НЕОТРАЖАЮЩИЙ НЕЙТРАЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР Российский патент 2003 года по МПК G02B5/22 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к элементам оптико-электронных систем, которые могут быть использованы для равномерного ослабления падающего излучения при низком отражении в широкой области спектра.

Известен неотражающий нейтральный оптический фильтр с величиной коэффициента пропускания около 10%, состоящий из девяти слоев: оксида титана (IV) - никеля - оксида титана (IV) - оксида кремния (IV) - оксида титана (IV) - никеля - оксида кремния (IV) -никеля - оксида кремния (IV). Диэлектрические слои имеют показатели преломления n_н=1,45 (оксид кремния (IV)) и n_в= 2,3 (оксид титана (IV)) (Гришина Н.В. Синтез широкополосных металлодиэлектрических покрытий. Опт. и спектр, т. 72, вып.4, 1992, с. 1033-1038). Эта конструкция имеет интегральное отражение в видимой области спектра 1,32%.

Основными недостатками такого нейтрального оптического фильтра являются, во-первых, фильтр имеет большое количество слоев, во-вторых, при вычислении используются оптические постоянные массивного никеля и не учитываются изменения оптических постоянных металлического слоя при уменьшении его толщины, в-третьих, указанная конструкция чувствительна к неточностям нанесения слоев по толщине, что приводит к ухудшению рассчитанных спектральных характеристик при технической реализации этой конструкции.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности является неотражающий нейтральный оптический фильтр, состоящий из стеклянного экрана, с одной стороны которого нанесен слой из титана толщиной и диэлектрический слой поверх него из оксида алюминия (III) с показателем преломления n=1,62 и оптической толщиной, равной четверти длины волны λ₀= 0,45 мкм, на другую сторону которого нанесен слой титана толщиной h= (П.П. Яковлев. Антибликовые покрытия для защитных экранов дисплеев // Оптический журнал, т. 65, 3, 1998, с. 83-84).

Основными недостатками предложенного неотражающего нейтрального оптического фильтра являются:
- высокое интегральное отражение (среднее отражение в видимой области спектра 0,4-0,7 мкм равно 1,76%, а на длине волны 0,4 мкм величина отражения достигает 5%);
- необходимость нанесения трех слоев;
- нанесение оптических слоев на две поверхности, что удлиняет технологический процесс изготовления неотражающего нейтрального оптического фильтра.

Технической задачей изобретения является уменьшение интегрального коэффициента отражения и сокращение числа слоев неотражающего нейтрального оптического фильтра.

Поставленная задача решается разработкой неотражающего нейтрального оптического фильтра, включающего подложку, прозрачную в спектральном диапазоне 0,4-0,7 мкм, расположенный на подложке частично пропускающий свет слой титана и антиотражающий свет слой поверх него. Причем антиотражающий слой выполнен из оксида титана TiO_X, при 1<х<2, где х - степень окисления оксида титана, а геометрические толщины слоев титана и оксида титана составляют 0,028-0,03 и 0,04-0,045 мкм соответственно, показатель поглощения слоя оксида титана при этом равен 0,17-0,2.

Фиг. 1 схематически представляет в разрезе неотражающий нейтральный оптический фильтр.

Фиг. 2 показывает спектральные коэффициенты отражения прототипа и предлагаемого неотражающего нейтрального оптического фильтра (кривые 4 и 5 соответственно).

Фиг.3 представляет устройство, с помощью которого может быть получен неотражающий нейтральный оптический фильтр.

Неотражающий нейтральный оптический фильтр (фиг.1) состоит из прозрачной в спектральном диапазоне 0,4-0,7 мкм подложки 1, частично пропускающего свет слоя титана 2, расположенного на подложке 1, и антиотражающего свет слоя 3 поверх него из оксида титана TiO_х, при 1<х<2, где х - степень окисления оксида титана, с показателем поглощения оксида титана, равным 0,17-0,2, причем геометрические толщины слоев титана 2 и оксида титана 3 составляют соответственно 0,028-0,03 и 0,04-0,045 мкм.

Этот неотражающий нейтральный оптический фильтр имеет комплексный амплитудный коэффициент отражения r, определяющий связь между амплитудой, падающей со стороны антиотражающего свет слоя 3, и амплитудой, отраженной от неотражающего нейтрального оптического фильтра плоской электромагнитной волны

где n₀, n_S - показатели преломления ограничивающих сред (исходной среды и подложки соответственно).

Величины М₁₁, М₁₂, M₂₁, М₂₂ являются элементами матрицы интерференции:

где - комплексный показатель преломления частично пропускающего свет слоя титана 2, - комплексный показатель преломления антиотражающего свет слоя 3 (n₃ - показатель преломления, k₃ - показатель поглощения) из TiO_х, при <х<2, h₂ и h₃ - геометрические толщины частично пропускающего свет слоя 2 титана и антиотражающего свет слоя 3 из оксида титана TiO_х, при 1<х<2, где х - степень окисления оксида титана, соответственно λ - длина волны, i - мнимая единица.

Спектральный коэффициент отражения R(λ) и скачок фазы между амплитудой, падающей со стороны антиотражающего свет слоя 3, и амплитудой, отраженной от неотражающего нейтрального оптического фильтра плоской электромагнитной волны ρ определяются из выражения (1). Так, если ограничивающие среды прозрачны и углы падения и преломления вещественны, то имеют место соотношения:
R=r•r*; (3)
ρ=Im r/Re r, (4)
где * означает комплексное сопряжение;
Re и Im означают действительную и мнимую части комплексной величины.

Рассмотрим неотражающий нейтральный оптический фильтр с коэффициентом пропускания 10% и низким отражением в видимой области спектр 0,45-0,7 мкм. Для оценки близости спектральных характеристик получаемого покрытия к требуемым характеристикам вводится оценочный функционал

где [λ₁, λ₂] - диапазон длин волн, в котором производится синтез;
R_u(λ) - измеренный спектральный коэффициент отражения. синтезируемого неотражающего нейтрального оптического фильтра. В данном случае λ₁=0,4 мкм, λ₂=0,7 мкм, R(λ)=0.

Задача синтеза рассматривается в вариационной постановке и сводится к минимизации функционала по толщине слоя и по значению комплексного показателя преломления антиотражающего свет верхнего слоя 3. В качестве начального приближения ищется решение в одной центральной спектральной точке λ= 0,55 мкм и находится требуемая толщина антиотражающего свет слоя 3 h₃, которая при полученном комплексном показателе преломления антиотражающего слоя 3 удовлетворяет заданному нулевому коэффициенту отражения в этой точке.

Синтезированный неотражающий нейтральный оптический фильтр обеспечивает интегральное отражение в видимой области спектра <1%. Неотражающий нейтральный оптический фильтр имеет такие толщины частично пропускающего свет слой 2 титана и антиотражающего свет слоя 3 из оксида титана TiO_х, при 1<х<2, h₂ и h₃, которые приводят к тому, что амплитудные коэффициенты отражения от границ раздела воздух - антиотражающий свет слой 3 из оксида титана и антиотражающий свет слой 3 из оксида титана - частично пропускающий свет металлический слой 2 из титана находятся в противофазе. Одновременно с этим комплексный показатель преломления антиотрающего свет слоя 3 из оксида титана TiO_х, при 1<х<2, обеспечивает равенство этих амплитуд. Таким образом выполняются условия нулевого отражения.

На фиг. 1 схематически представлен неотражающий нейтральный оптический фильтр, состоящий из прозрачной в спектральном диапазоне 0,4-0,7 мкм подложки 1 и расположенных на ней последовательно частично пропускающего свет слоя 2 из титана толщиной h₂=0,029 мкм, антиотражающего слоя 3 из оксида титана TiO_х, при 1<х<2, с показателем поглощения k₃=0,17-0,2 и толщиной h₃= 0,04-0,045 мкм.

На фиг. 2 показаны спектральные коэффициенты отражения прототипа и предлагаемого неотражающего нейтрального оптического фильтра (кривые 4 и 5 соответственно).

На фиг.3 изображено устройство струйного высокочастотного индукционного (ВЧИ) плазмотрона в динамическом вакууме, с помощью которого осуществлялось нанесение неотражающего нейтрального оптического фильтра. Устройство содержит индуктор 6, специальный кронштейн 7; разрядную камеру 8; рубашку охлаждения 9. Индуктор 6 представляет собой трехвитковую катушку диаметром 0,07 м и длиной 0,07 м, изготовленную из медной трубки, охлаждаемую протекающей по ней водой. Индуктор 6 крепится на специальном кронштейне 7, который позволяет перемещать индуктор 6 вдоль разрядной камеры 8. Разрядная камера 8 и рубашка охлаждения 9 представляют цельносварную конструкцию, состоящую из двух коаксиальных кварцевых трубок с протекающей между ними охлаждающей водой. Плазмотрон крепится в отверстии базовой плиты 10 при помощи фланца 11 и герметизируется уплотнительным кольцом 12 из вакуумной резины. При напылении используется аксиальная подача плазмообразующего газа и напыляемого пленкообразующего материала 13.

Использование неотражающего нейтрального оптического фильтра, включающего подложку 1, расположенного на подложке частично пропускающего свет слоя 2 титана и поверх него антиотражающего свет слоя 3 оксида титана TiO_х, при 1<х<2, где х - степень окисления оксида титана, с показателем поглощения слоя 3 оксида титана, равным 0,17-0,2, и геометрическими толщинами слоев титана 2 и оксида титана 3, равными 0,028-0,03 и 0,04-0,045 мкм соответственно, приводит к уменьшению интегрального отражения и к сокращению числа слоев нейтрального оптического фильтра.

Неотражающий нейтральный оптический фильтр получают следующим способом. Подложки 1, представляющие собой круглые плоскопараллельные полированные диски из оптического стекла К-8, очищают этиловым спиртом. Затем подложки 1 помещают в вакуумную плазменную установку над верхним срезом плазмотрона. Предварительно поверхность, на которую впоследствии наносят требуемые слои, обрабатывают плазменным потоком при следующих режимах плазменной установки: частота генератора 1,76 МГц, ток анода лампы I_A=1,0-1,3 А, ток сетки I_c1= 100-150 мА, напряжение на сетке U_c2=200-220 В, расход плазмообразующего газа Ar G=0,07-0,08 г/с, давление р=50-80 Па, расстояние до верхнего витка индуктора 6 равно 120-150 мм в течение 10 мин. В процессе обработки температура подложки 1 поднимается до 250-300^oС и поверхность подложки 1 очищается и модифицируется Затем индуктор 6 медленно опускают и в центральной зоне плазмы начинают распыление последовательно титана и оксида титана. Процесс напыления проходит при следующих режимах: ток анода лампы I_A=1,0-1,3 А, ток сетки I_c1= 140-190 мА, напряжение на сетке U_c2=140-200 В, расход плазмообразующего газа Ar G=0,07-0,08 г/с, давление р=50-80 Па, расстояние до верхнего витка индуктора 6 равно 150-200 мм в течение 10 мин. Это соответствует изменению внутренних характеристик разряда и плазменной струи - n_e=10¹⁵-10¹⁹ м^-3, Р_р= 0,1 до 4 кВт, j_i=15-25 А•м^-2, W_i=10-30 эВ, q_т=5•10²-5•10³ Вт•м^-2, где n_e - концентрация электронов, Р_р - мощность разряда, j_i - плотность ионного тока поступающего на поверхность, W_i - энергия ионов, q_т - плотность теплового потока.

На подложку сначала осаждают на расстоянии от индуктора 6, равном 170 - 190 мм, частично пропускающий свет слой 2 из титана геометрической толщиной 0,028 - 0,03 мкм. Антиотражающий свет слой 3 из оксида титана TiO_X, при 1<х<2, осаждают на расстоянии от индуктора 6 равном 170-190 мм со скоростью геометрическая толщина слоя составляет 0,04-0,045 мкм, показатель поглощения - 0,17-0,2. Толщины слоев контролируют по времени нанесения. Технологический процесс напыления неотражающего нейтрального оптического фильтра составляет 0,5 ч. Интегральный коэффициент отражения полученного неотражающего нейтрального оптического фильтра имеет величину менее 1%, при коэффициенте пропускания около 10%.

Неотражающий нейтральный оптический фильтр может быть использован для равномерного ослабления падающего излучения. Фильтр включает прозрачную в спектральном диапазоне 0,4-0,7 мкм подложку, расположенный на подложке частично пропускающий свет слой титана и антиотражающий свет слой поверх него. Антиотражающий свет слой выполнен из оксида титана TiO_x при 1<х<2, где х - степень окисления оксида титана, с показателем поглощения слоя оксида титана, равным 0,17-0,2. Геометрические толщины слоев титана и оксида титана составляют соответственно 0,028-0,03 и 0,04-0,045 мкм. Технический результат - уменьшение величины интегрального коэффициента отражения и сокращение числа слоев фильтра. 3 ил.

Неотражающий нейтральный оптический фильтр, включающий прозрачную в спектральном диапазоне 0,4-0,7 мкм подложку, расположенный на подложке частично пропускающий свет слой титана и антиотражающий свет слой поверх него, отличающийся тем, что антиотражающий свет слой выполнен из оксида титана TiO_x при 1<х<2, где х - степень окисления оксида титана, с показателем поглощения слоя оксида титана, равным 0,17-0,2, причем геометрические толщины слоев титана и оксида титана составляют соответственно 0,028-0,03 и 0,04-0,045 мкм.