МНОГОСПЕКТРАЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СВЕТОФИЛЬТР ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G02B5/28 B82Y20/00 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к устройствам для защиты органов зрения и аппаратуры от ослепляющего воздействия лазерного излучения. Известны защитные устройства, использующие различные типы фильтров, блокирующих лазерное излучение определенных частот и определенной мощности. Блокировка излучения происходит либо вследствие поглощения излучения заданной длины волны (λ₀), либо за счет его отражения. Поглощение в цветных светофильтрах создается путем введения в материалы примесей, красителей, пигментов, полупроводниковых элементов. Поглощенный свет преобразуется в тепло, вследствие чего фильтры могут обесцвечиваться и терять способность защиты от мощного лазерного излучения. В качестве отражающих систем можно использовать различные виды интерференционных покрытий из чередующихся слоев с высоким (n_в) и низким (n_н) показателями преломления: диэлектрические зеркала, поляризаторы, светоделители, полосовые, отрезающие фильтры [1]. Основными требованиями к таким покрытиям являются высокое отражение в спектральной области лазерного излучения, высокое пропускание в остальных участках видимой части спектра и максимально возможное сохранение цветопередачи. Для выполнения этих требований обычно создавались покрытия, блокирующих лазерное излучение одной определенной частоты.

В настоящее время требуется создание покрытий для защиты от лазерного излучения нескольких длин волн одновременно. Для этого полоса блокирования в видимой части спектра должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить глубокое подавление лазерной длины волны, в том числе при наклонном падении света, и достаточно малой, чтобы не блокировать остальные участки спектра. Оптимальная ширина полосы отражения Δλ_0,01/λ₀=(0,04-008) (Δλ_0,01 ширина полосы отражения на уровне 1% пропускания, λ₀ - длина волны блокирования). Препятствием для получения максимального пропускания в области прозрачности является наличие в спектрах пропускания побочных максимумов отражения (осцилляции), высота которых зависит как от разности показателей преломления, так и от абсолютных значений показателей преломления чередующихся слоев. Самый глубокий провал находится вблизи края полосы отражения. Число и высота побочных максимумов растет по мере возрастания числа слоев. Увеличение числа слоев необходимо для получения максимального отражения (высокой оптической плотности).

Достаточно высокие требования предъявляются и к эксплуатационным характеристикам покрытий. Покрытия должны быть влагостойки, выдерживать очистку органическими растворителями (спирт, ацетон).

Известна конструкция светофильтра из чередующихся слоев с высоким и низким показателем преломления, при отношении оптических толщин, равном пяти (авторское свидетельство №381055 от 15.05.1973) [2]. Такое выполнение светофильтра обеспечивает избирательное отражение в нескольких участках спектра, например, в области 0,53; 0,69 и 1,06 мкм, при сохранении прозрачности вне указанных участков. Конструкция фильтра П(5ВН)^к5В, где символом П обозначена подложка; В и Н - четвертьволновые пленки с высоким и низким показателями преломления; к - параметр кратности, определяющий общее число слоев в системе.

Однако этот светофильтр не обладает достаточной оптической плотностью (D). На длине волны 0,53 мкм D практически в одной точке равно единице (Δλ_0,01/λ₀<0,01, т.е. Δλ≈2-3 нм). Кроме того, фильтр имеет низкую механическую прочность, так как при большой разнице в толщине соседних слоев создаются слишком высокие внутренние напряжения. Такие фильтры подлежат обязательной склейке сразу после изготовления.

Известны системы диэлектрических зеркал с повышенной избирательной способностью (Δλ_0,01/λ₀=0,1-0,2) на основе слоев неравной оптической толщины, причем это неравенство изменяется от слоя к слою по заданной программе. Например, П(0,07В- 1,93Н-0,09В-1,91Н-0,12В- 1,88Н-…0,07В). Однако такие системы сложны в изготовлении, так как содержат очень тонкие слои, толщину которых не удается проконтролировать с необходимой точностью в видимой части спектра. Такие покрытия могут использоваться для далекой инфракрасной области спектра.

Известны также системы из чередующихся слоев равной оптической толщины из трех различных материалов. Избирательная способность систем может составлять Δλ_0,01/λ₀=0,08-0,16. Условное обозначение таких систем П(ВСNНС)^к, П(НСNВС)^к и.т.п., где N - целое число, обозначающее толщину следующего за ним слоя в четвертях длины волны, С - четвертьволновая пленка со среднем значением показателя преломления. Однако такие системы имеют низкую оптическую плотность и дополнительные полосы отражения в зоне прозрачности.

Известны различные конструкции покрытий, использующиеся для уменьшения осцилляции и повышения пропускания в рабочей области прозрачности, с условием сохранения области высокого отражения [3-6]. Для получения максимально возможной прозрачности с длинноволновой стороны от полосы отражения обычно используются конструкции П(0,5ВН0,5В)^к или П(0,5НВ0,5Н)^к. Для получения максимальной прозрачности с коротковолновой стороны от полосы отражения используются конструкции П(ВН)^кВ0,5Н.

В зависимости от конкретных требований к спектральным характеристикам покрытий разработано большое количество конструкций фильтров для сглаживания осцилляции и увеличения пропускания в заданных участках спектра. Например, предлагается, кроме верхнего слоя с низким показателем преломления (n_н) толщиной λ₀/8 (0,5Н), между подложкой и интерференционной системой поместить дополнительный слой с высоким показателем преломления (n_в) толщиной 3/4 λ₀ (3В) (авторское свидетельство №386363 от 14.06.1973) [7]. В авторском свидетельстве №471568 от 25.05.75 предлагается между интерференционной системой и обрамляющими средами поместить дополнительные слои со среднем показателем преломления (n_ср), вычисленными по определенной формуле, оптической толщиной λ₀/8. В авторском свидетельстве №448418 от 30.10.74 [9] такая же задача решается путем введения двух дополнительных слов толщиной λ₀/8 на границах интерференционного покрытия. При этом слои, примыкающие к покрытию, имеют показатель преломления, равный n=n_в ^3/2·nн^-1/2, а показатели преломления внешних слоев равны (n n₀)^1/2 и (n n_подл)^1/2. В авторском свидетельстве №553564 от 05.04.1977 [10] предлагается с двух сторон интерференционной системы ввести дополнительные слои с n_в и оптической толщиной 0,3λ₀, и верхний слой с n_н и оптической толщиной 0,15λ₀.

Такое большое разнообразие способов сглаживания и повышения пропускания в области прозрачности фильтров связано с тем, что интерференционные системы очень чувствительны к изменению оптических параметров: показателей преломления подложки и слоев, разности между ними, количества слоев, спектральной области применения. Поэтому для каждого оптического прибора необходимы дополнительные расчеты параметров слоев для обеспечения требуемых спектральных характеристик.

Наиболее полно различные способы сглаживания осцилляции в интерференционных системах представлены в работе Ш.А. Фурмана (прототип) [4]. Используя метод эквивалентных слоев и другие аналитические методы, автор представил некоторые частные случаи сглаживания осцилляции для конкретных оптических систем. Для коротковолнового отрезающего фильтра повышение пропускания в коротковолновой области предлагается за счет введения на границах подложка-фильтр и фильтр-воздух двух дополнительных слоев оптической толщиной 0,125λ₀ и показателями преломления, рассчитанными по приближенным формулам. Для длинноволнового отрезающего фильтра, для получения высокого пропускания в длинноволновой области автор предлагает использование классической конструкции П(0,5ВН0,5В)^к, с показателем преломления первого и последнего обрамляющего слоя в соответствии с расчетом. Однако найденные расчетным путем решения не всегда можно реализовать на практике, так как не удается найти пленкообразующие материалы с необходимыми параметрами.

Для решения поставленной перед нами задачи требуется повышение прозрачности оптических систем как с длинноволновой, так и с коротковолновой стороны от полосы высокого отражения для всех границ перехода от уровня высокой прозрачности к низкой.

Предложенное покрытие отличается от известных тем, что состоит из композиции трех различных элементов, обеспечивающих заданную спектральную характеристику покрытия в целом. Поставленная цель достигается тем, что каждый из трех элементов оптимизируется по своей структуре таким образом, чтобы получить оптическую плотность не менее трех в спектральных областях 380-460 нм, 510-540 нм и 635-740 нм соответственно, при максимальном пропускании в спектральных областях 470-505 нм и 545-620 нм для сохранения цветопередачи.

На фиг.1 приведена схема конструкции светофильтра. Светофильтр представляет собой подложку 4, на обеих сторонах которой расположены интерференционные оптические покрытия. На одной стороне подложки расположен многослойный интерференционный фильтр в виде зеркала второго порядка (λ₀=1565 нм) с высоким отражением в области 510-540 нм (элемент 1) и максимальным пропусканием в области 470-505 нм и 545-620 нм. На второй стороне подложки расположена композиция из двух интерференционных покрытий. Непосредственно к подложке примыкает длинноволновый отрезающий фильтр (λ₀=680 нм) с высоким отражением в области 635-740 нм и максимальным пропусканием в области 470-620 нм (элемент 2). На этом светофильтре расположен коротковолновый отрезающий фильтр (λ₀=425 нм) с высоким отражением в области 380-460 нм и максимальном пропускании в области 470-620 нм (элемент 3).

Для повышения прозрачности фильтра в коротковолновой и длинноволновой области спектра от полосы высокого отражения 510-540 нм при блокировании лазерного излучения длиной волны 532 нм в основную конструкцию элемента 1 введены дополнительные слои на границе фильтр-подложка и фильтр-воздух:

П(СН)³(ВН)¹⁴(СН)²С 1,24Н.

При блокировании лазерного излучения длиной волны 650 нм для увеличения прозрачности с коротковолновой стороны от полосы максимального отражения в спектральных областях 545-620 нм и 470-505 нм в конструкцию элемента 2 введены дополнительные слои на границе фильтр-подложка и фильтр-элемент 3:

П0,5С (СН)⁴(ВН)¹¹(СН)³С 0,54Н.

При блокировании лазерного излучения длиной волны 405 нм и 445 нм для увеличения прозрачности с длинноволновой стороны от полосы максимального отражения в спектральных областях 470-505 нм и 545-620 нм в конструкцию элемента 3 введены дополнительные слои на границе элемент 2-фильтр и фильтр-воздух:

Ф0,5 ВН(СН)³(ВН)¹⁵0,5В.

Композиция, наносимая на вторую сторону подложки, записывается так:

П0,5С(СН)⁴(ВН)¹¹(СН)³С0,54Н0,5В Н(СН)³(ВН)¹⁵0,5В.

На фиг.2 показано расчетное спектральное пропускание фильтра. Расчетное среднее значение пропускания в области 470-505 нм составляет 83,4%, в области 545-620 нм - 88%. Визуальное пропускание для стандартного источника А составляет 62,6%. Расчетные значения оптической плотности на длинах волн излучения лазерных указок фиолетового, синего, зеленого и красного цветов показаны в таблице 1.

Таблица 1 Длина волны, нм 405 445 532 650 Оптическая плотность 4 3,5 3,4 3,2

В соответствии с расчетными данными в производственных условиях были изготовлены опытные партии фильтров. В качестве слоев с высоким показателем преломления В использовался оксид циркония. В качестве слоев со среднем показателем преломления С использовался оксид иттрия. В качестве слоев с низким показателем преломления Н использовался кварц. В качестве подложек использовалось очковое оптически прозрачное стекло. Для изготовления опытных образцов покрытий использовалась вакуумная установка A-700QE фирмы «Leubold-Heraus». Технологический процесс изготовления зеркал стандартный и состоит из очистки подложек перед нанесением покрытия, в прогреве подложек и последовательному нанесению слоев в соответствии с расчетом. Для нанесения слоев использовались электронно-лучевые испарители. Контроль толщины слоев проводился по пропусканию спектрофотометрическим методом. Для получения максимальной точности заранее рассчитывались схемы контроля. Давление остаточных газов в камере нанесения покрытия составляло 2÷5·10^-5 мм.рт.ст. Температура нагрева подложек 180°C-220°C. Скорость нанесения слоев ZrO₂ составляла 17 Å/мин, скорость нанесения слоев Y₂O₃ - 20 Å/сек, скорость конденсации слоев SiO₂ была равна 25 Å/мин. Выбранные режимы испарения оптимальны с точки зрения получения наиболее стабильных и воспроизводимых оптических характеристик формируемых оптических систем.

На фиг.3 показано типичное спектральное пропускание опытного образца фильтра, изготовленного в производственных условиях по описанной выше методике.

Полоса зоны отражения в видимой области спектра Δλ_0,01/λ₀=0,06-0,08, что близко к расчетным значениям. Оптическая плотность на лазерных длинах волн рассчитывалась по спектрам пропускания, измеренным на спектрофотометре СФ8 с растяжкой шкалы, и составляет величину D>3 для лазерных длин волн 405, 445, 532 и 650 нм. Среднее значение пропускания в области 470-505 нм составляет 70,4%, в области 540-620 нм - 80,5%. Визуальное пропускание экспериментальных образцов на 5-8% меньше расчетных значений и составляет в среднем 54% для стандартного источника А. Разработанная конструкция обеспечила получение заданных технических характеристик, и на ее основе может быть организовано массовое производство изделия.

Литература

1. Гайнутдинов И.С. и др. Свойства и методы получения интерференционных покрытий для оптического приборостроения. Казань: Фен, 2003, 424 с.

2. Миронов С.П., Веремей В.В., Соловьев Н.Г. Интерференционный светофильтр.//А.с. №381055, кл. G02b 5/28, опубл. 15.05.1973. Бюл. №21.

3. Телен А. Конструирование многослойных интерференционных светофильтров. В кн. Физика тонких пленок. М.: 1972 г., т.5, с.46-83.

4. Фурман Ш.Ф. Тонкослойные оптические покрытия. Л.: Машиностроение, 1977, 264 с.

5. Яковлев П.П., Мешков Б.Б. Проектирование интерференционных покрытий. М.: Машиностроение, 1987, 192 с.

6. Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. Л.: Машиностроение, 1973. 224 с.

7. Л.Б. Кацнельсон и Ш.А. Фурман. Интерференционный светофильтр.// Авт.св. СССР. №386363, МПК G02b 5/28. Бюл. №26 от 14.06.1973.

8. Б.Б. Мешков и В.А. Ефременко. Отрезающий оптический интерференционный фильтр с пропусканием в коротковолновой области спектра.//Авт. св. СССР №471568. Бюл. №19 от 25.05.1975.

9. Е.Г. Столов и Ш.А. Фурман. Интерференционный оптический отрезающий фильтр.//Авт.св. СССР №448418. Бюл. №40 от 30.10.1974.

10. Н.Ф. Марков и Е.Г. Столов. Оптический интерференционный длинноволновый отрезающий фильтр.// Авт.св. СССР №553564. Бюл. № 13 от 05.04.1977.

Изобретение может быть использовано в защитных очках, шлемах, масках, щитках и экранах для защиты глаз человека от ослепляющего лазерного излучения. Светофильтр включает прозрачную подложку и нанесенные на нее три элемента, содержащих интерференционные покрытия из чередующихся слоев с высоким и низким показателями преломления (ВН)^к. В первый элемент, представляющий собой многослойный интерференционный фильтр в виде зеркала второго порядка (λ₀=1565 нм) с высоким отражением в области 530-540 нм и максимальным пропусканием в области 470-505 нм и 545-620 нм, на границе фильтр-подложка и фильтр-воздух введены дополнительные слои (СН)³ и (CH)²Cl,24H. Во второй элемент, представляющий собой длинноволновый отрезающий фильтр (λ₀=680 нм) с высоким отражением в области 635-740 нм и максимальным пропусканием в области 470-620 нм, расположенный на противоположной от первого элемента стороне подложки и непосредственно примыкающий к ней, введены дополнительные слои 0,5С(CH)⁴ и (CH)₃C 0,54Н. В третий элемент, представляющий собой коротковолновый отрезающий фильтр (λ₀=425 нм) с высоким отражением в области 380-460 нм и максимальным пропусканием в области 470-620 нм и расположенный поверх второго элемента, дополнительно введены слои 0,5 ВН(CH)³ и 0,5B. Технический результат - повышение прозрачности фильтра в коротковолновой и длинноволновой области спектра от полосы высокого отражения при блокировании лазерного излучения заданной длины волны. 3 ил., 1 табл.

Многоспектральный интерференционный светофильтр для защиты от лазерного излучения, включающий прозрачную подложку и нанесенную на нее композицию из трех различных элементов, содержащих интерференционные покрытия из чередующихся слоев с высоким и низким показателями преломления (ВН)^к, отличающийся тем, что в первый из элементов композиции, представляющий собой многослойный интерференционный фильтр в виде зеркала второго порядка (λ₀=1565 нм) с высоким отражением в области 530-540 нм и максимальным пропусканием в области 470-505 нм и 545-620 нм, на границе фильтр-подложка и фильтр-воздух введены дополнительные слои (CH)³ и (CH)²C 1,24H, во второй элемент, представляющий собой длинноволновый отрезающий фильтр (λ₀=680 нм) с высоким отражением в области 635-740 нм и максимальным пропусканием в области 470-620 нм, расположенный на противоположной от первого элемента стороне подложки и непосредственно примыкающий к ней, введены дополнительные слои 0,5C(CH)⁴ и (CH)³C 0,54H, а в третий элемент, представляющий собой коротковолновый отрезающий фильтр (λ₀=425 нм) с высоким отражением в области 380-460 нм и максимальным пропусканием в области 470-620 нм и расположенный поверх второго элемента, дополнительно введены слои 0,5 ВН(CH)³ и 0,5B.