ОПТИЧЕСКОЕ ЗЕРКАЛО Российский патент 2022 года по МПК G02B5/08 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в качестве отражающего оптического элемента лазерной техники, работающей на длине волны 10,6 мкм, различных оптоэлектронных приборов для получения высокого коэффициента отражения (R) в широкой области спектра.

Оптические зеркала для оптоэлектронных приборов изготавливают, как правило, методами осаждения в вакууме различных пленкообразующих материалов. При изготовлении широкополосных оптических зеркал для оптоэлектронных приборов необходимо использовать металлические слои, которые ввиду своих оптико-физических свойств имеют высокий коэффициент отражения в широкой области спектра. При изготовлении оптических зеркал с коэффициентом отражения более 85% в одном или нескольких спектральных диапазонах, включающих видимую (от 0,4 до 0,8 мкм), ближнюю (от 0,8 до 2 мкм), среднюю (от 3,5 до 5,5 мкм) и дальнюю (от 8 до 14 мкм) инфракрасные (ПК) области спектра, набор металлов, используемых в качестве отражающего слоя, ограничивается алюминием и золотом. Тонкие слои указанных металлов обладают недостаточным сцеплением с оптическим стеклом, поэтому для повышения прочности на подложку перед металлическим отражающим слоем наносится адгезионный слой из материала, имеющего хорошую адгезию с материалом подложки. Алюминий и золото являются мягкими металлами, поэтому для повышения прочности оптических зеркал, поверх отражающего металлического слоя наносится защитный слой из материала, обладающего высокой механической прочностью. Кроме того, алюминий подвержен окислению, ухудшающему его свойства в процессе эксплуатации. Поэтому защитный слой для алюминия должен обладать высокой влагостойкостью.

Известны оптические зеркала, имеющие отражающие покрытия из металлических слоев алюминия и золота, обладающие относительно высоким коэффициентом отражения в различных областях спектра.

Известно оптическое зеркало, содержащее подложку, отражающий слой, выполненный из алюминия, защищенный слоем оксида алюминия (Сох, J.T.; Hass, G. Aluminium mirrors А1203 protected, with high reflectance at normal but greatly decreased reflectance at higher angles of incidence in the 8-12 μm region. Applied Optics, Vol. 14, Issue 3, 1978, pp. 333-334. https://d0i.0rg/10.1364/AO.17.000333).

Недостатками этого зеркала являются недостаточно высокий коэффициент отражения в видимой области спектра, составляющий 85%, невысокая механическая прочность, соответствующая II группе по ОСТ 3-1901-95, и невысокая коррозионная стойкость.

Оптическое зеркало выдерживает относительную влажность 90% при 20°С и при дальнейшем повышении влажности и температуры разрушается.

Оптическое зеркало, имеющее отражающий слой из алюминия (ОСТ 3-1901-95, М.В.011, п. 1.11, с. 13) обеспечивает значения коэффициента отражения от 88%) в видимом спектральном диапазоне до 97% в дальнем ИК спектральном диапазоне.

Недостатками известного оптического зеркала являются его низкая механическая прочность и влагостойкость. Кроме того, быстрое окисление алюминия ведет к снижению коэффициента отражения.

Оптическое зеркало, имеющее отражающее покрытие из золота (ОСТ 3-1901-95, М.В.025, п. 1.25, с. 19) позволяет достичь коэффициента отражения от 98% до 98,5% в ближнем, среднем и дальнем ИК спектральных диапазонах.

Недостатком этого оптического зеркала является его низкая механическая прочность.

Для улучшения механической прочности оптических зеркал, имеющих отражающие слои на основе алюминия или золота, применяют защитные диэлектрические слои, наносимые поверх слоя металла.

Известно 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, Zr02, 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, Al203, 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 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.

Также недостатком данного зеркала является то, что слой оксида иттрия, нанесенный термическим испарением в вакууме без нагрева подложек, порист и невлагостоек. Зеркало выдерживает относительную влажность 90% при 20°С и при дальнейшем повышении влажности и температуры (98%) при 40°С) разрушается.

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 в оптическом зеркале, содержащем подложку, адгезионный слой, выполненный из хрома, отражающий слой и защитный слой, согласно настоящему изобретению, толщина адгезионного слоя из хрома составляет 50…100 нм, отражающий слой выполнен из тонкой пленки сплава алюминия и меди толщиной 200…400 нм при следующем соотношении компонентов, мас. %:

алюминий 85-98 медь 2-15,

при этом защитный слой выполнен из оксида лютеция толщиной 100…250 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 сплава алюминия и меди (кривая 5) толщиной 200…400 нм и пленки золота (кривая 6) толщиной 200…400 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 и защитный слой 4.

Отличием предлагаемого оптического зеркала является то, что отражающий слой 3 выполнен из тонкой пленки сплава алюминия и меди толщиной 200…400 нм, содержащего 85-98% алюминия и 2-15% меди, при этом толщина адгезионного слоя 2 из хрома составляет 50…100 нм, а защитный слой 4 выполнен из оксида лютеция толщиной 100…250 нм.

Адгезионный слой 2 из хрома, оптимальная толщина которого 50…100 нм определена экспериментально, обеспечивает необходимое сцепление отражающего слоя 3 с подложкой 1 из оптического стекла.

Оптимальные толщины и соотношения материалов отражающего слоя 3 также определены экспериментально.

Оптимальное содержание меди в предлагаемом составе отражающего слоя 3 составляет 2-15%, что обеспечивает высокие оптические и механические свойства. При содержании меди ниже 2% показатели коэффициента отражения не превышают показателей отражающего слоя из алюминия, а при содержании меди выше 15% наблюдается склонность к образованию островковой пленки меди при конденсации на подложке, что в свою очередь препятствует получению однородной структуры покрытия и снижает оптические свойства зеркала. Кроме того, получение сплава с большей концентрацией меди связано с ограниченной растворимостью меди в алюминии, так как медь имеет низкий коэффициент диффузии в алюминий.

Коэффициент отражения тонкой пленки зависит от технологических условий ее получения. Экспериментально определено, что коэффициент отражения пленки сплава алюминия и меди толщиной 200…400 нм, содержащего 85-98% алюминия и 2-15% меди, полученной методом электронно-лучевого испарения в вакууме, превышает в спектральном диапазоне от 3,5 до 14 мкм на 0,4% коэффициент отражения пленки золота, используемой в зеркале-прототипе и полученной аналогичным способом.

Сравнительные спектральные характеристики отражения пленок сплава алюминия и меди (кривая 5) и золота (кривая 6), полученных на вакуумной установке ВУ-1А, показаны на фиг. 4. Измерение спектральных характеристик отражения пленок сплава (Al+Cu) и золота проведено на ИК-Фурье спектрометре, погрешность измерения коэффициента отражения которого составляет 0,1%.

К недостаткам тонкой пленки сплава алюминия и меди относятся его мягкость и окисление (появление поглощающих окислов), приводящее к уменьшению коэффициента отражения в рабочей области спектра.

Для повышения прочности слоя сплава алюминия и меди (Al+Cu) и увеличения коэффициента отражения в спектральном диапазоне от 0,6 до 0,8 мкм на подложку 1 нанесен защитный слой 4 из оксида лютеция Lu₂O₃ толщиной 100…250 нм. При нанесении слоя 4 с меньшими толщинами снижается влагостойкость, а с большими толщинами - снижается коэффициент отражения.

Толщина защитного слоя 4 рассчитана 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.

Защитный слой 4 обеспечивает 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.

Оптическое зеркало изготовлено на вакуумной установке ВУ-1А.

При изготовлении высокоотражающего широкополосного оптического зеркала для оптоэлектронного прибора все слои 2, 3 и 4 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 4×10^-5 Па и температуре 120°С наносят адгезионный слой 2 из хрома толщиной 90 нм. На адгезионный слой 2 тем же методом при тех же условиях наносят отражающий слой 3 из сплава алюминия и меди толщиной 300 нм, в соотношении 90% алюминия и 10% меди. Далее тем же методом при тех же условиях наносят защитный слой 4 из оксида лютеция Ьи20з толщиной 150 нм. Толщины слоев в процессе их напыления контролировались с помощью системы кварцевого контроля.

Использование предлагаемого изобретения, благодаря наличию в оптическом зеркале отражающего слоя из сплава (Al+Cu) вместо слоя золота и защитного слоя Lu₂O₃ вместо слоя Y₂O₃ с рассчитанными и определенными экспериментально оптимальными толщинами слоев, позволяет получить значения коэффициента отражения от 98,1% до 99,3% в видимом спектральном диапазоне от 0,6 до 0,8 мкм, от 99,4% до 99,6% в среднем ИК спектральном диапазоне от 3,5 до 5,5 мкм и от 99,7% до 99,8% в дальнем ИК спектральном диапазоне от 8 до 14 мкм.

Таким образом, коэффициент отражения предложенного оптического зеркала выше на 0,1-0,4% в части видимого, в среднем и дальнем ИК спектральных диапазонах, чем у зеркала-прототипа (см. фиг. 2 и фиг. 3).

Кроме того, золото, использующееся в качестве отражающего слоя при изготовлении оптического зеркала-прототипа, является драгоценным металлом, для работы с которым необходимы разрешение и строгая отчетность. Алюминий и медь, применяемые в отражающем слое предложенного оптического зеркала, дешевле золота в десятки раз и не требуют разрешения и особой отчетности при работе с ними.

Изобретение может быть использовано в качестве отражающего оптического элемента лазерной техники, работающей на длине волны 10,6 мкм, различных оптоэлектронных приборов для получения высокого коэффициента отражения в широкой области спектра. Заявленное оптическое зеркало содержит подложку, адгезионный слой, выполненный из хрома, отражающий слой и защитный слой. Толщина адгезионного слоя из хрома составляет 50…100 нм, отражающий слой выполнен из тонкой пленки сплава алюминия и меди толщиной 200…400 нм при следующем соотношении компонентов, мас. %: алюминий 85-98, медь 2-15, при этом защитный слой выполнен из оксида лютеция толщиной 100…250 нм. Технический результат - разработка конструкции оптического зеркала, позволяющей добиться повышения коэффициента отражения во всех рабочих спектральных диапазонах. Использование изобретения позволяет получить значения коэффициента отражения от 98,1% до 99,3% в видимом спектральном диапазоне от 0,6 до 0,8 мкм, от 99,4% до 99,6% в среднем инфракрасном спектральном диапазоне от 3,5 до 5,5 мкм и от 99,7% до 99,8% в дальнем инфракрасном спектральном диапазоне от 8 до 14 мкм. 4 ил.

Оптическое зеркало, содержащее подложку, адгезионный слой, выполненный из хрома, отражающий слой и защитный слой, отличающееся тем, что толщина адгезионного слоя из хрома составляет 50…100 нм, отражающий слой выполнен из тонкой пленки сплава алюминия и меди толщиной 200…400 нм при следующем соотношении компонентов, мас. %: алюминий 85-98, медь 2-15, при этом защитный слой выполнен из оксида лютеция толщиной 100…250 нм.