Анализ и синтез блокирующих и узкополосных интерференционных фильтров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

НЕСМЕЛОВ

Евгений Андреевич Г ; О О Л

1 ; ! | / ■ 1 |

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ БЛОКИРУЮЩИХ И УЗКОПОЛОСНЫХ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ФИЛЬТРОВ

01.04.05.-Оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Казань - 2000 г.

Работа выполнена в Федеральном научно-производственном центре Государственный институт прикладной оптики

Официальные оппоненты: Дважды лауреат Государственной премии

доктор физию-математических наук

профессор ШТЫРКОВ Е.И.

Лауреат Государственной премии доктор физико-математических наук профессор ЗЕМСКОВ Е.М

Доктор физико-математических наук профессор ГОЛ К Н И Щ Е В-КУТУЗ О В В. Л

Ведущая организация: ВНЦ " Государственный оптический институ им. С.И. Вавилова" .

Защита, состоится "18" мая 2000 г. в_часов на заседании диссергационног

Совета Д053.29.09 при Казанском государственном университете го адресу: 420008, Казаш

Кремлевская, 18, физический фа^ьтет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственног университета.

Автореферат разослан 17 апреля 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат физико-математических наук, доцент

Сарандаев Е.В

$ ЪЧЪ, 41 03

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Оптика тонкослойных интерференционных покрытий начала интенсивно >азвиваться после второй мировой войны, когда потребовались самые тнообразные приборы наблюдения. Наиболее широкое применение получили гросветляющие покрытия на поверхностях оптических деталей. В это же время, в :вязй с задачами приборостроения, появилась необходимость в выделении участков яекгра различной ширины, несущих информацию о наблюдаемых предметах, что I определило широкое использование интерференционных фильтров. Общие принципы расчета оптических свойств многослойных интерференционных гокрытий были заложены трудами А.Г. Власова, Т.Н. Крыловой, П.Г. Карда, П.Х. »ернинга, О.С. Хсвенса и многих других. Так, А.Г. Власов сформулировал »екуррентный метод расчета, основанный на применении лучевых представлений, >азвитый затем Т.Н. Крыловой. П.Г. Кард и другие развили матричный метод, снованный на решении волнового уравнения. Однако построение общих принципов асчета оказалось недостаточным для решения конкретных задач, связанных с згоговлением оптических покрытий. Это послужила основой для постановки задачи интеза интерференционных пленок т.е. нахождение состава покрытия по заданным пекгральным характеристикам. Решение этой задачи проводилось обычным [етодом вариационной минимизации функционала, характерного для некорректных адач. Наиболее значимее результаты были получены Ш.А. Фурманом, A.B. ихонравовым, И.М. Мннковым, которые, не проводя исследований отдельных лассов интерференционных пленок, сразу перешли к решению задачи синтеза нтерферешшонных покрытий по заданным оптическим свойствам. В то же время ыяснилось, что решение задачи синтеза для многослойных интерференционных ленок не однозначно и зависит от начальных значений варьируемых параметров юказатели преломления слоев и их толщины), т.е. необходимо находить критерии

правильного выбора начального приближения. Определение подобных критериев требует проведения специального теоретического исследования для каждого класса интерференционных пленок.

Одновременно выяснилось, что физические свойства тонких пленок материалов не совпадают с таковыми для массивного образца и зависят от технологии их получения. Это потребовало расширения теоретических и экспериментальных исследований в направлении изучения оптических свойств тонкослойных интерференционных покрытий и разработке новых методов экспериментального исследования физических и технических свойств материалов в тонких пленках. Важность этих направлений для современной науки и техники трудно переоценить.

Цель работы.

Целью настоящей диссертационной работы является создание теоретической базы для разработки интерференционных фильтрующих покрытий, а также алгоритмов и методов расчёта их оптических характеристик; исследование одно- I многослойных покрытий; разработка физических основ получение интерференционных систем с заданными параметрами.

Научная новизна.

1. Развит теоретический подхбд к синтезу просветляющих интерференционны* покрытий И на его основе впервые проанализированы фильтрующие свойстве" системы оптических просветленных поверхностей.

2. Построена теория блокирующих интерференционных фильтров. Впервые показана малая чувствительность спектральных характеристик к углу паденш излучения на фильтр и поглощению в составляющих его слоях.

3. Впервые С единых позиций проанализированы оптические свойствг узкопОлосных диэлектрических и металоюдиэлекгрических фильтров; показано что эти системы отличаются существенной чувствительностью к качеств; граничных поверхностей.

к Впервые разработаны высокоэффективные методики расчета оптических

постоянных тонких интерференционных плёнок. 1. Впервые предложена и апробирована математическая .модель, которая описывает оптические свойства нарушенного слоя на Поверхности массивной подложки, возникающего за счет механических воздействий при её обработке.

Практическая ценность работы. Полученные в работе теоретические и экспериментальные результаты позволяют оздать базу для решения ряда крупных задач в области оптического риборостроения:

выделение спектральных областей в оптических приборах различного назначения;

создание новых элементов мощных лазерных систем; создание технологии изготовления интерференционных покрытий.

На защиту выносятся следующие положения. Система просветленных Оптических поверхностей обладает свойством илътрации проходящего излучения; методы расчета состава просветляющих окрьггий.

Введение огибающих спектральной прозрачности позволяет описать оптические юйства блокирующих фильтров; оптимизация прозрачности блокирующего ильтра осуществляется путем выбора параметров системы, обеспечивающих данные свойства огибающих.

Образование дублетной структуры полосы пропускания узкополосных фильтров наклонных пучках излучения обусловлено различием отражения е- и р-компонент $лучения от зеркал резонатора; устранение дублетной структуры полосы юпускания узкополосного фильтра в наклонном пучке излучения осуществляется тем специального выбора показателя преломления резонансного слоя. Обеспечить сохранение спектральных свойств узкополосных фильтров в

сходящихся пучках излучения возможно:

- специальным распределением толщины всех слоев по поверхности фильтра;

- специальным выбором показателей преломления всех слОйв фильтра.

5. Физическая модель влияния шероховатости поверхностей слоев и подложи на полуширину полосы прозрачности фильтра и его максимальное пропускание.

6. Физическая модель фильтрации излучения металлическим слоем, находящимс: в узле стоячей волны.

7. Анализ огибающих к спектральной прозрачности диэлектрической ил! полупроводниковой плёнки в сочетании с методами эллипсометрий и МНПВС позволяет повысить точность расчета оптических постоянных плёнок и измерит малое поглощение в них.

8. Механическая обработка поверхности подложки приводит к появление оптической неоднородности, средний размер которой экспоненциально уменьшаете с удалением от поверхности Вглубь материала; экспериментальные метод] определения параметров неоднородного слоя.

Внедрение.

Все результаты, полученные автором при проведении работы, внедрены производство ФНПЦ ГИПО и ряде предприятий отрасли.

Личным вклад автора. Автору принадлежат постановка задач, нахождение методов и путей их решенге развитие и обоснование экспериментальных методик; получение, интерпретация обобщение данных экспериментальных и теоретических исследований.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы легли в основу многк технологических разработок лаборатории вакуумных покрытий ФНПЦ ГИПО I созданию интерференционных покрытий для приборов, выпускавшихся в инетту и отрасли. Успешное выполнение этих работ достаточно полно характеризут

проведенные исследования.

Кроме того, основные материалы работы докладывались на: VI1 Симпозиуме по физическим свойствам и электронному строению переходных металлов и соединений (Киев, 1969г.); V Всесоюзной научно - технической конференции "Новые зазработки и исследования струйных, механических, электрофизических, ;орбционных и других типов вакуумных насосов" (Казань, 1972г.); Всесоюзной сонференции "Теория и практика алмазной абразивной обработки деталей приборов i машин" (Москва, 1973 г.); Всесоюзном семинаре "Методы синтеза и применение ,1ногослойных интерференционных систем" (Москва, 1984 г.); VII Всесоюзной сонференции по физике вакуумного ультрафиолета и его взаимодействию с ¡еществом ВУФ-86 (Эзерниеки, 1986г.); Всесоюзных конференциях "Фотометрия i ее метрологическое обеспечение" (Москва, 1986г. и 1988г.); IV Всесоюзной юнференции "Эллипсометрия - метод исследования поверхности твердых тел" Новосибирск 19891-.); VI Всесоюзном совещании "Применение ¡еталлоорганических соединений для получения неорганических покрытий и штериалов" (Нижний Новгород 1991г.); отраслевых совещаниях по новым гокрытйям и оптической технологии (Москва, 1976, 1977, 1979, 1980, 1981гг.) и 1 траслевом семинаре "'Автоматизация онтических приборов" (Ленинград 1987г.).

Публикации по работе. Список трудов автора по теме диссертации включает 81 сообщение. Из них 2 вторских свидетельства, 4 аналитических обзора, 1 отчет по гранту АНТ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка йтированной литературы, включающего 345 наименований. Работа содержит 270 границ текста, 55 рису нков и 7 таблиц.

Содержание работы. Во введении обоснована актуальность темы, цель и задачи исследований, дана

общая характеристика работы, показана научная новизна полученных результате! и сформулированы основные положения, выносимые на защту.

В первой главе рассмотрена общая задача фильтрации излучения гтрименителык к просветляющим и фильтрующим интерференционным покрытиям.

Оптические системы обычно состоят из большого числа элементов. Все оптически! материалы, используемые для изготовления оптических элементов, прозрачны I ограниченной спектральной области. За границами этих областей собственно! поглощение материалов велико, что приводит к некоторой начальной филЫрацш проходящего излучения (выделяется некоторая рабочая спектральная область) Оптический сигнал, поступающий на приемник, пропорционален произведении коэффициентов пропускания элементов системы. Если поглощение в элемента? отсутствует, то потери в пропускании через систему складываются из потерь ш отражение на каждой поверхности. Суммарные потери на отражение от все; поверхностей оказываются весьма значимыми. Особенно сильно это проявляется 1 оптических приборах, работающих в инфракрасном диапазоне спектра. В этол случае оптические элементы изготавливаются из прозрачных полупроводниковые кристаллов, имеющих большой коэффициент отражения. Снижение потер] достигается нанесением на поверхности всех элементов просветляющих покрытий

Просветляющие покрытия могут быть селективными или ахроматическими, чп определяется решаемыми задачами. В любом случае они обеспечивают некоторук фильтрацию проходящего излучения. В качестве примера, поясняющей необходимость нанесения просветляющих покрытий, рассмотрим объектив прибора работающего в области спектра 8 - 12.5мкм. Обычно для изготовления оптически: элементов для указанной области спектра используется монокристаллическш германий. Для системы из четырех линз прозрачность оказывается равной 0.028 от исходной и определяется потерями на отражение. Наличие просветляющи: покрытий позволяет поднять прозрачность системы линз практически до единицы

а рисунке 1 показана спектральная характеристика прозрачности одной росветленной поверхности из германия и спектральная характеристика, ютветствующая всему объективу, состоящему из четырех и семи линз.

—■—В —С —*—О

т-,-—,-,-,-,-,-,-,-,-г—г

4 6 8 10 12 14 16

Длина волны, мкм

ю. 1. Спектральная характеристика прозрачности после просветления В - одна »верхность германиевой пластины. С - система из четырех линз (8 поверхностей), - система из семи линз (14 поверхностей). Просветляющее покрытие во всех

учаях одно и то же: 0.17(35И)0.41(16И)1.02(35И).

1 рисунка видно, что просветляющее покрытие оказывается еще и фильтрующим, :. нанесение просветляющих покрытий позволяет, по крайней мере, частично шать задачу фильтрации и, естественно, упростить решение задачи создания

необходимого фильтра.

Основным физическим принципом, лежащим в основе просветленш поверхностей, является уравнивание амплитуд при разности фаз равной к для волн, отраженных от поверхности пленки и поверхности подложки. Ясно, что подобный эффект возможен и при сложении любого числа волн.

Максимальное просветление достигается за счет нанесения на оптическук поверхность четвертьволнового слоя с показателем преломления, равным .^п где п - показатель преломления подложки. Подобрать материал с таким показателей преломления не всегда возможно, поэтому нами решена специальная задача замень однослойного покрытия трехслойным при общей оптической толщине всегс покрытия, меньшей четверги длины волны. При этом ограничений на используемы« материалы не существует.

Мы получили соотношения, позволяющие находить толщины слое! симметричного просветляющего покрытия:

(п^ + ппоЖ-п!) :

2 (П?-П2)7пп7

Здесь - оптическая толщина ,}'-:го слоя в долях четверти длины волны, п, -показатели преломления слоев, п0 - показатель преломления исходной среды, а п -показатель преломления подложки. Так как покрытие симметрично, параметр! первого и третьего слоев совпадают. Подобные покрытия применяются в ИК-обласп спектра и позволяют улучшить эксплуатационные свойства покрытой оптическо: поверхности.

Кроме этого, в процессе работы был предложен метод нахождения показателе

[реломления для многослойного просветляющего покрытия, эффективно вбегающего в широкой области спектра, При этом следует потребовать выполнения словия заданной кривизны спектральной кривой прозрачности, т.е. использовали ё аналитические свойства. При добавлении этого условия к методу поиска состава окрытия методом наименьших квадратов получаются наилучшие результаты. Многослойные просветляющие покрытия обычно обеспечивают более широкую бласть малого отражения, чем однослойные. При этом за границами области росветления коэффициент отражения от детали с покрытием оказывается большим, ем от подложки без покрытия. Именно это обстоятельство приводит к появлению шльтрации Излучения системой просветленных поверхностей.

Кроме того, в первой главе приведено решение некоторых конкретных задач 1ильтрации излучения. В ряде случаев в оптических системах используются гражающие элементы. Энергетическая оценка таких систем выполняется также, о под пропусканием соответствующих элементов понимается их коэффициент гражения. Использование отражающих систем энергетически более выгодно тем □лее, что эти элементы могут дополнительно выполнять и фильтрующие функции. В качестве примера приведено решение задачи фильтрации с пространственным введением падающего пучка излучения по нескольким различным спектральным шалам. Это является нетривиальным решением общей задачи фильтрации злучения, нашедшим применение в оптическом приборостроении. Выделение эебуемых спектральных полос в этом случае осуществляется блокирующими ктерференционными фильтрами с использованием их свойства отражать тонируемую часть спектра.

В качестве второго примера приведено решение задачи выделения заданной Злосы спектра при условии полного гашения (до уровня 10"'°) фонового ^опускания в нерабочей части спектра. Задачи подобного рода обычно решаются жменением материалов, обладающих большим поглощением в нерабочей области

спектра. Подбор подобных материалов возможен далеко не всегда. Именно поэтому приведенное решение оказывается важным и интересным.

Во второй главе рассматриваются оптические свойства блокирующих фильтров.

Интерференционные системы, обеспечивающие деление спектра падающего излучения на прошедшее и отраженное, представляются периодическими системами и описываются, как: (0.5НВ0.5Н)т, или (0.5ВН0.5В)1".

Здесь Н - четвертьволновый слой с низким показателем преломления, В -четвертьволновый слой с высоким показателем преломления, N=2111+1 полное число слоев в покрытии. Коэффициентами перед символами слоев обозначено отличие оптических толщин этих слоев от четвертьволновости.

Условие периодичности системы позволяет выделить характерные области в спектре прозрачности:

область малой прозрачности (область блокировки), для которой увеличение параметра ш ведет к снижению прозрачности;

область высокой прозрачности, в шторой изменение Ш приводит только к изменению осцилляции коэффициента пропускания.

Для второй области можно построить огибающие, что позволяет в значительной степени упростить описание спектральных характеристик блокирующего фильтра, сводя его к описанию свойств только одного периода. Такое описание позволило нам определить среднюю прозрачность фильтра в каждой спектральной точке и. что самое главное, определить граничные значения показателей преломления слоев и подложки, обеспечивающие наиболее высокую прозрачность системы.

Проведенный анализ показал, что прозрачность фильтра будет максимальной прг выполнении условий на показатели преломления слоев. При заданных п, и ш нижняя граница для п3 определяется выражением:

п2 <щ

L (nj-l)2 . 2 Л

1 + -—í—-i-sm ------

4üi

2m 2nj

sin

к

2m

Для сохранения максимальной ширины области высоких отражений (области блокировки) желательно выбирать минимальное значение п,. Если п2 выбрано согласно приведенном)' условию, то показатель преломления подложки должен быть выбран в соответствии с выражением:

П > пг

п

i

4ní

2m 2n

1 71 -tg

i

2ш

Такой выбор показателей преломления подложки и слоев даст наиболее высокую прозрачность фильтра. Ширина области малого пропускания й/. выражается следующим образом:

25А, ж л-2х (пл -п-Л

—— ---гле х = arceos ———-

А0 2х(7С-Х)' Vvn1+n2/

Коэффициент отражения от системы в этой полосе Монотонно растет с увеличением тараметра т, ширина же области высокого отражения растет с увеличением эазности показателей преломления слоев,

В качестве примера на рисунке 2 приведена спектральная характеристика ^локирующего фильтра в сравнении с уровнем пропускания чистой подложки из ;еленида цинка. Приведенный рисунок хорошо демонстрирует оптимальность :пектралыюй прозрачности фильтра, получаемой при указанном выборе материалов

;лоев.

1,0-

0,8-

«

8 0,6 Н

о

0,4-

О

0,2-

0,0-

■-»-

Длищ ВОЛНЫ, мкм

-В -О

Т-1-г

Рис. 2. Пропускание оптимизированного блокирующего фильтра (кривая В) на подложке из селенида цинка. Прямой линией С показана прозрачность подложи без покрытия.

Подобное "выглаживание" спектральных характеристик оказывается в большинстве случаев достаточным. В тех случаях, когда специальный выбор показателе! преломления оказывается Неудобным или недостаточным, приходится прибегать 1 варьированию толщин слоев. Эта процедура выполняется численно по специальш составленным программам. Следует отметить, что полученное решение являете наилучшим начальным приближением при проведении варьирования пара метро! системы.

Проведенный анализ позволил выявить особенности оптических свойств блокирующих фильтров при их работе в наклонных и сходящихся пучках излучения, что чрезвычайно важно в практических приложениях. Показано, что спектральные характеристики блокирующих фильтров сравнительно слабо зависят огугла наклона падающего излучения, т.е. фильтры способны работать в наклонных и сходящихся пучках. Таким образом, фильтры этого вида не требуют для своего применения каких-либо специальных условий, что в значительной степени упрощает их использование в приборостроении.

Во многих случаях материалы, используемые Для создания интерференционных фильтров, не идеальны и обладают заметными потерями на поглощение и рассеяние. Потери также возникают из-за структуры слоев и связаны, в ряде случаев, с технологией получения фильтров. Поэтому нам представлялось важным оценить влияние малого поглощения на оптические свойства фильтров. Такое рассмотрение было специально проведено и показало, что малое поглощение в слоях слабо влияет на спектральные характеристики интерференционных систем, описывающих блокирующие фильтры.

В процессе работы были разработаны алгоритмы, методики и программы расчета и оптимизации Спектральных характеристик интерференционных фильтров на ЭВМ, позволившие довести разработанную теорию до реальных технических приложений а использовать в разработках института.

Третья глава диссертации посвящена теории узкополосных фильтров, построенной на основе теории резонатора Фабри - Перо. Рассмотрены оптические ;войства узкополосных фильтров, образованных системой диэлектрических слоёв, 1 полностью описаны их особенности.

Конструкция фильтра в операторной записи выглядит следующим образом: Ос(НЬ)т2кН,,(ЪН)тО, десь приняты следующие обозначения: О0 - исходная среда; Н, Ь - четвертьволновые

слон соответственно с высоким (ак=п1) и низким (пь=п2) показателями преломления; 2Щ. - центральный слой порядка к с показателем преломления п;;. Параметр т характеризует число слоев в диэлектрическом зеркале.

Проведенные исследования показали, что, вопреки сложившемуся мнению, правильный выбор показателя преломления резонансного слоя п3 очень важен. При нормальном падении излучения на фильтр величина п3 позволяет управлять полушириной полосы пропускания фильтра через изменение дисперсии фазы волны отраженной от диэлектрического зеркала внутри резонатора. Увеличение а, приводи к уменьшению Полуширины полосы прозрачности.

Правильный выбор материала для резонансного слоя позволяет стабилизировать положение полосы прозрачности фильтра при изменении его температуры. Изменение температуры фильтра приводит к изменению полосы пропускания за счет зависимости от температуры показателей преломления материалов слоев к толщины слоев. Исследование этого вопроса показало, что для диэлектрических зеркал это проявляется в изменении фазы при отражении. Коррекция изменения фазы для сохранения спектрального положения резонанса может быть произведена специальным выбором материала резонансного слоя. Изменение фазы при этом компенсируется коэффициентом линейного расширения и величиной резонансного слоя. Полученное решение оказывается важным для практических приложений.

При наклонном падении излучения на фильтр оптические толщины всех слоен изменяются по Общему правилу:

где Эд - угол преломления в ^ом слое, п) и Ь, показатель преломления г геометрическая толщина этого слоя.

Изменение оптической толщины всех слоев приводит к смещению полось пропускания по спектру. Одновременно изменяются и фазы отраженных от зерка;

|)ильтра волн внутри резонатора. Изменения фаз для б- и р- компонент поляризации тзличны, что приводит к зависимости смещения полосы пропускания от юляризации падающего на фильтр излучения, т.е. к появлению дублетной структуры юлосы прозрачности. Характерный вид дублетной структуры полосы прозрачности 'зкополосного фильтра, выполненного из слоев кремния и кварца, приведен на шсунке 3. Резонансный слой этого фильтра выполнен из кварца. Угол падения плучения на фильтр 45°.

Дублетная структура, показанная на этом рисунке, может быть устранена при словии изменения оптической толщины всех слоев таким образом, чтобы они жазывались четвертьволновыми при заданном угле падения излучения. По »ображениям экспериментального характера это оказывается неудобным. Того же (ффекта можно добиться при специальном выборе показателя преломления >езонайсного слоя, что показано на рисунке 4. В этом случае резонансный слой (ыполняется из материала с показателем преломления, равным 2.07. Таким материалом может быть окисел циркония с некоторыми добавками. Таким образом, фавильный выбор величины п„ позволяет ликвидировать дублетную структуру юлосы пропускания.

Более сложным оказывается случай работы фильтра в сходящемся пучке 1злучения. Сходящийся пучок легко представляется суммой лучей, падающих на фильтр под различными углами. Указанный выше выбор показателя преломления юзонансного слоя только отчасти спасает положение, так как еговыбор зависит от гла наклона. Рассмотрено два пути решения этой проблемы.

м

о &

о £

1,00,80,60,4 -0,2 -0,0-

0,942

0,944

Т

Т

0,946 0,948

Длина волны, мкм

0,950

Рис. 3. Пропускание фильтра на основе слоев кремния и кварца, при угле падения 45° Кривые: В - э- компонента, С - р-компонента и Б - суммарная прозрачность.

са и

ё* о а С

1,0 -

о,е -

0,6 -

0.4

0,2 -

0,0'

0,974

0,975

-1-

0,976

-1-

0,977

0,978

Длина волны, мкм

Рйс. 4. Прозрачность фильтра на основе слоев кремния и кварца, показатель преломления резонансного слоя равен 2.07. Обозначения те же, что и на рис. 3.

Наиболее простой путь состоит в выборе всех слоев фильтра с достаточно высоки? показателем преломления. В этом случае угол преломления в каждом ело оказывается малым и, соответственно, малы изменения оптической толщины все слоев фильтра. Это означает малость смещения полосы прозрачности фильтра п спектру для всех углов, входящих в рассматриваемый сходящийся пучок. Подобны путь может быть использован только для фильтров, работающих в инфракрасно: области спектра, где имеется широкий выбор полупроводниковых материалов очень большим показателем преломления. Можно, например, использовать теллури, висмута (показатель преломления около 10) и теллурвд свинца (показател преломления 5.4). При использовании этих материалов каких-либо существенны искажений полосы пропускания не наблюдается при углах схождения порядка 60 ■ 70 градусов.

Для коротковолновой области спектра этот путь не приемлем, так как в этом случа нет материалов с большим показателем преломления. Был предложен другой пут решения проблемы.

Пусть ось сходящегося пучка совпадает с нормалью к поверхности фильтрг Представляя этот пучок конусом с раствором 2ак, плоскую поверхность фильтр можно разбить на кольцевые зоны, на которые падают плоские волны под углом о Каждая зона описывается радиусом г, соответствующим углу ос. Если выбират распределение толщины каждого слоя фильтра, в соответствии с выделяемым, зонами, по закону:

)

п2 rгia2n

1-

1 д

По г ЧЧ

Пл

где толщина .¡-го слоя, рассчитанная д ля нормального падения излучения, тогд не будет смещения полосы пропускания фильтра по спектру, т.е. фильтр в сходящемс пучке будет работать почти также, как при нормальном падении излучения.

Экспериментальные исследования показали, что спектральные свойства узкополосных фильтров Фабри - Перо в значительной степени зависят от мшфошероховатости поверхностей подложки и слоев. Оценка микрошероховатости поверхности подложки может быть выполнена по величине диффузного рассеяния зондирующего излучения. Измерения, проводившиеся нами, показали, что только в самом лучшем случае на полированной поверхности достигается величина микрошероховатости, равная ЮА. В большинстве случаев эта величина на порядок выше. При нанесении тонких пленок микрогеометрия поверхности не воспроизводится. Воспроизводятся только крупные дефекты поверхности.

При теоретическом рассмотрении задач оптики тонких пленок всегда предполагается идеальность поверхностей, что физически не должно соответствовать действительности. Шероховатые поверхности пленки означают флуктуации её толщины. При толщине пленки порядка 700А пренебрегать флугауациями толщины порядка 50 А недопустимо. При рассмотрении оптических свойств большинства покрытий флуктуации в толщинах слоев проявляются не очень заметно. В резонансных системах, к которым относятся фильтры Фабри - Перо, флуюуации сказываются значительно.

На рисунке 5 показано, как изменяется положение максимума прозрачности узкополосного фильтра, помещенного на входную щель спектрографа. Из рисунка видно, что есть два рода смещения. Некоторый общий градиент, возникающий от неоднородности распределения пленки по поверхности подложки, и хаотические изменения положения максимальной прозрачности, возникающие за счет флуктуации толщины резонансного слоя.

'ис. 5. Пропускание узкополосного фильтра, помещенного на входную щель ;пекгро графа.

Проведена оценка влияния флуктуации толщины центрального (резонансного) ;лоя на оптические свойства фильтра. Флуктуации в других слоях системы не вчитывались для получения простого и ясного выражения, описывающего физическую картину. Пропускание фильтра в этом случае можно описать выражением:

ТТ е а

у _ ____

1 + Е,112е-2(л+Е) -2л/КД2е~(а+е) а^ср- А, -А2)'

где ф=лЯ0/2Х, Хй - положение максимума, X - текущую длину волны, % - толщина слоя диэлектрика в долях четверги длины эталонной волны Х0, е=1.^срДЬ/й, Ь -геометрическая толщина слоя диэлектрика, а АЬ - суммарная средняя шероховатость границ диэлектрической пленки, Г^ - коэффициенты отражения зеркал, - фазы, а - поглощение в слое.

Видно, что величина максимума пропускания уменьшается, а полуширина спектральной прозрачности возрастает. Локальные флуктуации толщины приводят к смещениям максимума пропускания фильтра, что наглядно продемонстрировано на рисунке 5.

Для фильтров Фабри - Перо можно использовать металлические зеркала, что ранее и применялось. Такие фильтры не требуют изготовления дополнительных блокирующих систем, а гашение полос высших порядков легко проводится выбором подложек. Основными недостатками этих фильтров яатяюгся низкое пропускание в максимуме (не более 30%) и сравнительно большая спектральная ширина полосы прозрачности. Это связано с поглощением излучения в металлических зеркалах фильтра. Возможно использовать и иной путь применения металлических слоев для получения узюполосного фильтра. Если поместить слой металла в узел стоячей волны внутри фильтра Фабри - Перо с диэлектрическими зеркалами, то можно сохранить прозрачность фильтра на высоком уровне при практически полном подавлении крыльев прозрачности. Параметры резонатора должны быть согласованы с введенным слоем металла.

Проведено исследование таких фильтров, которое показало, что, кроме высокой прозрачности, при этом возможно и значительное уменьшение спектральной ширины полосы пропускания. Уменьшение полуширины фильтра достигается при

том за смет дисперсии фазы и значительного поглощения слоя металла при [арушении условия его размещения в узле стоячей волны. Из физических оображений ясно, что для получения эффекта необходимо выбирать металл с [ействительной частью юмплекзного показателя преломления значительно меньшей . В этом случае оптическая толщина слоя металла мала. В качестве примера на мсунке 6 приведена спектральная характеристика прозрачности фильтра на основе [ленки серебра.

&

о

си &

0,8

0,6 -

$ 0,4-]

0,2

0,00,98

I

1,00

—I— 1,02

1,04

—I—

1,03

-1—

1,10

1,06

Длина волны, мкм

1,12

I

1,14

1,16

'ис 6. Спектральная прозрачность фильтра с индуцированным пропусканием на скове пленки серебра.

Из рисунка следует, что оптические характеристики фильтра с индуцированным ;ропусканнем могут считаться вполне удовлетворительными. К сожалению, следует тметить, что эти фильтры очень чувствительны к флуктуациям толщины слоя

диэлектрика, окружающего металлический слой, и к углам падения излучения на фильтр.

Четвертая глава диссертаций посвящена анализу методик расчета оптических постоянных тонких пленок. Без этих данных невозможно конструирование любых интерференционных покрытий.

Были разработаны методики расчета оптических постоянных тонких пленок на основе фотометрических измерений прозрачности отдельных диэлектрических пленок, основанные на использовании огибающих к функции спектрального пропускания. Характерный пример приведен на рисунке 7. Описание огибающих к спектральной кривой прозрачности тонкой пленки позволяет находить показатель преломления материала пленки и оценивать суммарные потери на поглощение и рассеяние.

В Е

а

о

I 0.4

0,8

0,2

0,0

О

2

3

4

5

Длина волны, мкм

Рис. 7. Пропускание пленки германия оптической толщиной 2.5мкм (кривая В) и огибающие к ней (кривые Е и Б)

В большинстве случаев диэлектрические пленки обладают малым поглощением ! интересующей практиков области спектра, поэтому использование только ггандартных фотометрических измерений прозрачности оказывается достаточно. Только в резонансных системах малые потери оказывают существенное влияние га оптические характеристики и, в этом случае, указанной методики оказывается гедостаточно.

Микрогеометрия поверхности пленки оценивается по рассеянию излучения гадающей световой волны. Дополнительные данные для определения поглощения гоявляЮгся из эллипсометрических измерений той же пленки с использованием {етодики МНПВО, обладающей высокой чувствительностью. По уравнениям для тибающих и данным эллипсометрических измерений, включаемым в общую истему уравнений, легко находятся все необходимые параметры плешей.

Для исследования оптических свойств металлических пленок были разработаны йециальные фотометрические и эллипсометрические методики, что позволило веренно находить оптические постоянные тонких пленок металлов. Наши ксперйменты показали, что оптические свойства тонких пленок металлов сильно ависят от их структуры и методов получения. Именно поэтому важны азработанные нами методики.

В пятой главе рассматриваются вопросы оценки качества обработки подложек, ажные для изготовления узкополосных фильтров.

В процессах обработки подложек перед нанесением покрытия проявляются три сновных момента:

шероховатость поверхности, приводящая при нанесении покрытия к появлению флуктуации толщины слоя;

значительная толщина нарушенного процессом обработки слоя на поверхности подложки, приводящая к значительным флуктуациям электрического рельефа; недостаточная очистка поверхности перед нанесением покрытия.

В настоящей главе рассмотрена задача оценки качества обработки поверхносг подложки, не затрагивая процессов её очистки.

Величина шероховатости поверхности может быть достаточно полно описан среднегеометрической величиной неровности. Для полированных поверхностей эт величину можно определить измерением светорассеяния. Наиболее удобн использовать для этой цели лазерные методы. В случае поглощающей подложк интегральное рассеяние на её поверхности, измеряемое в фотометрическом шар« даёт величину' среднегеометрической шероховатости при малЫх г| (г|/Я«1):

где р - диффузное отражение, Я зеркальное отражение, л - среднегеометрическа величина шероховатости, X - длина волны, на которой проводятся измерения.

Если подложка на длине волны измерения прозрачна, то необходимо выполнит измерения диффузного отражения на обеих сторонах, величины ж среднегеометрической шероховатости в этом случае определяются из решения двулинейных уравнений:

Я - коэффициент зеркального отражения от одной поверхности, равный (п-1)3 (п+1)3, где и - показатель преломления подложки, г|, - среднегеометрическа. шероховатость ¿-ой поверхности, - диффузное отражение на ней.

Для оценки величины нарушенного механической обработкой слоя был; разработана модель флуктуационного изменения показателя преломления 1

Р2 =

Р1 =

чарушенном слое, так как шлифовка и полировка - процессы стохастические по ;воей природе, то изменения физических свойств материала в приповерхностной >бласти носят флуктуационный характер. Разработана методика оценки этих тарушеиий.

Показатель преломления в нарушенном слое представлен в виде:

п-1к = п0 -¡к0 + f,

X X _ X

деГ = (а-1а1)е ^ ч^Ь-Ш^е Ь2+(а2-Ш2)е ^

5десь £ - флуетунруюшзя часть показателя преломления. Величины а и а1 описывают оменение комплексного показателя преломления за счет пластической деформация 1ри обработке; величины Ь, Ь, - аналогичные величины, возникающие за счет внутренних напряжений сжатия; а2, Ъ2 - чисто флуктуационная добавка, обязанная сак упругим, так и пластическим процессам. Ц - соответствующие характерные тины, описывающие глубину нарушенного слоя.

Все оценки параметров основаны на эллипсометрических измерениях при (сскольких углах падения излучения. Разработанная методика позволяет получить юличественное описание параметров, характеризующих нарушенный слой, что гозволяет использовать её в целях контроля технологических процессов пготовления и подготовки поверхности подложки для изготовления качественных фильтров.

В шестой главе рассматриваются некоторые вопросы технологии нанесения ттерференционных покрытий.

При изготовлении многослойных интерференционных покрытий на оптических (сталях контроль процесса и связанные с ним проблемы воспроизводимости и стойчивости были и остаются решающими факторами в определении качества и кономичности производства, особенно, если это производство крупных серий. )бщее рассмотрение технологии нанесения покрытий не входило в нашу задачу

из-за чрезвычайной сложности и большого объема. В настоящей глав! рассматриваются только вопросы контроля толщин слоев и флуктуации в толщи» слоев. Специально рассмотрен вопрос об автоматизации технологического процесс; нанесения интерференционных покрытий, реализация которого была нам1 осуществлена.

При решении задач равномерности нанесения интерференционного покрытия н; подложку обычно предполагается, что процесс испарения строго равномерен I постоянен. В реальной ситуации это не так, что приводит к появлению флустуацш толщин слоев на подложке. Кроме того, момент прекращения процесса нанесешь слоя не произволен (только по достижению заданной толщины на контролируемо! поверхности), а должен подчиняться определенным условиям симметрии. I распространенной практике нанесения покрытий это условие обычно игнориру ется Выполненный анализ показал, что игнорирование условий симметрии приводит \ появлению флуюуацйй толщины слоя на подложке.

Важным моментом в изготовлении качественного интерференционного покрыта) является точность контроля толщины каждого слоя в процессе его нанесения. Был; разработана модель изменения оптических свойств интерференционного покрыти: с ростом очередного слоя при учете ошибок во всех предыдущих слоях Проанализированы возможные источники появления ошибок и показано, что и; величина может быть минимизирована. Найдены методики минимизации ошибо) в контроле, и сформулирована методика автоматизации процесса нанесена многослойных интерференционных покрытий, которая нами реализована н; вакуумной установке ВУ-1.

Основные результаты настоящей работы можно сформулировать следующие образом:

1. Разработана общая методика расчета оптических свойств интерференционны: покрытий произвольной структуры. Созданы алгоритмы и программы расчета 1

штимизации интерференционных фильтров, позволившие довести все еоретические разработки до реальных технических приложений. . Проведен анализ фильтрации излучения оптической системой: показаны и обоснованы требования к интерференционным фильтрующим истемам;

впервые показана фильтрация излучения системой поверхностей с просвет-[яющими покрытиями, что имеет особо важное значение для техники, работающей инфракрасной области спектра и использующей материалы с большими показа-елями преломления;

решены конкретные задачи, нашедшие применение в современном риборостроении.

. Развит теоретический подход к синтезу просветляющих интерференционных окрытий:

проанализирована возможность и осуществлено просветление поверхности ермания симметричной системой слоев с суммарной оптической толщиной, геньшей четверти длины волны;

проанализированы и использованы аналитические свойства спектральной арактеристики прозрачности интерференционного покрытия для синтеза росветляющих покрытий,

. На основе разработанной теории блокирующих интерференционных фильтров: проведено полное исследование спектральных и угловых свойств блокирующих 1ильтров и оптимизированы их спектральные характеристики; впервые показано, что поглощение излучения в слоях блокирующего нтерференционного фильтра слабо влияет на его спектральные характеристики. . Проведено теоретическое и экспериментальное исследование узкополосных иэлекгрических и металлодиэлектрических интерференционных фильтров: показано, что прозрачность в максимуме пропускания для металлодиэлектрических

систем может быть достаточно высокой и практически очень близкой к прозрачности чисто диэлектрических систем;

разработана методика расчета и оптимизации спектральных свойств фильтра в наклонных и сходящихся пучках падающего излучения, что позволяет правильно оценить положение фильтра в оптической системе;

разработан метод исключения дублетной струюуры полосы пропускания узкополосного фильтра при наклонном падении излучения;

разработана методика расчета и подбора материалов для исключения температурной зависимости положения полосы пропускания диэлектрического интерференционного фильтра в заданном интервале температур;

исследованы оптические свойства узкополосных фильтров с шероховатыми границами раздела. Показано, что такие резонансные системы очень чувствительны к качеству граничных поверхностей.

6. Теоретически изучен и создан уникальный интерференционный фильтр с глубоким подавлением фоновой прозрачности на уровне 108-ь10"10.

7. Разработаны высокоэффективные методики расчета оптических постоянных тонких интерференционных пленок, основанные на построении огибающих к спектральной прозрачности. Показано, что сочетание методов многоугловой эллипсометрии и полного внутреннего отражения позволяет проводить измерение малого поглощения тонкой пленки в области ее высокой прозрачности.

8. Создана математическая модель нарушенного слоя на поверхности массивного материала, возникающего за счет механического воздействия при получении оптической поверхности. На основе этой модели оптимизированы методы обработки подложек, предназначающихся для изготовления фильтрующих систем.

9. Разработаны математические модели для описания метода оптического контроля толщин многослойных интерференционных пленок в процессе их роста. Развитые модельные представления позволили выявить источники флукгуаций толщин отдельных слоев и автоматизировать процесс нанесения многослойного покрытия.

Список основных публикаций по теме диссертации.

Несмелое Е. А., Конюхов Г.П. К расчету коэффициентов отражения и пропускания (ета тонкослойным интерференционным покрытием. //ОМП, 1961, № 10,стр. 10-

I,

Гисин М.А., НесмеловЕ.А. Интерференционные светофильтры, пропускающие )ротковолновую и отражающие длинноволновую области спектра. //Оптика и гастроскопия, 1963, Т. 14, вып. 3, стр.395-400.

Конюхов Г.П., Несмелов Е.А., Валидов М.А., Гайнутдинов И.С. Зависимость элуширины пропускания узкополосных интерференционных светофильтров от эказателя преломления центрального слоя. //ЖПС, 1967, Т. 7, вып. 5, стр. 77172.

Кард П., Несмелов Е., Конюхов Г. Теория четвертьволнового отрезающего ильтра. // Известия АН ЭССР 1968, т. 17, №3, стр.314-323. . Конюхов Г.П., Несмелов Е.А. К теории диэлектрического узкополосного ветофйльтра. //ЖПС, 1969, Т.11, вып. 3, стр. 468-474.

. Гисин М.А., Конюхов Г.П., Несмелов Е.А. Методика расчета оптических арактеристик отрезающих интерференционных фильтров с учетом поглощения в ноях. //Оптика и спектроскопия, 1969, Т.26, вып.4, стр.651-653 . Кард П., Несмелов Е,, Конюхов Г., Иванов В. Просветление трехслойным имметричным покрытием. //Известия АН Эстонской ССР, 1969, т. 18, N 2, стр. 86-192.

. Несмелов Е. А., Конюхов Г.П. Об одной методике конструирования тонкослойных нтерференционных систем. //ЖПС 1969, Т. 10, № 4, стр.630-633 . Несмелов Е.А., Конюхов Г.П. К теории отрезающих фильтров. //ЖПС, 1969, Т. 1, вып. 4, стр. 700-703.

0. Несмелов Е.А., Белашова Л.В., Орлова Л.Г. Оптические свойства пленок голибдена. //Тезисы доклада на VI1 Симпозиуме по физическим свойствам и

электронному строению переходных металлов, их сплавов и соединений. Киев, 1969 стр.50

11. Несмелов Е.А., Завада Л. С. Оптические свойства пленок родия. //Тезисы доклад; на VII Симпозиуме по физическим свойствам и электронному строению переходны? металлов, их сплавов и соединений. Киев, 1969, стр.51

12. Несмелов Е.А. Исследование оптических свойств многослойны* интерференционных спекгроделителей. Автореферат диссертации, Минск 1969

13. Несмелов Е.А., Конюхов Г.П. Интерференционный светофильтр. A.c. 384090 Заявл. 27.09.71. Опубл. 23.05.73. МКИ G02b 5/26. Бюлл. № 24.

14. Несмелов Е.А., Конюхов Г.П. К теории отрезающих интерференционных фильтров. //Оптика и спектроскопия, 1971, Т.31, вып.1, стр. 133-137.

15. Конюхов Г.П., Несмелов Е.А. Повышение прозрачности узкополосногс светофильтра типа Фабри - Перо. //Оптика и спектроскопия, 1972, Т. 32, вып. 3, стр. 601-606.

16. Лазарева JI. Д., Несмелов Е.А. Влияние термообработки на положение максимума прозрачности интерференционных фильтров. //ЖПС, 1972,Т.16, вьт.1, с. 143-147.

17. Несмелов Е.А., Белашова Л.В., Орлова Л.Г. Оптические свойства Пленок молибдена. //Сб. Электронное строение и физические свойства твердого тела. Киев, Наукова думка, 1972, стр.

18. Несмелов Е.А., Завада Л.С. Оптические свойства пленок родия. //Сб. Электронное строение и физические Свойства твердого тела. Киев, Наукова думка, 1972, стр.

19. Белашова Л.В., Несмелов Е.А., Тальдаев Э.Т. Об увеличении механической прочности и адгезии к подложке металлических пленок, полученных термическим испарением в вакууме.//Тезисы докладов V Всесоюзной научно-технической конференции "Новые разработки и исследования струйных, механических, электрофизических, сорбционных и других типов вакуумных насосов" Казань, 1972, с.97-98

0. Конюхов Г.П., Несмелое Е. А. О просветлении отрезающего фильтра в заданной очке спектра. // Оптика и спектроскопия, 1973, т.34, вып.5, стр.976 - 981

1. Полионский В.Б., Гайнутдинов И,С., Несмелов Е.А. Полосовые нтерференционные фильтры на основе пленок германия и моноокиси кремния. // 'езисы докладов Всесоюзной конференции "Теория и практика алмазной и бразивной обработки деталей приборов и машин", проведенной в МВТУ им. Н. ). Баумана 11-13 декабря 1973г., стр. 45-46.

2. Лазарева Л. Д., Несмелов Е.А., Ахмадеев М.Х. Влияние внешних воздействий а локальную прозрачность узкополосных фильтров. //ЖПС, 1974, Т. 20,,вып. 6, гр. 1071-1075.

3. Абуков A.A., Ермолаев Ю.П., Несмелов Е.А. Равномерность пленок на больших оверхиостях осаждения при подвижном испарителе. Тезисы доклада на науЧно-гхнической конференции по микроэлектронике, Казань, 1975, стр. 56-57

4. Лазарева Л. Д., Несмелов Е. А., Панасенко Б.В., Тагиров Р.Б. Эволюция тонкой ленки непосредственно после её изготовления. //Сборник аспирантских работ. Ьчные науки. Физика. Ч. 2. Изд. КГУ, 1977, стр. 20-23

5. Несмелов Е.А., Залилова Н Е., Гайнутдинов И.С. Защитные покрытия для щросюпичных кристаллов NaCl и KCl. //Тезисы доклада 1 отраслевого совещания о совершенствованию технологии оптических покрытий. ЦНИИ информации, М. 977

5. Марков Ю.Н., Несмелов Е. А., Гайнутдинов И.С. Метод синтеза ахроматических росветляющих исветоделительных покрытий. // Оптика и спектроскопия, 1979, т. 5, вып. 1, стр. 158-161

7. Марков Ю.Н., Несмелов Е.А., Никотин A.C., Гайнутдинов И.С. К вопросу ттимизации полосовых интерференционных фильтров. // ЖПС, 1980, т.ЗЗ, вып.З, гр.536-540

3. Марков Ю.Н., Несмелов Е.А., Гайнутдинов И.С. Аналитическое исследование

полосовых интерференционных фильтров. // Оптика и спектроскопия, 1980, т.4' вып.5, стр.990 - 997

29. Панасенко Б.В., Гусев А.Г., Гайнутдинов Й.С., Несмелое Е.А., Тагиров P.I Расчет оптических постоянных тонких пленок с учетом шероховатости поверхност и ширины спектра зондирующего излучения. //ЖПС, 1980, Т.32, вып.4, с. 681-68"

30. Панасенко Б.В., Гайнутдшюв И.С., Несмелов Е.А., Тагиров Р.Б, Влияние сорбци атмосферной влаги на оптические свойства тонких диэлектрических пленок. //ЖПС 1980, Т. 32, вып. 1, стр. 172-174.

31. ФазылзяновР.Х., Панасенко Ё.В., Несмелов Е. А., Тагиров Р.Б. Влияние давлени остаточных газов на контроль толщины тонких пленок. /ЮМП, 1980, № 7, с. 36-3

32. Несмелов Е.А., Митропольскйй Э.Р., Карпюк Г.М., Свойства зерка; Аналитический обзор N 2723, Казань 1980, 140 с.

33. Панасенко Б.В., Несмелов Е.А., Тагиров Р.Б. Влияние давления остаточны газов на оптические свойства тонких пленок. //ОМП, 1980, № 1, стр.25-28

34. Панасенко Б.В., Несмелов Е.А., Тагиров Р.Б. Влияние давления остаточны газов на оптические свойства тонких плёнок. // ОМП, 1980, вып. 1, стр. 25-28.

35. Конюхов Г.П., Матшина Н.П., Несмелов Е. А. Программа расчета спекгральны характеристик тонкослойных интерференционных покрытий. //Сборник тезисо докладов "Состояние и перспективы развития исследований и разработок в облает оптических покрытий." М. ЦНИИ информации, 1981, с.30.

36. Матшина Н.П., Несмелов Е. А. и др. О математическом моделировании метод оптического контроля толщин слоев при создании интерференционных покрытш Депонировано в орг. п/я А-1420, 1982, № ДР0767

37. Несмелов Е.А., Никитин A.C., Гусев А.Г., Иванов О.Н. Измерение энерги адгезии тонких пленок //ОМП, 1982, № 10, стр. 34-37

38. Гусев А.Г., Несмелов Е.А., Никитин A.C., Гайнутдинов И.С. Внутренни напряжения в тонких пленках Ge, ZnS, ZnSe. //ОМП, 1982, № 8, стр. 35-37

. Конюхов Г.П., Матшина Н.П., Несмелов Е.А., Тапфов Р.Б. Расчет спектральных рактеристик многослойных интерференционных систем. - Казань 1983, 34 с. in. В ВИНИТИ №4341-83

К Матшина Н.П., Несмелов Е. А. и др. Моделирование метода оптического контроля лщин слоев интерференционного покрытия с учетом потерь на поглощение, тонировано в ВИНИТИ, № 4340-83

I. Конюхов Г.П., Несмелов Е.А., Тагиров Р.Б. Узкополосные фильтры для идящегося пучка излучения. //Оптика и спектроскопия, 1983, Т. 55, вып. 4, стр. ¡7-760.

!. Конюхов Г.П., Несмелов Ё.А. Оценка влияния шероховатости границ слоев на ттические свойства узкополосных фильтров.//Тезисы докладов всесоюзного аучного семинара "Методы синтеза и применение многослойных (тгерференционных систем" Москва, 18-19 апреля 1984 г, стр. 65 3. Марков Ю.Н., Никитин A.C., Гусев А.Г., Несмелов Е.А. Метод поиска гобального минимума в задаче синтеза интерференционных покрытий.//Тезисы оклада всесоюзного научного семинара "Методы синтеза и применение ногослойных интерференционных систем". Москва, 18-19 апреля 1984г, с. 13-14.

Несмелов Е.А., Конюхов Г.П., Матшина Н.П. Математическое моделирование роцесса контроля толщин слоев интерференционных покрытий. //Тезисы докладов сесоюзного научного семинара "Методы синтеза и применение многослойных нтерференционных систем" М. Изд. МГУ, 1984, стр.76

5. Несмелов Е. А., Конюхов Г.П., КарпюкГ.М. Многослойные интерференционные зкополосные светофильтры. Аналитический обзор №3682. М. ЦНИИИиТЭИ, 1984, 29 с.

6. Несмелов Е.А., Лазарева Л.Д., Гусев А.Г. Зависимость свойств пленок ZnS от корости осаждения. // ЖПС, 1984, т. 40, вып. 1, стр. 136-139

7. Несмелов Е. А., Гусев А.Г., Иванов О Н., Валвдов P.M. Коэффициенты линейного

расширения плёнок. //ОМП, 1986, вып. 9, стр. 50-52

48. Гайнутдинов И.С., Несмелов Е.А., Мухамедяров Р.Д. и др. Авторе» свидетельство № 240831, опубликовано 1.08.1986

49. Несмелов Е.А., Афанасьева А.Г., Соболева H.H., Матшина Н.П., Конюхов Г.Г Никитин A.C. О возможности создания интерференционных зеркал, работают! в спектральной области вакуумного ультрафиолета. //Тезисы докладов V Всесоюзной конференции по физике вакуумного ультрафиолета и ei взаимодействию с веществом ВУФ-86, Эзерниеки, 5-7 мая 1986, стр. 188.

50. Афанасьева А.Г., Гусев А.Г., Несмелов Е.А., Никитин A.C. Оцбш неоднородности тонких диэлектрических пленок методом эллипсометрий. //ЖП( 1987, т. 46, № 4, стр. 675-678

51. Несмелов Е.А., Мйтшина Н.П., Конюхов Г.П., Гусев А.Г. Математическс моделирование метода оптического контроля толщин слоёв интерференционно! покрытия. //ОМП, 1987, вып. 6, стр. 14-15

52. Афанасьева А.Г., Матшина Н.П., Несмелов Е.А. Математическая модель программное обеспечение оценки качества полировки оптических деталей и чисТОг поверхности методом эллипсометрии. //Тезисы доклада на 1 Отраслевом семинар "Автоматизация оптических приборов" Ленийград, 1987, с. 20

53. Афанасьева А.Г., Гусев А.Г., Несмелов Е.А. Математическая модель оценк статистических характеристик шероховатости плоских оптических деталей п величине интегрального рассеяния. //Тезисы доклада Hä 1 Отраслевом семинар "Автоматизация оптических приборов" Ленинград, 1987, с. 21-22

54. Несмелов Е. А., Гусей А.Г., Матшина Н.П., КаргаокГ.М. Автоматизация процесс изготовлений оптических покрытий испарением и конденсацией материалов вакууме. Аналитический обзор за 1980-1987 гг. № 4618. М. ЦНИИИ и ТЭИ, 198i 40 стр.

55. Афанасьева А.Г., Матшина Н. П., Несмелов Е.А. Определение качества обработк

гтических поверхностей сочетанием фотометрических и эллипсомегрических 5тодов. //Тезисы доклада 7 Всесоюзной научно-технической конференции Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", М. 1988, стр.259 i. Гусев А.Г., Несмелое Е. А. Автоматизация контроля оптических толщин пленок процессе нанесения интерференционных покрытий. //ОМП, 1989, № 9, с. 34-36 Алиакберов Р.Д., Гайнутдинов И.С., Несмелов Е.А. Исследование оптической однородности тонких слоев двуокиси циркония методом эллипсометрии. //Доклад i 4-ой Всесоюзной конференции "Эллипсометрия - метод исследования тсрхности твердых тел", Новосибирск, 1989

!. Гавриленко О.Ф., Несмелов Е.А., Сабиров P.C. Применение липсометрического метода к исследованию процесса отжига полированных »верхностей щелочно-галоидных кристаллов. //Доклад на 4-ой Всесоюзной нференции "Эллипсометрия - метод исследования поверхности твердых тел", эвосибирск, 1989

К Несмелов Е.А., Матшина Н.П. Эллипсометрия реальной поверхности юзрачных материалов. //Доклад на 4-й Всесоюзной конференции "Эллипсометрия метод исследования поверхности твердых тел", Новосибирск, 1989

Афанасьева А.Г., Борисов А.Н., Матшина Н.П., Несмелов Е.А. Определение того поглощения в тонких диэлектрических пленках Методом эллипсометрии. // ПС, 1989, т. 50, № 6, стр. 1004-1007

. Несмелов Е.А,, Матшина Н.П., Карпкж Г.М. Расчёт оптических постоянных нких плёнок. Аналитический обзор за 1980 - 1988 гг. № 4983, М. ЦНИИИИи ЭИ, 1990, 73 стр.

!. Соболева H.H., Несмелов Е.А., Матшина Н.П., Конюхов Г.П. Влияние одимосги падающего пучка излучения на значения спектральных характеристик ггерференционных покрытий. //ЖПС, 1990, Т. 53, вып. 4, стр. 606-611. . Гусев А. Г., Афанасьева А.Г., Валидов P.M., Несмелов Е.А. Оптико-физи-ческие

свойства пленок фторида висмута. //ОМП, 1990, № 5, стр. 55-57

64. Афанасьева А.Г., Гавриленко О.Ф., МатшИна Н.П., Несмелое Е.А. Определен! параметров нарушенного слой и степени загрязненности Полированной поверхност прозрачных матерйалов.//Опгика и спектроскопия, 1990, т.69, вып.5> стр. 1145-115

65. Кобелев C.B., Несмелов Е.А., Голота А.Ф., Кузнецова JI.B. Влияние отжига г оптические свойства пленок MgAl204. //ОМП, 1990, № 3, стр, 51-53

66. ГаврилеНко О.Ф., Гужов A.A., Несмелов Е.А., СабирОв P.C. Пассивацн поверхностей щелочно-галоидных кристаллов высокотемпературным отжигом. Поверхность, 1990, выП.9, стр. 129-134

67. Несмелов Е.А. К теории узкополосных металлодиэлекгрических фильтров. Тезисы докладов Всесоюзного семинара "Оптические покрытия", М.1991, с. 64-6

68. Несмелов Е.А., Сафин Р.Г. Неоднородность тонких пленок и её проявление оптических свойствах. //Тезисы докладов семинара "Оптические покрытия", N 1991, стр. 33-34.

69. Биряльцева А.Р., Несмелов Е. А., Сафин Р.Г. Эллипсометрическое определен!) параметров неоднородности тонких диэлектрических пленок. //Тезисы доклад Всесоюзного семинара "оптические покрытия", М. 1991, стр. 66-67

70. Несмелов Е.А., Сафин Р.Г. Неоднородность тонких пленок и её проявление оптических свойствах. //Тезисы доклада Всесоюзного семинара "оптически покрытия", М. 1991, стр. 90

71.Биряльцева А.Р., Матшина Н.П., Несмелов Е.А. Эллипсометрическое опр< деление оптических свойств локально неоднородных тонких пленок.//Тезисы докж да VI Всесоюзного совещания "Применение металлоорганических соединений да получения неорганических покрытий и материалов". Н.Новгород, 1991,с.101-Ю:

72. МатшиНа Н.П., Несмелов Е.А., Гусев А.Г., Сйфин Р.Г. Модель связ микроструктуры пленок и их оптических свойств.//Тезисы докладов VI Всесоюзног совещания "Применение металлоорганических соединений Для получени

органических покрытий и материалов" Нижний Новгород, 1991, с.99-100 . Матшина Н.П., Несмелов Е.А., Нагимов И.Х., Валидов P.M., Соболева H.H. К орииузкополосных фильтров с индуцированным пропусканием. //ЖПС, 1991, Т. , вып. 6, стр. 1000-1006.

. Несмелов Е.А., Гусев А.Г., Иванов О.Н., Матшина Н.П. Метод расчета опта-скйх постоянных тонких диэлектрических пленок. //ОМП, 1991, № 9, стр. 27-29. . Абсалямова Э.Х., Кольцэв Ю.И., Матшина Н.П., Несмелов Е.А., Соболева H.H. тгические постоянные пленок теллурида свинца в области спектра 5-11 мкм. // ПС, 1991, Т. 54, вып. 1, стр. 103-107

Биряльцева А.Р., Несмелов Е.А., Сафин Р.Г. Методы расчета оптических хара-ерисшк тонких металлических пленок.//Огггический журнал, 1993, №9, с.59-62.

Биряльцева А.Р., Несмелов Е.А., Сафин Р.Г. Простой метод расчета ггатлодиэлектрическихтеплоогражающих фильтров. // Оптический журнал, 1995, т. 2, стр. 72-73.

Несмелов Е.А., Борисов А.Н., Никитин A.C., Гайнутдинов И.С. Влияние руктуры слоев интерференционного покрытая на его оптические свойства. // тгический журнал 1996, вып. 11, стр. 29-32

К Иванов В.А., НикитнА.С., Борисов А.Н. и др. Малогабаригаыйшлихромаггор. Оптический журнал -1997, - Т. 64, вып. 7, С. 73-74

К Несмелов Е.А., Гайнутдинов И.С., Иванов В.А., Никитин A.C., Борисов А.Н. оработаа математической модели изменения свойств приповерхностных слоев ердого тела при энергетических воздействиях и программы расчета параметров вдели, адекватных изменениям в твердом теле по результатам эллипсометрических мерений. //фонд научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ спублики Татарстан. Конкурс проектов '96. Казань, Унипресс, 1998, стр. 110-111 . Гайнутдинов И.С., Несмелов Е.А. Фильтры для многоканальных радиометров./ •птический журнал, 1999, Т. 66, вып. 4, стр. 74-76. 1/

Отпечатано на ризографе. Бумага офсет. Заказ 03/12. Тираж 100 экз. ООП ТРО БОИ т.: 31-55-02

Введение.

Глава 1. Фильтрация излучения.

1.1. Общие принципы фильтрации проходящего излучения.

1.2. Принципы просветления поверхностей.

1.3. Выделение рабочих полос спектра.

1.3.1. Блокирующие фильтры.

1.3.2. Полосовые интерференционные фильтры.

1.3.3. Фильтры для многоканальных радиометров.

1.3.4. Солнечнослепые фильтры.

Выводы.

Глава 2. Синтез блокирующих фильтров.

2.1. Синтез и свойства спектроделителей при нормальном падении излучения.

2.2. Влияние поглощения в слоях на оптические свойства блокирующих фильтров

2.3. Свойства блокирующих фильтров при наклонном падении излучения

2.4. Свойства блокирующих систем в сходящихся пучках излучения 79 Выводы.

Глава 3. Узкополосные фильтры.

3.1. Характеристики фильтров Фабри-Перо при нормальном падении излучения.

3.1.1. Фильтры Фабри-Перо на основе пленок металлов.

3.1.2. Особенности фильтров Фабри-Перо с диэлектрическими зеркалами

3.1.3. Влияние шероховатости поверхности подложки и неоднородности пленок по толщине на оптические свойства фильтров.

3.1.4. Влияние пористости слоев фильтра на его свойства.

3.1.5. Синтез металлодиэлектрических фильтров (просветление металлических слоев).

3.2. Характеристики фильтров Фабри-Перо в наклонных и сходящихся пучках излучения.

3.2.1. Эффекты, связанные с поляризацией света

3.2.2. Характеристики фильтров Фабри-Перо при наклонном падения излучения

3.2.3. Характеристики фильтров Фабри-Перо в сходящихся пучках излучения и управление ими.

3.3. Влияние условий эксплуатации на свойства и устойчивость узкополосных фильтров.

3.3.1. Влияние температуры на оптические свойства узкополосного фильтра

3.3.2. Старение фильтров

3.3.3. Воздействие влажности и защита фильтров

3.3.4. Принцип оценки долговечности фильтров

Выводы.

Глава 4. Методы измерения оптических постоянных пленок.

4.1. Оптические постоянные материалов.

4.2. Общие выражения для оптических свойств тонких пленок

4.3. Расчет оптических постоянных тонких пленок

4.3.1. Интерферометрические оценки параметров прозрачной пленки.

4.3.2. Оптические постоянные тонких пленок по данным спектрофотометрических измерений.

4.3.3. Эллипсометрическое определение оптических постоянных

4.4. Измерение малого поглощения методами эллипсометрии и нарушенного полного внутреннего отражения.

4.5. Специальные методы определения малого поглощения в пленках

4.6. Некоторые замечания о свойствах реальных пленок.„

Выводы.

Глава 5. Подложки для оптических покрытий.

5.1. Оценка шероховатости подложки.

5.2. «Внутренние» параметры поверхности после обработки.

5.2.1. Модель нарушенного слоя

5.2.2. Программа расчета параметров модели

5.2.3. Обсуждение результатов расчета параметров.

5.3. Усовершенствование методики оценки нарушенного слоя . . . 237 Выводы.

Глава 6. Некоторые вопросы изготовления покрытий

6.1. Влияние условий при нанесении пленок испарением и конденсацией в вакууме на их физические свойства

6.2. Флуктуации толщин слоев, возникающие при конденсации из молекулярного пучка.

6.3. Методы измерения толщины пленок в процессе их роста.

6.4. Оптический метод контроля толщин слоев в процессе роста

6.5. Моделирование оптического контроля.

6.6.Создание автоматизированных установок для получения многослойных интерференционных покрытий.

6.7. Пути развития автоматизации вакуумного нанесения оптических покрытий

Выводы.

Оптика тонкослойных интерференционных покрытий начала интенсивно развиваться после второй мировой войны, когда потребовались самые разнообразные приборы наблюдения. К этому времени было зафиксировано уменьшение отражения от поверхности стекла при нанесении на нее тонкого слоя из материала с показателем преломления меньшим, чем у стекла. Этот эффект стал интенсивно использоваться при создании фотографических объективов и биноклей. В сороковых годах нашего столетия начались исследования возможности усиления эффекта просветления оптики, что привело к использованию комбинаций из двух и трех тонких слоев на поверхности оптической детали. Дальнейшие работы привели к созданию фильтров, позволяющих выделять сравнительно узкие области спектра, что дало возможность использовать эти элементы в приборостроении.

В настоящей работе обобщаются результаты исследований, выполненных автором в период 1961 - 1998 г, направленных на создание теоретических методов исследования оптических свойств интерференционных покрытий, развитие и внедрение в производство новых методов расчёта, обеспечивающих разработку и изготовление новых оптико-электронных приборов.

Актуальность работы.

Последние десятилетия характеризуются все возрастающим интересом к созданию новых оптических приборов самого разнообразного назначения. Задачи, решаемые современной оптикой, перекрывают широкое поле самых различных исследований - от мониторинга окружающей среды и оценки состояния природных ресурсов до слежения за отдельными объектами и поражения их также при помощи оптических методов. Интерференционные покрытия на оптических деталях позволяют проводить фильтрацию оптического сигнала и снижают световые потери в выделяемых спектральных диапазонах, что и привело к их широкому использованию в современном оптическом приборостроении.

Развитие техники потребовало как значительного расширения спектрального интервала использования интерференционных покрытий, так и создания новых покрытий со строго заданными свойствами и отвечающих определённым условиям эксплуатации оптических деталей с покрытиями. Так развитие силовой оптики привело к необходимости создания интерференционных покрытий, успешно работающих в условиях интенсивных оптических нагрузок, что потребовало проведения специальных исследований по разработке технологии получения и использования новых материалов для изготовления покрытий, выдерживающих высокие интенсивности светового излучения. Развитие тепловидения привело к необходимости создания новых фильтрующих покрытий для инфракрасной области спектра и ужесточению требований к просветляющим покрытиям по величине остаточного отражения. Оказалось, что просветление оптики, изготовленной из материалов с высоким показателем преломления, должно быть выполнено так, чтобы остаточное отражение от просветленной поверхности было менее 0.5%, в противном случае проявляется воздействие на фотоприемник отрицательных световых потоков. И это значительно важнее, чем небольшое изменение регистрируемого полезного светового сигнала.

Успешное решение задач разработки и изготовления интерференционных покрытий, удовлетворительно работающих в различных условиях эксплуатации прибора, немыслимо без проведения теоретических исследований и моделирования их оптических свойств, что привело к постановке и решению многих дополнительных задач, связанных с исследованиями физических свойств материалов и, прежде всего, оптических. При этом выяснилось, что физические свойства тонких пленок материалов не совпадают с таковыми для массивного состояния и в значительной степени зависят от технологии их получения. Это привело к значительному расширению исследований и разработке новых специальных методов исследования физических и технических свойств материалов. Все эти направления в настоящее время успешно развиваются, а их важность для современной науки и техники трудно переоценить.

Состояние вопроса.

Ко времени начала нашей работы интерференционные свойства тонких диэлектрических пленок только начинали изучаться и использоваться. Сравнительно широко использовалось просветление оптических деталей для видимой области спектра, была разработана технология нанесения тонких окисных пленок на поверхность стекла путем разложения сложных эфиров. Начали появляться работы по изготовлению и исследованию оптических свойств фильтрующих интерференционных покрытий и появились первые сообщения об исследовании оптических свойств тонких металлических и диэлектрических слоев и их отличиях от свойств этих же материалов в массивном состоянии. В это же время была разработана методика расчета оптических свойств интерференционных покрытий в приближении геометрической оптики. Расчет был очень трудоемок и стояла естественная задача его автоматизации, тем более что именно в это время появились и первые ЭВМ. Включившись в эту работу, мы создали программу расчета на ЭВМ произвольных диэлектрических покрытий используя решение волнового уравнения. Специальные исследования, выполненные позднее, показали идентичность подхода к решению задачи как со стороны геометрической оптики, так и решением волнового уравнения, но обоснованность применения геометрической оптики для расчета оптических свойств произвольных интерференционных пленок, заключенных между произвольными средами, все же вызывает сомнения. Эти сомнения особенно сильны при наличии поглощения в обрамляющих интерференционную пленку средах. Именно поэтому для решения задачи расчета оптических свойств произвольной интерференционной системы следует использовать решение волнового уравнения.

Перед институтом в то время была поставлена задача создания интерференционных покрытий, работающих в инфракрасной области спектра. Это привело к разворачиванию исследования материалов, пригодных для изготовления интерференционных покрытий, новых систем интерференционных пленок и технологии изготовления покрытий. Так как в этом случае метод разложения сложных эфиров, разработанный в ГОИ под руководством академика И.В. Гребенгцикова, оказался неэффективным из-за значительной толщины пленок, то началось развитие метода испарения и конденсации материалов в вакууме. Аналогичные исследования проводились во многих лабораториях мира. Широкий фронт этих исследований диктовался огромными потребностями техники в оптических приборах. К сожалению, результаты достигнутые другими исследователями и на другом оборудовании не всегда полностью воспроизводились. Этому способствовало недостаточное понимание роли условий (состав и давление остаточных газов в системе, скорость испарения, температура подложек и т.д.) в процессе нанесения покрытий и большой разброс в методах подготовки материалов перед испарением в вакууме и подложек перед нанесением покрытий. Именно поэтому все результаты, полученные в других лабораториях, очень тщательно проверялись и корректировались перед тем, как использоваться в наших технологических разработках интерференционных покрытий различного назначения.

Цель работы.

Целью настоящей диссертационной работы является создание теоретической базы для разработки интерференционных фильтрующих покрытий, а также алгоритмов и методов расчёта их оптических характеристик; исследование одно- и многослойных покрытий; разработка физических основ получения интерференционных систем с заданными параметрами.

Научная новизна.

1. Развит теоретический подход к синтезу просветляющих интерференционных покрытий и на его основе впервые проанализированы фильтрующие свойства системы оптических просветленных поверхностей.

2. Построена теория блокирующих интерференционных фильтров и впервые показана малая чувствительность спектральных характеристик к углу падения излучения на фильтр и поглощению в составляющих его слоях.

3. Впервые с единых позиций проанализированы оптические свойства узкополосных диэлектрических и металлодиэлектрических фильтров и показано, что эти системы отличаются существенной чувствительностью к качеству граничных поверхностей.

4. Впервые разработаны высокоэффективные методики расчета оптических постоянных тонких интерференционных плёнок.

5. Впервые предложена и апробирована математическая модель, которая описывает оптические свойства нарушенного слоя на поверхности массивной подложки, возникающего за счет механических воздействий при её получении.

Практическая ценность работы.

Полученные в работе теоретические и экспериментальные результаты позволили создать базу для решения ряда крупных задач в области оптического приборостроения:

- выделение спектральных областей в оптических приборах различного назначения;

- создание новых элементов мощных лазерных систем;

- создание технологии изготовления интерференционных покрытий.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Система просветленных оптических поверхностей обладает свойством фильтрации проходящего излучения; методы расчета состава просветляющих покрытий.

2. Введение огибающих спектральной прозрачности позволяет описать оптические свойства блокирующих фильтров; оптимизация прозрачности блокирующего фильтра осуществляется путем выбора параметров системы, обеспечивающих заданные свойства огибающих.

3. Образование дублетной структуры полосы пропускания узкополосных фильтров в наклонных пучках излучения обусловлено различием отражения 8и р-компонент излучения от зеркал резонатора; устранение дублетной структуры полосы пропускания узкополосного фильтра в наклонном пучке излучения осуществляется путем специального выбора показателя преломления резонансного слоя.

4. Обеспечить сохранение спектральных свойств узкополосных фильтров в сходящихся пучках излучения возможно:

- специальным распределением толщины всех слоев по поверхности фильтра;

- специальным выбором показателей преломления всех слоев фильтра.

5. Физическая модель влияния шероховатости поверхностей слоев и подложки на полуширину полосы прозрачности фильтра и его максимальное пропускание.

6. Физическая модель фильтрации излучения металлическим слоем, находящимся в узле стоячей волны.

7. Анализ огибающих к спектральной прозрачности диэлектрической или полупроводниковой плёнки в сочетании с методами эллипсометрии и МНПВО позволяет повысить точность расчета оптических постоянных плёнок и измерить малое поглощение в них.

8. Механическая обработка поверхности подложки приводит к появлению оптической неоднородности, средний размер которой экспоненциально уменьшается с удалением от поверхности вглубь материала; экспериментальные методы определения параметров неоднородного слоя.

Внедрение.

Все результаты, полученные автором при проведении работы, внедрены в производство ФНПЦ ГИПО.

Личный вклад автора.

Автору принадлежат постановка задач, нахождение методов и путей их решения; развитие и обоснование экспериментальных методик; получение, интерпретация и обобщение данных экспериментальных и теоретических исследований.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы легли в основу многих технологических разработок лаборатории вакуумных покрытий ФНПЦ ГИПО по созданию интерференционных покрытий для приборов, выпускавшихся в институте и отрасли. Успешное выполнение этих работ достаточно полно характеризует проведенные исследования.

Кроме того, основные материалы работы докладывались на: VI1 Симпозиуме по физическим свойствам и электронному строению переходных металлов и соединений (Киев, 1969г.); V Всесоюзной научно - технической конференции «Новые разработки и исследования струйных, механических, электрофизических, сорбционных и других типов вакуумных насосов» (Казань, 1972г.); Всесоюзной конференции "Теория и практика алмазной абразивной обработки деталей приборов и машин" (Москва, 1973 г.); Всесоюзном семинаре "Методы синтеза и применение многослойных интерференционных систем" (Москва, 1984 г.); VI1 Всесоюзной конференции по физике вакуумного ультрафиолета и его взаимодействию с веществом ВУФ-86 (Эзерниеки, 1986г.); Всесоюзных конференциях "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва, 1986г. и 1988г.); IV Всесоюзной конференции «Эллипсометрия - метод исследования поверхности твердых тел» (Новосибирск 1989г.); VI Всесоюзном совещании «Применение металлоорганических соединений для получения неорганических покрытий и материалов» (Нижний Новгород 1991г.); отраслевых совещаниях по новым покрытиям и оптической технологии (Москва, 1976, 1977, 1979, 1980, 1981гг.) и первом отраслевом семинаре "Автоматизация оптических приборов" (Ленинград 1987г.).

Публикации.

Список трудов автора по теме диссертации включает 81 сообщение. Из них 2 авторских свидетельства, 4 аналитических обзора, 1 отчет по гранту АНТ.