Диссертация (1149530), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Однако пленки фторида кальция обладаютпреимуществом, таким как негигроскопичность и высокая механическаяпрочность, поэтому их следует использовать в качестве пленкообразующихматериалов.Оригинальная методика коррекции спектров позволила впервые наблюдатьналичие дополнительной дисперсии пленок в областях поглощения (3 мкм и 6мкм), отсутствующих в монокристаллах.В работе проведен сравнительный анализ, как известных фторидов, так иперспективных материалов бифторидов в средней ИК области спектра ивыявленынаиболееперспективныепленкообразующиематериалы(98%BaF2+2%MgF2 и 67%YF3+33%BaF2).Эти материалы в отличии от известныхфторидов не имеют сильных полос поглощения, негигроскопичны, обладаютхорошими механическими свойствами и могут быть использованы в составесложного покрытия в средней ИК области спектра, например, при синтезеахроматических просветляющих покрытий, которым требуются прозрачныеоптические пленкис различнымипоказателямипоглощением в указанной области спектра.преломленияималым70ЧАСТЬ 2.
СИНТЕЗ АХРОМАТИЧЕСКИХ ПРОСВЕТЛЯЮЩИХПОКРЫТИЙВведениеНаучно-техническийпрогрессактивизировалдальнейшееразвитиефизической оптики, и в частности, совершенствование оптоэлектроники иквантовойэлектроники,оптическогоприборостроения,спектроскопиииголографии. Развитие оптического приборостроения невозможно без новейшихинтерференционных покрытий. Поэтому перед современной физической оптикойстоит ряд проблем, которые необходимо учитывать при выборе направленийдальнейшего развития теории синтеза, которая включает особенности теорииинтерференционных покрытий и требования к их практической реализации.Главная задача синтеза состоит в создании конструкционных покрытий стребуемымиоптическихоптическимипараметраххарактеристикамислоев,кустойчивымисожалению,кнеизбежнымиошибкамввпроцессепроизводства.Разработку интерференционных покрытий (ИП) можно условно разделитьна два этапа: конструирование и практическую реализацию.
На первом этапе конструированиярешаетсязадачасинтезаИП,котораязаключаетсявопределении конструкции покрытия, обеспечивающей получение требуемыхспектральных характеристик. Под конструкцией ИП подразумевается число слоевпокрытия, толщины этих слоев и их показатели преломления. На втором этаперешается задача практической реализации синтезированных покрытий. Приизготовлении и проектировании ИП, с одной стороны, необходимо учитыватьналичиепленкообразующихматериаловснужнымиоптическимииэксплуатационными свойствами, а с другой - особенности оборудования иконтрольно-измерительных приборов, используемых в процессе производства.После получения реализуемой на практике структуры покрытия необходима71определеннаятехнологическаяпроработкаеѐ,атакже,проведениедополнительных расчетов, т.е.
анализ устойчивости, с целью корректировкипервоначальной структуры. Итак, в ходе решения задачи синтеза ИП используетсятакже анализИП, который заключается в расчете оптических характеристикпокрытий с известной конструкцией. Синтез и анализ являются частями однойобщей задачи – проектирования покрытий.В процессе разработки интерференционных покрытий решаются три задачи:синтеза [1-5], анализа устойчивости системы к ошибкам в толщинах слоев [6-11] ивыбор технологических аспектов изготовления интерференционных покрытий[11-12].
Задача синтеза состоит из определения конструкции покрытия с заданнойточностью, обеспечивающей получение требуемых спектральных характеристик.В общем случае, задача синтеза покрытий принадлежит к классу некорректнопоставленных [1-5]. Поэтому, как правило, решению подобного рода задачудовлетворяют несколько комбинаций. Отсюда и вытекает задача анализанайденных решений с точки зрения их устойчивости по отношению к различнымошибкам, неизбежным в процессе реализации.Вработепроведенсравнительныйанализметодикопределенияустойчивости спектральных характеристик многослойных диэлектрическихсистем к возможным изменениям оптической толщины отдельных слоев.Предложена методика, в основе которой лежит введенный критерий устойчивостисинтезированных интерференционных покрытий, позволяющий исследоватьтрансформацию спектров при реальных ошибках в толщинах пленок.
Разработанопрограммноеобеспечениедляанализаустойчивостиинтерференционныхпокрытий. На примерах некоторых типов интерференционных покрытийпроиллюстрирован сравнительный анализ известных и предложенной методики.72ГЛАВА 3. МЕТОДЫ СИНТЕЗА ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ3.1. Обзор методов синтеза интерференционных покрытийВ данной работе разрабатываются методики решения задачи синтезаахроматических просветляющих покрытий (ПП) для инфракрасного диапазонаспектра. Задача этой работы, несмотря на обширность класса ПП, являетсячастной, но решаем еѐ исходя из общих позиций. Этот подход позволяетсформировать универсальные и эффективные методы синтеза ПП, которые вдальнейшем можно применить и к другим классам интерференционных покрытий(ИП).Решение задачи синтеза ИП в общем виде сопряжено со значительнымитрудностями, поэтому имеется большое количество различных методов синтеза,ориентированных на решение частных задач.
Универсального метода синтезапокрытий не существует.С точки зрения используемых математических методов, методы синтеза ИПможно разделить на две группы:- аналитические методы синтеза ИП [2, 44, 67-71] представляют собойпоследовательность вычислительных операций, аналогичныханализу ИП,выполнение которых позволяет либо найти решение, либо убедиться в егоотсутствии для рассматриваемого типа покрытий;- численные методы [72-83] оптимизации характеристик покрытия – этометоды, позволяющие минимизировать функцию качества.Рассмотрим подробнее каждую из перечисленных групп методов.3.1.1.
Аналитические методы синтезаК аналитическим методам синтеза относятся методы, при которых выбор спомощью аналитических выражений показателей преломления многослойной73системы позволяет приблизиться к заданной спектральной характеристикепокрытия. Для упрощения задачи обычно полагают, что покрытие состоит изнепоглощающих слоев равной оптической толщины. Задача синтеза в этом случаезаключается в определении показателей преломления слоев.Один из возможных подходов к проблеме синтеза – синтез путем анализа спомощью матричного и адмиттансного методов, базирующихся на описаниисвойств пленочной системы, которые описаны в работах [2, 39, 43, 45],рассмотренных в 1 главе (раздел 1.2.3 и 1.2.4).Следующая группа методов основана на аппроксимации спектральнойхарактеристики покрытия различными полиномами, которые подгоняют подтребуемую характеристику [67].
При этом коэффициенты полиномов выражаютсячерез показатели преломления слоев и окружающих сред. Для реализации даннойзадачи используется покрытие, состоящие из непоглощающих слоев равнойоптической толщины. Задача синтеза в этом случае заключается в определениипоказателейпреломленияслоев, позволяющихприблизиться кзаданнойспектральной характеристике.Принцип выбора показателей преломления плѐнкообразующих материаловдлядвухслойнойпросветляющейсистемыопределяется методом диаграмм Шустера, наизчетвертьволновыхпленоккоторых отображены областивозможных пар значений показателей преломления слоев.
Этот метод получилразвитие в работе [84].К аналитическим методам синтеза покрытий относится матричный методрасчетаспектральныхприближенияхонхарактеристикпозволяетП.Г.получитьКарда[44].удобныедляПринекоторыхзадачисинтезаматематические выражения, которые используются при решении ряда задач поконструированиюширокополосныхпросветляющихисветоделительныхпокрытий с небольшим числом слоев. Свойственные методу Карда возможностилинеаризацииматематическихвыражений,определяющихзависимости74спектральныххарактеристикотконструктивныхпараметровпокрытия,используются при комбинации метода с методами линейного программирования.Ярким примером аналитических методов являются методы, основанные нанахождении непрерывного распределения показателя преломления слоев спомощью преобразований Фурье, которые обеспечивают получение заданнойспектральной характеристики [2, 71, 83-85].
Эти методы имеют свои достоинства,главное из которых – отсутствие необходимости в нулевом приближении.Недостаток этого класса методов заключается в сложности практическойреализации рассчитанных покрытий, а также в их неприменимости длянеупрощенного критерия качества.При решении задачи синтеза удобно использовать методы и приемы,направленные на упрощение математического описания многослойной пленочнойсистемы. Такими методами являются метод эффективных границ и методэквивалентных слоев.Метод эффективных границ базируется на анализе модели фильтра ФабриПеро [2, 45, 88]. Внутри многослойной системы выбираются две соседниеграницы раздела и применяется формула Фабри-Перо.
В результате получаютсяследующие соотношения:T ( ) T0 / F ( ) ,где T0 (1 R1 ( ))(1 R2 ( ))(1 R( )) 2(3.1.1), F ( ) 1 4 R q ( )(1 Rq ( ))2sin 2 (1 2 2), h0 / , Rq ( ) R1 ( ) R2 ( )T(λ) - коэффициент пропускания всей многослойной системы; R1(λ) и R2(λ) коэффициенты отражения подсистем 1 и 2 для света, падающего со стороныпрослойки между подсистемами; φ1 и φ2 - соответствующие R1(λ) и R2(λ) фазовыесдвиги при отражении; h - оптическая толщина, измеренная в λ0/4, прослойкимежду подсистемами 1 и 2; λ0 - масштабная длина волны.75Важная особенность этой формулы состоит в том, что фазовые иамплитудные соотношения можно рассматривать независимо: T0(λ) зависиттолько от коэффициентов отражения подсистем, F(λ) зависит в первую очередь отфазовых соотношений при отражении от двух подсистем и от толщины прокладкимежду ними.
Оба эти множителя никогда не превышают единицы. В случаевысокой прозрачности ( T ( ) 1) амплитуды должны быть подобраны так, чтобыT0 ( ) 1 , а фазы – так чтобы F ( ) 1 .Из формулы (3.1.1) следует, что:T0 ( ) 1 при R1 ( ) R2 ( ) иF ( ) 1 при Rq ( ) 0 или sin 21 2 2 0.Наоборот, T0(λ) = 0 выполняется тем точнее, чем больше различаются; R1(λ) иR2(λ), и F(λ)=0 выполняется тем точнее, чем больше величины R1(λ) и sin2((φ1+ φ1β)/2).Метод эффективных границ используется в процессе комбинированиянужного фильтра (просветляющего покрытия) из двух мультислоев (или двухслоистых оптических сред) с известными свойствами.
Изменения коэффициентовотражения R1(λ) и R2(λ) можно достичь как за счет варьирования показателейпреломления, так и за счет подбора толщин слоев покрытия, образующихподсистемы 1 и 2. Первоначально метод был разработан для конструированияфильтров, а затем модифицирован для расчета ахроматических просветляющихпокрытий [89].Следующим методом, используемым при решении задачи синтеза, являетсяметод эквивалентных слоев. В нашей работе он используется для синтезапросветляющих покрытий и подробно рассмотрен в разделе 3.2. Этот методоснован на введении понятия эквивалентного показателя преломления [90-93].Аналитические методыпозволяют эффективно решать только простыезадачи синтеза покрытий, так как имеют ряд допущений и в основномиспользуются на ранних этапах проектирования ИП.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
