Диссертация (1149530), страница 17

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 17)

рис. 4.4.14) видно, что ошибкиразного знака могут давать существенные различия в некоторых слоях.Для 1-го и 3-го слоев ∆Fk симметрична относительно знака ошибки.Для 5-го и 7-го слоев она ассиметрична. Другими словами, изменение знакаошибки должно привести к существенному изменению критерия устойчивости.В отличие от первого примера (полосовой интерференционный фильтр),коррекция спектров с помощью одной из последующих пленок невозможна. Длянее необходимо использовать не менее двух последующих слоев.Рис.4.4.10. ЗависимостьРис. 4.4.11.

Зависимостьустойчивости для 1-го слояустойчивости для 3-го слояРис. 4.4.12. ЗависимостьРис. 4.4.13. Зависимостьустойчивости для 5-го слояустойчивости для 7-го слоя117(б)(а)(в)Рис. 4.4.14. Гистограммы устойчивости по слоям.(а) – ошибка в толщине 0.01λ0 мкм;(б) – ошибка в толщине 0.075λ0 мкм;(в) – ошибка в толщине -0.075λ0 мкмСравнительный анализ позволяет сделать вывод, что введенный намикритерий дает наилучшее согласие с изменением спектров при введении ошибок втолщинахслоев.Всеостальныекритериипринципиальное разногласие со спектрами.внекоторыхслучаяхдают118ГЛАВА 5. АХРОМАТИЧЕСКИЕ ПРОСВЕТЛЯЮЩИЕПОКРЫТИЯ ДЛЯ СРЕДНЕЙ ИК ОБЛАСТИ СПЕКТРАПросветляющие покрытия являются важными составляющими оптическихсистем, состоящих из большого количества линз или других оптическихкомпонентов. Основная задача ПП – уменьшение остаточного отражения отповерхности подложки, на которую нанесено ПП.

Просветляющие покрытияявляются самыми распространенными покрытиями оптических систем, и интереск изучению этих покрытий постоянно растет.ОсобенностьюпроектированияППявляетсяиспользованиевнихматериалов с минимальным показателем преломления и поглощения.

Широкоеприменениево всех диапазонах спектра находят пленки фторидов, которыепрозрачны до 12-15 мкм [126-131].Однако, в некоторых случаях, при использовании оптических приборов вполевых условиях фториды не могут применяться в качестве пленки граничащейс воздухом, так как они недостаточно тверды и гигроскопичны. Поэтому намибыл проведен синтез покрытий на германиевой подложке в окнах прозрачностиатмосферы 3-5 мкм и 8-12 мкм с использованием твердых и негигроскопичныхматериалов, таких как оксид кремния (SiO) и германия (Ge).В настоящей главе рассмотрена методика синтеза ПП, базирующаяся наэквивалентныхструктурах(см.п.3.2).Еереализацияобеспечиваетсяразработанным программным обеспечением Film Manager, которая позволяетвыбирать из базы данных требуемые пленкообразующие материалы и ихтолщины для получения эквивалентной структуры.Поэтапный процесс синтеза ПП, включает: выбор начального приближенияв видеравнотолщинных пленок, оптимизацию по показателям преломленияслоев, замену слоев эквивалентными комбинациями и оптимизацию ПП потолщинам слоев, расчет функции качества и функции устойчивости [128].119Некоторые из синтезированных просветляющих покрытий реализованы напрактике на предприятиях НИИ «Гириконд» и ООО «Тидекс».Привыбореначальногоприближенияиспользованырезультаты,основанные на нахождении непрерывного распределения показателя преломленияслоев с помощью преобразований Фурье, которые обеспечивают получениезаданной спектральной характеристики [2, 71, 83-85].

Недостаток этого классаметодов заключается в сложности практической реализации рассчитанныхпокрытий, а также в их неприменимости для неупрощенного критерия качества.Поэтому в качестве начального приближения использовались равнотолщинныеслоипокрытияуменьшающимисясоступенчатымотподложкираспределениемпоказателямиспоследовательнопреломления[22].Рольобрамляющей среды играл воздух с показателем преломления n0=1.Нами проведен синтез ахроматических просветляющих покрытий сиспользованием новых и известных пленкообразующих материалов.

Ниже будутрассмотрены просветляющие покрытия на подложках из Ge, ZnSe и Si в среднейИК области спектра.5.1. Методика синтеза просветляющих покрытийВ данной работе синтез просветляющих покрытий (ПП) проводится внесколько этапов. На первом этапе задается начальное приближение. Дляподложек с высоким показателем преломления в его основе лежит структура изслоевспоследовательноуменьшающимисяотподложкипоказателемпреломления.

Число слоев и их толщины задаются требуемым спектральнымдиапазоном просветления λmax - λminи средним значением коэффициентаотражения в указанной области спектра.В работе [132] предложено использовать для получения ПП следующиеэмпирическиеопределить как:выражения. Число слоев Nв первом приближении можно120Nmax  minmin(5.1.1)В зависимости от требований к остаточному коэффициенту отражениячисло слоев N может быть увеличено (на 1-3 слоя). С увеличением числа слоевсреднее отражение уменьшается, так же уменьшается отражение в пиках.Средняя толщина этих слоев dср в первом приближении определяется изуравнения: 111 2d ср max min(5.1.2)Наконец, показатель преломления ni слоя i (нумерация от подложки) можнозадать как: n  nmin ni  n s  i  sNУравнения(5.1.3)(5.1.1-5.1.3) позволяют задатьначальное приближение присинтезе просветляющего покрытия на подложке с высоким показателемпреломления.Начальная структура оптимизируется по показателям преломления итолщинам с помощью модернизированной программы Film Manager.

Приоптимизации используется минимизация функция качества с помощью двухалгоритмов: случайного перебора с переменным шагом поиска и квадратичнойаппроксимации Пауэлла. Использование двух алгоритмов позволяет снизитьвероятность попадания в локальный экстремум. В итоге находится структурапленок в первом приближении с произвольными значениями показателейпреломления и толщинами.Вариации параметров из уравнений(числа слоев N,показателейпреломления) в начальном приближении приводят к нахождению ряда решенийс различными значениями функции качества.121На следующем этапе для выбранного решения проводится замена слоев спроизвольнымизначениямипоказателейпреломлениянаэквивалентныетрехслойные структуры из реально существующих материалов.

Этот процесс былвведен в разработанную программу Film Manager.Для получения наилучшего соответствия необходимо в трехслойнойэквивалентной структуре использовать показатели преломления реальныхпленкообразующих материалов мало отличающихся от заданных в ней. Есличасть слоев в исходной структуре имеет показатели преломления близкие кимеющимся в базе данных, то они просто могут быть заменены ими. В качествеслоя с минимальным коэффициентом отражения используем перспективныепленкообразующие материалы (98%BaF2+2%MgF2 или 67%YF3+33%BaF2) [126 131].Полученные решения также оптимизируются по толщинам пленок путемминимизации функции качества с помощью программы Film Manager.Соответствие синтезированного покрытия к требуемым спектральнымхарактеристикам, не означает, что структура будет устойчива к вариациямтолщин слоев.

Поэтому после оптимизации проводился анализ устойчивостинайденныхрешений по методике, описанной в [118-126]. После анализаустойчивости определяется окончательная структура.5.2. Просветляющие покрытия на кремнииВ настоящей работе синтезированы и реализованы просветляющиепокрытия (ПП) на кремнии в диапазоне от 2 до 12 мкм по методике описаннойразделе 5.1.Как уже упоминалось выше, для того, чтобы не попасть в локальныйэкстремум, осуществляя оптимизацию оптического покрытия, необходимо припоиске минимума функции качества использовать два алгоритма: случайныйперебор с переменным шагом поиска и квадратичную аппроксимацию Пауэлла.122В качестве подложки мы использовали кремний марки КЭФ-4.5.

Далеесинтезировали равнотолщинные покрытия. Пленкообразующими материаламислужили германий, селенид цинка или сульфид цинка и BaF0.98Mg0.02F2. Рольобрамляющей среды играл воздух с n0 =1. Отсчет слоев покрытия везде ведется отподложки.На первом этапе находим начальное приближение по формулам (5.1.15.1.3). Оптические толщины слоев покрытий равны λ0/4. Для получениякачественного ПП требуется рассмотреть в качестве последнего слоя пленку сминимальным коэффициентом отражения, в нашем случае использовалсяпленкообразующий материал BaF0.98Mg0.02F2.

В соответствии с этим в качественачального приближения берем структуры, представленные в таблице 5.2.1. Далеепроводится оптимизация с помощью программы Film Managerоптимизированныеначальныеприближения.Этаи находятсяпоследовательностьпроделывалась для двух структур: 6-ти и 7-ми слойных просветляющихпокрытий. Толщины указаны в долях λ0/4, где λ0=3.0 мкм для 6-ти слойнойструктуры и λ0=1.0 мкм для 7-ми слойной структуры.

(λ0 - опорная длина волныпри расчете на нашей программе).Задача синтеза неоднозначна, поэтому можно получить ряд покрытий для6-ти и 7-ми слойных покрытий, которые нуждаются в проверке на устойчивость.Для получения численного значения критерияустойчивости использоваласьметодика, описанная авторами в [118-122]. Также с помощью программы FilmManager была рассчитана функция качества для исследуемых структур.

В таблице5.2.1 приведены структуры ПП на подложках из кремния на ранних этапахконструирования,атакжерассчитаныфункциикачестваикритерийустойчивости для 6-ти и 7-ми слойных покрытий.После того, как мы оптимизировали базовые структуры по функциикачества и анализу устойчивости, приступаем к замене слоев базовой структурына эквивалентные слои.123Эквивалентные слои применяются тогда, когда используемый в базовойструктуре показатель преломления не существует в природе. Но его можносоздать искусственным путем, заменяя слой с несуществующим показателемпреломления на структуру LHL (низкий-высокий-низкий) или HLH (высокийнизкий-высокий). Замена на эквивалентные слои, проводилась с помощьюпрограммы Film Manager.№слоя12Начальноеприближениеnd, λ/43413.213.2460.35622.812.9090.39432.412.4480.46542.011.9750.57251.611.5760.67561.3511.3500.94813.213.5560.87623.013.4010.32732.813.0350.37242.412.5330.44752.012.0190.56061.611.5920.67471.3511.3500.9457-ми слойная структураКол-вослоев6-ти слойная структураТаблица 5.2.1.

Характеристики

Список файлов диссертации