Многослойные оптические покрытия

Лекция 6
Многослойные оптические покрытия
Области применения многослойных оптических покрытий (интерференционных фильтров):
1) В лазерной технике: в качестве глухих и полупрозрачных зеркал резонаторов.
2) В оптической технике: в качестве делителей пучка, интерференционных поляризаторов.
3) В лидарной технике: в качестве узкополосных пропускающих фильтров для подавления оптического фона и улучшения соотношения сигнал/шум.
4) В измерительной технике: для контроля угловых и линейных перемещений механизмов.
Рис.3. Классификация интерференционных фильтров по виду спектральной характеристики: а) просветляющие, б) пропускающие, в) полосовые, г) блокирующие коротковолновые, д) блокирующие длинноволновые
а)
б)
в)
г)
д)

Лекция 6
Многослойные оптические покрытия
Матричный метод расчета многослойного тонкопленочного покрытия:
- фазовая толщина 1-го слоя,
- фазовая толщина 2-го слоя ,
- матрица преобразования 1-го слоя,
- матрица преобразования 2-го слоя,
- матрица преобразования покрытия,
- амплитудный коэффициент отражения,
- амплитудный коэффициент пропускания,
- спектральное отражение покрытия по интенсивности.

Лекция 6
Многослойные оптические покрытия
Моделирование спектра отражения широкополосного отражающего МТП, состоящего из чередующихся четвертьволновых слоев SiO2 / TiO2 с толщинами h1=λmax/(4n1) и h2=λmax/(4n2):
Рис.5. Расчет спектрального отражения R(λ) для 16 слоев SiO2 / TiO2 с показателями преломления n0=1, n1=1.45, n2=2.40, nm=1.45
Выводы:
1) Максимальный коэффициент отражения наблюдается на длине волны λmax=h1/(4n1)=h2/(4n2).
2) Увеличение количества слоев приводит к повышению коэффициента отражения в максимуме и уменьшению спектральной ширины характеристики Δλ0,5 (FWHM).
3) Рассмотренная математическая модель не учитывает наклонного падения излучения, диаграмму направленности источника излучения, поляризации падающего излучения.
Рис.4. Расчет спектрального отражения R(λ) для 10 слоев SiO2 / TiO2 с показателями преломления n0=1, n1=1.45, n2=2.40, nm=1.45

Лекция 6
Многослойные оптические покрытия
Моделирование спектра пропускания широкополосного пропускающего / блокирующего МТП, состоящего из чередующихся слоев SiO2 / TiO2 с толщинами h1=λmax/(4n1) и h2=λmax/(2n2):
Рис.7. Расчет спектрального пропускания T(λ) для 16 слоев SiO2 / TiO2 с показателями преломления n0=1, n1=1.45, n2=2.40, nm=1.45
Выводы:
1) Максимальный коэффициент пропускания наблюдается на нескольких длинах волн.
2) Увеличение количества слоев с каждой стороны центрального полуволнового слоя повышает коэффициент отражения в максимуме и уменьшает спектральную ширину характеристики Δλ0,5 (FWHM)..
3) Покрытие можно классифицировать как отрезающее или просветляющее на нескольких длинах волн.
4) Покрытие является широкополосным просветляющим при условии T(λ)>Tнач в рабочем диапазоне.
Рис.6. Расчет спектрального пропускания T(λ) для 10 слоев SiO2 / TiO2 с показателями преломления n0=1, n1=1.45, n2=2.40, nm=1.45

Лекция 6
Многослойные оптические покрытия
Моделирование спектра пропускания узкополосного пропускающего МТП, состоящего из чередующихся слоев SiO2 / TiO2 с толщинами h1=λmax/(4n1) и h2=λmax/(4n2) и центрального слоя SiO2 толщиной h2=λmax/(2n1) :
Выводы:
1) Максимальный коэффициент пропускания наблюдается на длине волны λmax=h3/(2n3).
2) Увеличение количества слоев приводит к увеличению наклона характеристики, %/нм, на ее краях.
3) Рассмотренная математическая модель не учитывает наклонного падения излучения, диаграмму направленности источника излучения, поляризации падающего излучения.
Рис.8. Расчет спектрального пропускания T(λ) для 4 слоев SiO2 / TiO2 с каждой стороны от полуволнового центрального слоя SiO2
Рис.9. Расчет спектрального пропускания T(λ) для 8 слоев SiO2 / TiO2 с каждой стороны от полуволнового центрального слоя SiO2

Лекция 6
Многослойные оптические покрытия
Моделирование спектра пропускания узкополосного пропускающего МТП, состоящего из чередующихся слоев SiO2 / TiO2 с толщинами h1=λmax/(4n1) и h2=λmax/(4n2) и центрального слоя SiO2 толщиной h3=λmax/(2n1) :
Выводы:
1) Погрешность изготовления толщин всех слоев покрытия приводит к смещению резонансной длины волны, имеющему тот же знак, что и погрешность.
2) Спектр пропускания покрытия зависит от распределения погрешностей изготовления четвертьволновых и полуволнового слоев и может быть частично скомпенсирован в процессе изготовления.
Рис.10. Спектр пропускания T(λ) покрытия вида НВНВНВНВ-2Н-ВНВНВНВН при номинальной толщине слоев (красный) и погрешности Δh1=Δh2=Δh3=+1% (синий)
Рис.11. Спектр пропускания T(λ) покрытия вида НВНВНВНВ-2Н-ВНВНВНВН при номинальной толщине слоев (красный) и погрешности Δh3=+1% (синий)

Лекция 6
Многослойные оптические покрытия
Матричный метод расчета многослойного тонкопленочного покрытия, учитывающий поляризацию и угол падения оптического излучения (на примере покрытия НВ..НВ-2Н-ВН..ВН):
- углы преломления в слое Н и В,
- показатели преломления для s-поляризации,
- показатели преломления для p-поляризации,
- фазовые толщины слоев Н, В, 2Н,
- матрица преобразования слоя Н (λ/4, SiO2),
- матрица преобразования слоя В (λ/4, TiO2),
- матрица преобразования слоя 2Н (λ/2, SiO2),

Лекция 6
Многослойные оптические покрытия
Матричный метод расчета многослойного тонкопленочного покрытия, учитывающий поляризацию и угол падения оптического излучения (на примере покрытия НВ..НВ-2Н-ВН..ВН):
- матрица преобразования покрытия для p-поляризации,
- матрица преобразования покрытия для s-поляризации,
- амплитудный коэффициент отражения s-поляризации,
- амплитудный коэффициент пропускания s-поляризации,
- спектральное пропускание покрытия для s-поляризации по интенсивности,
- амплитудный коэффициент отражения p-поляризации,
- амплитудный коэффициент пропускания p-поляризации,
- спектральное пропускание покрытия для p-поляризации по интенсивности.

Лекция 6
Многослойные оптические покрытия
Моделирование спектра пропускания узкополосного пропускающего МТП, состоящего из чередующихся слоев SiO2 / TiO2 с толщинами h1=λmax/(4n1) и h2=λmax/(4n2) и центрального слоя SiO2 толщиной h2=λmax/(2n1) :
Выводы:
1) Увеличение угла падения вызывает коротковолновое смещение центральной длины волны пропускания.
2) При наклонном падении спектры пропускания p- и s-компонент смещаются на различное расстояние, кроме того наблюдается уширение спектра пропускания p-компоненты по сравнению с s-поляризацией.
Рис.12. Спектр пропускания T(λ) при угле падения 15° для покрытия НВНВНВНВ-2Н-ВНВНВНВН: красный – s-поляризация, синий – s-поляризация
Рис.13. Спектр пропускания T(λ) при угле падения 30° для покрытия НВНВНВНВ-2Н-ВНВНВНВН: красный – s-поляризация, синий – p-поляризация

Лекция 6
Многослойные оптические покрытия
Рис.14. Автоматизированный спектрометр-монохроматор S41
ЗАО «Солар-ЛС» (Беларусь)
Рис.16.Стойка ОЕМ спектрометров S202
ЗАО «Солар-ЛС» (Беларусь)
Рис.15. Оптическая схема спектрометра S41
Достоинства моделей S41, S202:
1) Малые масса и габариты.
2) Малое энергопотребление (питание по USB).
3) Отсутствие подвижных частей.
4) Возможность использования в переносных и мобильных устройствах и комплексах.
5) Возможность получения высокого разрешения при ограничении спектрального диапазона и использовании решеток высоких порядков.
6) Возможность работы в широком спектральном диапазоне за счет снижения разрешения и использования решеток низких порядков.

Лекция 7
Многослойные оптические покрытия
Рис.17. Автоматизированный спектрометр-монохроматор М266
ЗАО «Солар-ЛС» (Беларусь)
Рис.18. Оптическая схема
Черни-Тернера
Рис.19. Двойной спектрометр-монохроматор MSA130
ЗАО «Солар-ЛС» (Беларусь)
Рис.20. Оптическая схема монохроматора MSA-130

Лекция 6
Многослойные оптические покрытия
Достоинства моделей M266, MSA130:
1) Улучшенное спектральное разрешение - за счет увеличения фокусного расстояния объектива по сравнению с компактными спектрометрами, использования нескольких дифракционных решеток.
2) Удобство работы - за счет автоматической установки предварительных фильтров, дифракционных решеток, ширины входной щели.
3) Универсальность прибора - за счет возможности изменения режима сложения / вычитания дисперсии (в монохроматоре MSA130).
4) Универсальность прибора – за счет наличия двух выходных щелей, каждая из которых может комплектоваться своей матрицей или соединять приборы последовательно (в спектрометре M266).
5) Модульность – за счет возможности подключения внешней оптической схемы, учитывающей особенности исследуемых материалов / оптических элементов.
6) Наличие imaging версии приборов – возможность получения многоканальных спектров при использовании двумерной ПЗС-матрицы с компенсатором астигматизма.

Лекция 6
Многослойные оптические покрытия
Рис.21. Спектрометр ANDOR Shamrock 750
Рис.23. ПЗС-линейка с вакуумированием и глубоким охлаждением до -100 °С
Рис.22. Оптическая схема ANDOR Shamrock 750
Рис.24. Двумерная ПЗС-матрица с охлаждением до -55 °С

Лекция 6
Многослойные оптические покрытия
Рис.25. Лабораторный спектрофотометр Shimadzu UV2450
Рис.26. Дифракционная решетка с участками различного периода

Лекция 6
Многослойные оптические покрытия
Рис.27. Держатель кювет для спектрофотометра
Рис.30. Приставка измерения отражения для спектрофотометра
Рис.28. Устройство задания температуры кювет
Рис.31. Устройство автоматической установки кювет
Рис.29. Устройство перемещения и задания температуры кювет
Рис.32. Приставка измерения отражения рассеивающих образцов

Лекция 6
Многослойные оптические покрытия
Рис.33. Лабораторный спектрофотометр Shimadzu IRPrestige-21
Рис.34. Оптическая схема Shimadzu IRPrestige-21
Рис.35. Смена фотоприемников Shimadzu IRPrestige-21
Рис.36. Смена источников излучения Shimadzu IRPrestige-21

Лекция 6
Многослойные оптические покрытия
Рис.37. Технические характеристики Shimadzu IRPrestige-21

Лекция 6
Многослойные оптические покрытия
Рис.38. Приставка измерения спектров отражения и пропускания рассеивающих образцов
Рис.39. Приставка измерения спектров отражения плоских зеркальных образцов
Рис.40. Приставка измерения спектров поглощения отражения плоских зеркальных образцов
Рис.41. Автоматизированная приставка измерения спектров отражения и пропускания рассеивающих образцов
Рис.42. Автоматизированная приставка для измерения спектров пропускания вар1
Рис.43. Автоматизированная приставка для измерения спектров пропускания вар2

Лекция 6
Многослойные оптические покрытия
Критерии выбора спектрометра / спектрофотометра:
1) Функциональность (измерение пропускания, отражения, поглощения, рассеяния, работа с твердыми,
жидкими, газообразными образцами и др.)
2) Регистрируемы спектральный диапазон и спектральное разрешение.
3) Особенности оптической схемы прибора:
- углы падения луча,
- поляризация излучения,
- наличие одного или двух лучей.
4) Особенности системы управления:
- средства автоматизации измерений,
- встроенная калибровка и настройка,
- встроенная система диагностики.
5) Особенности фотоприемной части:
- вид фотоприемника (фотодиод, ПЗС-матрица, ФЭУ и др.),
- наличие нескольких фотоприемников,
- автоматическая смена фотоприемников,
- наличие нескольких оптических выходов прибора,
- совмещение с оптическим микроскопом.
6) Особенности излучающей части:
- вид излучателя (лампа накаливания, керма. штифт и др.),
- наличие юстирующего луча,
- наличие сменной оптики для работы в поддиапазонах.

Лекция 6
Многослойные оптические покрытия
Список использованных источников:
1) Путилин, Э.С. Оптические покрытия: учебное пособие [Текст] / Э.С.Путилин. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. – 197 с.
3) Мешков, Б.Б. Проектирование интерференционных покрытий [Текст] / П.П.Яковлев, Б.Б.Мешков. - М.: Машиностроение, 1987. – 185 с.
2) Фурман, Ш.А. Тонкослойные оптические покрытия [Текст] / Ш.А.Фурман. – Л.: Машиностроение, 1977. – 264 с.
4) Котликов, Е.Н. Проектирование, изготовление и исследование интерференционных покрытий: учебное пособие [Текст] / Е.Н.Котликов, Г.А.Варфоломеев, Н.П.Лавровская и др. - СПб: ГУАП, 2010. – 188 с.
5) Крылова, Т.Н. Интерференционные покрытия [Текст] / Т.Н.Крылова. – Л.: Машиностроение, 1973. – 224 с.
6) Тарасов, К.И. Спектральные приборы [Текст] / К.И.Тарасов. - Л.: Машиностроение, 1977. - 368 с.
7) Интернет-сайты производителей спектральной аппаратуры:
ЗАО «Солар-ЛС», «Авеста-Проект», ОКБ «Спектр», Shimadzu, Andor, Bruker.