ОПТИЧЕСКОЕ ЗЕРКАЛО Российский патент 2022 года по МПК G02B5/08 

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано при изготовлении отражающих оптических элементов различных оптоэлектронных приборов для получения высокого коэффициента отражения (R) в широкой области спектра.

Аналогом является оптическое зеркало (патент JPS476633U, МПК G02B 5/00, опубликован 22.09.1972), содержащее подложку, адгезионный слой толщиной 490-510 нм, выполненный из хрома, отражающий слой, выполненный из золота, и ряд чередующихся защитных слоев из материалов с высокими и низкими показателями преломления, таких как MgF₂, ZnS, SiO, SiO₂, Al₂O₃, TiO, TiO₂, ZrO₂, ZrSiO₄.

Основной недостаток этого зеркала заключается в том, что оно имеет пониженные отражательные свойства из-за большой толщины защитных слоев, обусловленных большим количеством таких материалов, как MgF₂, ZnS, SiO, SiO₂, Al₂O₃, TiO, TiO₂, ZrO₂, ZrSiO₄.

Прототипом является оптическое зеркало (патент RU112450 U1, МПК G02B 5/00, опубликован 10.01.2012), содержащее подложку, адгезионный слой толщиной 490-510 нм, выполненный из хрома, отражающий слой, выполненный из золота, и защитный слой толщиной 200-220 нм, выполненный из оксида иттрия.

Коэффициент отражения оптического зеркала-прототипа составляет от 98,0% до 99,0% в области спектра 0,6-0,8 мкм и 99,5% в области спектра от 8 до 14 мкм. Коэффициент отражения зеркала-прототипа в среднем ИК спектральном диапазоне от 3,5 до 5,5 мкм не указан, но расчеты показывают, что он составляет от 99,0% до 99,1%.

Недостатком прототипа являются относительно невысокие коэффициенты отражения в спектральных рабочих диапазонах от 0,6 до 0,8 мкм, от 3,5 до 5,5 мкм и от 8 до 14 мкм.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка конструкции оптического зеркала, позволяющей добиться повышения коэффициента отражения во всех рабочих спектральных диапазонах.

Решение этой задачи позволяет использовать такое зеркало с максимальной эффективностью как в оптоэлектронных приборах, использующих для работы видимый, а также средний или дальний ИК спектральные диапазоны, так и в многоспектральных приборах, использующих наряду с видимым оба указанных ИК диапазонов.

Техническая задача решается тем, что оптическое зеркало, содержащее подложку, адгезионный слой, выполненный из хрома, отражающий слой и защитный слой, выполненный из оксида иттрия, согласно настоящему изобретению, дополнительно содержит слой из диоксида кремния, расположенный между отражающим слоем и защитным слоем, отражающий слой выполнен из меди, при этом толщины слоев хрома, меди, диоксида кремния и оксида иттрия составляют соответственно 50…100 нм, 150…200 нм, 80…90 нм и 90…100 нм.

На фиг. 1 изображена конструкция предлагаемого оптического зеркала (поперечный разрез).

На фиг. 2 представлены спектральные характеристики отражения предлагаемого оптического зеркала (кривая 1) и зеркала-прототипа (кривая 2) в спектральном диапазоне от 0,6 до 0,8 мкм.

На фиг. 3 представлена спектральная характеристика отражения предлагаемого оптического зеркала (кривая 3) и зеркала-прототипа (кривая 4) в спектральном диапазоне от 3,5 до 14 мкм.

На фиг. 4 представлена спектральная характеристика отражения пленки меди (кривая 5) толщиной 150…200 нм и пленки золота (кривая 6) толщиной 150…200 нм в спектральном диапазоне от 3,5 до 14 мкм.

Оптическое зеркало содержит нанесенные в вакууме на подложку 1 адгезионный слой 2, выполненный из хрома, отражающий слой 3, слой 4 и защитный слой 5, выполненный из оксида иттрия.

Отличием предлагаемого оптического зеркала является то, что отражающий слой 3 выполнен из меди, слой 4, расположенный между отражающим слоем 3 и защитным слоем 5, выполнен из диоксида кремния, при этом толщины слоев 2, 3, 4 и 5 составляют соответственно 50…100 нм (слой хрома), 150…200 нм (слой меди), 80…90 нм (слой диоксида кремния) и 90…100 нм (слой оксида иттрия).

Оптимальные толщины адгезионного 2 и отражающего 3 слоев определены экспериментально.

Адгезионный слой 2 из хрома толщиной 50…100 нм обеспечивает необходимое сцепление отражающего слоя 3 с подложкой 1 из оптического стекла.

Коэффициент отражения тонкой пленки зависит от технологических условий ее получения. Экспериментально определено, что коэффициент отражения пленки меди толщиной 150…200 нм, полученной методом электронно-лучевого испарения в вакууме, превышает в спектральном диапазоне от 3,5 до 14 мкм на 0,5% коэффициент отражения пленки золота, используемой в зеркале-прототипе и полученной аналогичным способом. Сравнительные спектральные характеристики отражения пленок меди (кривая 5) и золота (кривая 6), полученных на вакуумной установке ВУ-1А показаны на фиг. 4. Измерение спектральных характеристик отражения пленок меди и золота проведено на ИК-Фурье спектрометре, погрешность измерения коэффициента отражения которого составляет 0,1%.

К недостаткам меди относится ее мягкость и быстрое окисление, приводящее к уменьшению коэффициента отражения.

Для повышения прочности медного слоя и увеличения коэффициента отражения в спектральном диапазоне от 0,6 до 0,8 мкм на подложку 1 дополнительно нанесены слой 4 из диоксида кремния SiO₂ толщиной 80…90 нм и защитный слой 5 из оксида иттрия Y₂O₃ толщиной 90…100 нм.

Толщины слоев 4 и 5 рассчитаны таким образом, чтобы увеличить коэффициент отражения в спектральном диапазоне от 0,6 до 0,8 мкм, не уменьшая его при этом в спектральных диапазонах от 3,5 до 5,5 мкм и от 8 до 14 мкм.

Слой 4 и защитный слой 5 обеспечивают высокие эксплуатационные характеристики - необходимую для работы в составе оптоэлектронных приборов механическую прочность и влагостойкость с сохранением оптических характеристик отражения в заданном спектральном диапазоне. Механическая прочность предложенного оптического зеркала соответствует 1-й группе механической прочности по ОСТ 3-1901-95. Влагостойкость оптического зеркала соответствует 1-й группе влагостойкости по ОСТ 3-1901-95.

Пример конкретного выполнения.

При изготовлении высокоотражающего широкополосного оптического зеркала для оптоэлектронного прибора все слои 2, 3, 4 и 5 поочередно наносят методом электронно-лучевого испарения в вакууме за один технологический цикл.

На подложку 1 из полированного оптического стекла диаметром 30 мм методом электронно-лучевого испарения в вакууме при давлении 5×10^-4 Па и температуре 150°С наносят адгезионный слой 2 из хрома толщиной 80 нм. На адгезионный слой тем же методом при тех же условиях наносят отражающий слой 3 из меди толщиной 170 нм. Далее тем же методом при тех же условиях наносят слой 4 из диоксида кремния толщиной 85 нм и защитный слой 5 из оксида иттрия толщиной 95 нм. Толщины слоев в процессе их напыления контролировались с помощью системы кварцевого контроля.

Использование предлагаемого изобретения в соответствии с заявляемыми признаками позволяет получить значения коэффициента отражения от 98,1% до 99,3% в видимом спектральном диапазоне от 0,6 до 0,8 мкм, от 99,5% до 99,6% в среднем ИК спектральном диапазоне от 3,5 до 5,5 мкм и от 99,6% до 99,7% в дальнем ИК спектральном диапазоне от 8 до 14 мкм.

Таким образом, коэффициент отражения предложенного оптического зеркала выше на 0,1-0,5% в части видимого, в среднем и дальнем ИК спектральных диапазонах, чем у зеркала-прототипа (см. фиг. 2 и фиг. 3).

Кроме того, медь в 25 раз дешевле золота и при работе с ней не требуется получать ведомость разрешения на ее использование и соблюдать строгую отчетность, как в случае с золотом, которое используется в качестве отражающего слоя при изготовлении оптического зеркала-прототипа.

Изобретение может быть использовано при изготовлении отражающих оптических элементов оптоэлектронных приборов. Оптическое зеркало содержит подложку, адгезионный слой, выполненный из хрома, отражающий слой и защитный слой, выполненный из оксида иттрия. Зеркало дополнительно содержит слой из диоксида кремния, расположенный между отражающим слоем и защитным слоем, отражающий слой выполнен из меди. Толщины слоев хрома, меди, диоксида кремния и оксида иттрия составляют соответственно 50…100 нм, 150…200 нм, 80…90 нм и 90…100 нм. Технический результат - повышение коэффициента отражения во всех рабочих спектральных диапазонах. 4 ил.

Оптическое зеркало, содержащее подложку, адгезионный слой, выполненный из хрома, отражающий слой и защитный слой, выполненный из оксида иттрия, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит слой из диоксида кремния, расположенный между отражающим и защитным слоями, отражающий слой выполнен из меди, при этом толщины слоев хрома, меди, диоксида кремния и оксида иттрия составляют соответственно 50…100 нм, 150…200 нм, 80…90 нм и 90…100 нм.