числом пар, равным n, снаружи на слое ZnS расположены четвертьволновый слой типа MgF₂ - SiO₂ - MgF₂ и четвертьволновый слой SiO₂.

Предлагаемое изобретение имеет следующие существенные признаки: многослойное интерференционное покрытие, состоящее из чередующихся между собой слоев с высоким (В) и низким (Н) значениями показателя преломления, где материалом слоя В является ZnS, а материалом слоя H - MgF₂.

Предлагаемое изобретение имеет следующие отличительные признаки. Первый - в середину слоя MgF₂ введена прослойка из двуокиси кремния толщиной (0,2-0,5) от полной оптической толщины слоя H за счет соответствующего уменьшения толщины MgF₂. Применение SiO₂ в качестве интерференционного слоя известно /1/, область его прозрачности составляет (0,2-9,0) мкм, а величина показателя преломления (1,55-1,45) соответственно. Известно, что слои SiO₂, полученные вакуумной технологией, имеют сжимающие напряжения. Слои MgF₂ толщиной более 0,1 мкм имеют значительные напряжения растяжения и уже четвертьволновые слоя на длине волны 4 мкм (на стеклянной подложке) разрушаются растрескиванием. Для прототипа условие полной компенсации внутренних напряжений (сжимающих ZnS и растягивающих для MgF₂) не выполняются и имеется избыток растягивающих напряжений, однако не приводящих еще к разрушению покрытий в области 0,4-1,35 мкм. Для больших длин волн многослойные покрытия этого типа разрушаются растрескиванием очень быстро. Введение прослойки SiO₂ в середину интерференционного слоя MgF₂ позволяет существенно снизить растягивающие напряжения в слое H и тем самым реализовать компенсацию механических напряжений в многослойной конструкции, в результате последняя становится механически устойчивой при больших длинах волн (больших толщинах слоев). Как показали наши оценки, при толщине прослойки SiO₂ (0,2-0,5) эффективный показатель преломления слоя H становится (1,4-1,42) соответственно, что вполне приемлемо для многослойной интерференционной конструкции с целью сохранения ее оптических характеристик. Введение прослойки SiO₂ именно в середину слоя MgF₂ позволяет избежать несовместимости слоев ZnS и SiO₂ и тем самым предотвратить разрушение покрытия из-за малой когезионной прочности между ними.

Указанная область толщин прослойки SiO₂-(0,2-0,5)H выбрана из соображения обеспечения механической устойчивости интерференционного покрытия как видимой, так и в ИК-областях без существенного увеличения показателя преломления слоя Н. Для коротковолновой области целесообразно применять прослойки толщиной (0,2-0,3), а в длинноволновой (5,0-9,0) мкм соответственно (0,4-0,5), что уточняется практически при оценке механической устойчивости многослойных покрытий при термоциклических испытаниях.

Второй - дополнительно на внешний слой В нанесен защитный полуволновый слой H, состоящий (начиная от слоя В) из четвертьволнового слоя вида MgF₂ - SiO₂ - MgF₂ с теми же соотношениями по толщине, и четвертьволнового слоя SiO₂. Для увеличения поверхностной прочности многослойных интерференционных покрытий, например зеркальных покрытий из тугоплавких окислов поверх слоя В наносят защитный полуволновый слой SiO₂. С этой же целью поверх слоя В нами введен полуволновый защитный слой, однако состав его отвечает требованию необходимой когезионной прочности по отношению слоя В и требованию компенсации напряжений в многослойной конструкции.

Третий - слой В может быть также выполнен из материалов ZnSe, Sb₂S₃, As₂S₃, As₂Se₃ или других прозрачных в ИК-области, имеющих величину показателя преломления более 2,2 и сжимающие механические напряжения в слоях. Указанные выше ПОМ известны в литературе как прозрачные в ИК-области. Аналогично ZnS они имеют сжимающие механические напряжения в слоях, а величины их показателя преломления превосходят 2,2. С целью получения оптических или эксплуатационных преимуществ перед многослойными покрытиями с ZnS могут быть применены указанные выше ПОМ.

Рассмотренные отличительные признаки образуют новую совокупность признаков, не известную в патентной и технической литературе.

Предложенное техническое решение реализуется следующим путем. Сначала определяют теоретически или экспериментально параметры многослойной интерференционной конструкции, т.е. определяют число и толщину слоев, исходя из функциональных требований, предъявляемых к покрытию (зеркальное, светоделительное, фильтрующее и т.д.) /3/, и рабочей области длин волн на основе конструкции П/(MgF₂ - SiO₂ - MgF₂) - ZnS/ⁿ или другого ПОМ типа В из указанных выше. При этом с учетом наших рекомендаций экспериментально уточняют необходимую толщину прослойки SiO₂ в области рекомендуемых значений (0,2-0,5) H. При необходимости иметь высокую механическую и лучевую прочность, что характерно, например, для лазерных зеркал, поверх слоя типа В необходимо предусмотреть защитный полуволновый слой, состоящий из четвертьволнового слоя вида MgF₂ - SiO₂- MgF₂ и четвертьволнового слоя SiO₂. Затем производят нанесение покрытия вакуумной технологией с использованием любого способа контроля толщин слоев в процессе нанесения.

Практически нами были изготовлены четвертьволновые лазерные зеркала на длины волн 0,633, 1,06 и 1,5 мкм на подложках из кварцевого стекла и стекла К-8 с коэффициентом отражения от 90 до 99,5%. В частности "глухие" зеркальные покрытия на длину волны 1,06 мкм имели следующую конструкцию П/(0,33 MgF₂ 0,33 SiO₂ 0,33 MgF₂) - ZnS/⁷ (0,33 MgF₂ 0,33 SiO₂ 0,33 MgF₂) SiO₂. Покрытия наносились на отечественной вакуумной установке ВУ-IA с использованием фотометрического контроля толщин слоев в процессе нанесения. Покрытия имели 1 группу влагоустойчивости и 2 группу механической прочности на истирание в соответствии с ОСТЗ-1901-85, т. е. покрытия допускали протирку оптической батистовой салфеткой с органическим растворителем. По лучевой прочности покрытия были близки к зеркалам из тугоплавких окислов на основе материалов окиси циркония (ZrO₂) и SiO₂.

Кроме того, были изготовлены экспериментальные лазерные зеркала на длины волн 3,39 и 5,5 мкм на подложках из кварцевого стекла КИ и с селенида цинка с покрытием вида П/(0,3 MgF₂ 0,4 SiO₂ 0,3 MgF₂) Sb₂ S₃/² (0,3 MgF₂ 0,4 SiO₂ 0,3 MgF₂) SiO₂ с коэффициентом отражения около 90%. В данном случае в качестве слоя В использовался сульфид сурьмы, что позволило уменьшить число слоев в зеркальном покрытии и тем самым улучшить механическую устойчивость и уменьшить стоимость. По влагоустойчивости и прочности на истирание покрытия имели такие же характеристики как и в первом случае.

Таким образом, созданные многослойные интерференционные (зеркальные) покрытия в соответствии с предлагаемым изобретением позволили расширить область применения по крайней мере до 5,5 мкм и улучшить эксплуатационные характеристики по сравнению с прототипом, а по сравнению с аналогами из тугоплавких окислов расширить область реализации в сторону ИК-излучения и получить преимущество в стоимости по крайней мере в 2-4 раза.

Источники информации
1. Физика тонких пленок. т. 8, под ред. Г. Хасса и др., М.: Мир, 1978, с. 7-60.

2. Отраслевой стандарт, ОСТЗ-1901-85.

3. П. П.Яковлев, Б.Б.Мешков. Проектирование интерференционных покрытий. М.: Машиностроение, 1987.

Покрытие состоит из чередующихся слоев с низким значением показателя преломления из фторида магния и с высоким показателем преломления из материала, прозрачного в ИК-области и имеющего показатель преломления не менее 2,2 и сжимающие напряжения в слое. В середину слоев MgF₂ введена прослойка из двуокиси кремния. Прослойка составляет 0,2-0,5 оптической толщины слоя MgF₂ за счет соответствующего уменьшения его толщины. Слои с высоким показателем преломления могут быть выполнены из сульфида цинка, или селенида цинка, или сульфида сурьмы, или сульфида мышьяка, или селенида мышьяка. На внешний слой из материала с высоким показателем преломления может быть нанесен защитный полуволновой слой с низким показателем преломления. Защитный слой состоит из четвертьволнового слоя MgF₂ с прослойкой SiO₂ и четвертьволнового слоя SiO₂. Обеспечивается расширение длинноволновой области применения и улучшения эксплуатационных характеристик. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Интерференционное покрытие, состоящее из чередующихся между собой слоев с высоким и низким значениями показателя преломления, где материалом слоев с низким показателем преломления является фторид магния (MgF₂), отличающееся тем, что слои с высоким показателем преломления выполнены из материала, прозрачного в ИК области и имеющего показатель преломления не менее 2,2 и сжимающие напряжения в слое, а в середину слоев MgF₂ введена прослойка из двуокиси кремния (SiO₂), составляющая (0,2 - 0,5) оптической толщины слоя с низким показателем преломления за счет соответствующего уменьшения толщины слоя MgF₂. 2. Покрытие по п. 1, отличающееся тем, что слои с высоким показателем преломления выполнены из сульфида цинка, или селенида цинка, или сульфида сурьмы, или сульфида мышьяка, или селенида мышьяка. 3. Покрытие по п. 1 или 2, отличающееся тем, что на внешний слой, выполненный из материала с высоким показателем преломления, нанесен защитный полуволновый слой с низким показателем преломления, состоящий, начиная от слоя с высоким показателем преломления, из четвертьволнового слоя MgF₂, в середину которого введена прослойка SiO₂, составляющая 0,2 - 0,5 оптической толщины этого четвертьволнового слоя, и четвертьволнового слоя SiO₂.