CC BY
41
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК НА ИХ ОПТИЧЕСКИЕ
ПОСТОЯННЫЕ А.В. Ярмолович, Л.А. Губанова
Многослойные оптические покрытия широко используются при изготовлении оптических элементов прецизионных приборов, область применения их постоянно расширяется, требуя создания систем со все более разнообразными оптическими характеристиками. Одной из проблем, направленных на решение задач, связанных с упрощением конструкции приборов, является синтез широкополосных покрытий, т.е. интерференционных систем, работающих в широком спектральном диапазоне.
При использовании широкополосных систем требуемое количество слоев может оказаться столь большим, что механическая прочность покрытия окажется очень низкой. Одним из возможных решений этой проблемы является использование поглощающих материалов (металлы, металлодиэлектрические смеси). В тех случаях, когда спектральные характеристики покрытия должны иметь широкую область отражения, использование таких материалов позволяет значительно, часто во много раз, уменьшить число слоев в синтезируемых системах по сравнению с чисто диэлектрическими покрытиями.
Использование слоев из металлов становится необходимым, если к спектральной характеристике оптической детали предъявляются требования по поглощению, пропусканию и отражению одновременно.
Особенности и сложность синтеза металлодиэлектрических систем связаны с необходимостью учитывать поглощение и дисперсионные свойства материалов. При этом рассматривается комплексный показатель преломления материала ~ = п + 1% (мнимая часть показателя преломления % - коэффициент экстинции - характеризует поглощение пленкообразующего материала).
Многочисленные эксперименты, посвященные исследованию свойств металлических пленок, полученных методом испарения веществ в вакууме, показывают, что их оптические характеристики зависят от условий изготовления, т.е. от скорости осаждения материала, величины остаточного давления и состава атмосферы в вакуумной камере, температуры подложки и ряда других факторов.
Одной из особенностей металлических пленок является то, что их оптические параметры зависят от толщины пленки.
Так как оптические постоянные п их полупрозрачных металлических пленок зависят не только от толщины, но и от таких факторов, как размер зерна и плотность упаковки материала, то наиболее правильным будет использование для расчета конструкций покрытий эффективные значения п и %, получаемые при аттестации пленок, сформированных в тех же условиях, в которых будет изготавливаться покрытие.
Чаще всего при создании металлических и металлодиэлектрических систем используются слои серебра, меди, алюминия, титана, никеля и хрома. Из перечисленных металлов наименее исследованным является никель.
Для исследования тонких слоев никеля в процессе работы слои формировались способом термического испарения (электронно-лучевым и резистивным) при постоянном начальном давлении 6х 10-4 Па и комнатной температуре (температура подложки составляла 20°С). Пленки формировались на подложках, изготовленных из стекла марки К-8. В качестве пленкообразующего материала был использован порошковый никель фирмы "Вакеге", содержащий 99,8 % никеля. Испарение осуществлялось из графитового тигля методом электронно-лучевого испарения. После
завершения формирования пленки оказалось, что никель вступил в реакцию с графитом, что сказалось на оптических параметрах пленки. Скорость формирования слоя составляла 0,47 А / сек. Во втором случае тот же порошок для исключения спекания с графитом испарялся из медного тигля, для стабилизации процесса испарения порошок предварительно был спечен. Скорость формирования слоя составляла 0,58 А / сек. В третьем случае испарение осуществлялось резистивным методом, использованный материал имел форму проволоки диаметром 0,6 мм. Скорость формирования слоя составляла 1,3 А / сек.
Для определения показателя преломления и коэффициента отражения полученных пленок были измерены их толщина с1 на приборе МИИ-9, пропускание Т на приборе СФ-46, прямое Я и обратное отражение Я' образцов на рефлексометре.
длина волны, нм
Рис. 1. Спектральное распределение показателя преломления тонких пленок
никеля
Рис. 2 Спектральное распределение коэффициента поглощения тонких пленок
никеля
По полученным результатам, воспользовавшись нижеприведенными выражениями, были определены оптические параметры пленок никеля.
т = 4 х по х п*
,2
2
( X mn + ns X m22 )2 + (0 Х ns Х т12 + m2l)'
^ = (П0 Х т11 - ns Х m22 )+ (П0 Х ns Х mi2 - mi2 ) (п0 Х mn + ns Х m22 )2 + (по Х ns Х m i2 + m2l) = ( Х mi1 - п0 Х m22 )+ (п0 Х ns Х mi2 - mi2 ) ( Х mii + П0 Х m22)2 + (п0 Х ns Х m i2 + m2i)2
i х sin ф ~
mii= m22 = cosф, mi2 = —~—-, m2i= i х n х sin ф,
n
2 хпх ~ х J ~
ф=-, n = n + i XX ,
X
где n и x - показатель преломления и коэффициент поглощения пленки, соответственно.
На приведенных графиках представлены значения показателей преломления и коэффициентов поглощения полученных пленок.
Как легко заметить из представленных результатов, при увеличении скорости формирования слоя происходит уменьшение показателя преломления и увеличение коэффициента поглощения покрытия.
Нами также было исследовано влияние угла падения потока пленкообразующего материала на подложку на оптические параметры слоя. Установлено, что при увеличении этого угла происходит уменьшение показателя преломления и увеличение главного показателя поглощения.
Работа выполнена в рамках проекта "Исследование методов изготовления покрытий, создающих волновой фронт излучения для формирования лазерных пучков с предельной пространственной локализацией".
i60
