Лучевая прочность диэлектрических покрытий в диапазоне длин волн 0,25...1.06 мкм тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

Государственный оптический институт имени С.И.Вавилова"

Л ------------------------На правах рукописи

РГБ ОД УДК 535.21:621.373.826

• 9ЬВ 1996

СВЕЧНИКОВМихашгБорисович -

УЧЕВАЯ ПРОЧНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ В ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН 0,25...1.06 мкм

---01.04.21.-. лазерная физика--------

АВТОРЕФЕРАТ —диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

"Государственный оптический институт имени С.И.Вавилова"

На правах рукописи УДК 535.21:621.373.826

СВЕЧНИКОВ Михаил Борисович

ЛУЧЕВАЯ ПРОЧНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ В ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН 0,25...1.06 мкм

01.04.21- лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в ВНЦ "Государственный оптический институт им.С.И.Вавилова"

Научный руководитель: член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук профессор А.М.Бонч-Бруевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор Я.А.Имас

кандидат физико-математических наук доцент Г.Д.Шандыбина

Ведущая организация: СПб Государственная академия

аэрокосмического ¡приборостроения

пл ;г, л-)^

Защита состоится ' 1995 г. в ^ час. на

заседании специализированного совета К 105.01.01 во Всероссийском научном центре 'ТОЙ им. С.И.Вавилова" (100034, Санкт-Петербург, Биржевая линия, 12).

С книгой можно познакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан W У 1995 г. Ученый секретарь специализированного совета

кандидат физико-математических наук И.Н.Абрамова

о ВНЦ "Государственный оптический институт им. С.И.Бавшюва",1935

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ. Создание все более мощных и надежных лазеров, особенно твердотельных, невозможно без обеспечения лучевой прочности (ЛП) многочисленных оптических элементов с различными диэлектрическими покрытиями (Ш). Поскольку пороги разрушения (ПР) высокоотражащих (HR) и просветлящих (АН) покрытий, интерференционных фильтров, светоделителей, поляризаторов в большинстве случаев заметно ниже объемной прочности прозрачных материалов, именно их разрушение или дане повреждение нередко лимитирует работоспособность всего оптического тракта. Поэтому задача получения высокостойких к лазерному излучению (ЛИ) ДП, немыслимая без детального изучения процессов их разрушения, постоянно, на протяжении более 20 лет, остается весьма актуальной.

К первым работам, выполненным на длине волны рубинового, а затем - первой гармоники неодамового лазера, в 80-е годы добавилось значительное число публикаций о ЛП покрытий, устойчивых к мощному излучению в УФ области спектра, что объясняется тенденцией перехода к высоким гармоникам М-лазера и растущим интересом к эксшерным лазерам.

И все же, несмотря на многолетние исследования и значительный (свыше 200) объем опубликованных экспериментальных и теоретических работ, сложная природа пленок, многочисленность не всегда точно контролируемых физико-технологических параметров при их изготовлении, разнообразив условий облучения при отсутствии должной стандартизации прочностных испытаний, дв лапт и сегодня проблему лазерного разрушения ДП далеко не решенной. Результаты работ, разбросанных в различных, порой труднодоступных, источниках, плохо сопоставимы или даже противоречивы.

Видимо, указанные трудности при изучении процессов разрушения ДП под действием мощных лазерных импульсов объясняют отчасти и тот факт, что до сих пор ни в мировой, ни в отечественной литературе нет монографии или достаточно полного справочного издания, в котором были бы сведены воедино многочисленные экспериментальные результаты и сделаны необходимые обобщения, отранащие как достигнутый уровень в этой важной

области квантовой электроники, так и тенденции и перспективы ее развития. Предпринятая автором работа, вкдючащая все основные аспекты лазерного разрушения ДП, является, таким образом, первой попыткой такого рода.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ явилось установление основных закономерностей разрушения тонких диэлектрических пленок и многослойных интерференционных покрытий под действием импульсного излучения твердотельных и эксимерных лазеров, работавдих в диапазоне длин волн 1,06...0,25 мкм. Эта задача решалась как путем выполнения оригинальных исследований, так и систематизацией и обобщением большого массива опубликованных работ. Кроме того, ставилась цель подобрать теоретическую модель, наиболее адекватно описывавдую выявленные закономерности.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА;

1. Установлен рад общих закономерностей лазерного разрушения ДП в зависимости от их физико-технологических и конструктивных параметров.

2. Исходя из особенностей микроструктуры тонких диэлектрических пленок, получаемых, в основном, методом электронно-лучевого испарения (ЭЛИ), нашло объяснение большинство экспериментальных результатов, связанных с условиями изготовления пленок, их толщиной, морфологией зон повреждения.

3. Предложено объяснение некоторым результатам и выводам, опубликованным в периодической литературе, но не нашедшим подтверждения в дальнейшем, таким как независимость ЛП пленок Т102 от их структуры, феноменальный рост ПР тонких оксидных (особенно 5Ю2 и 1т02) пленок, нанесенных на предварительно обработанные излучением СО^-лазера подложки, значительное увеличение лучевой стойкости пленок, помещенных в атмосферу электроотрицательных газов.

4. Определен характер изменения ПР ДП различного назначения в зависимости от длительности лазерных импульсов, длины волны, размера фокального пятна, модовой структуры излучения и выполнены соответствущие численные оценки.

5. Найденные экспериментальные зависимости сопоставлены с существухщими теоретическими моделями и показано, что большинство этих зависимостей можно удовлетворительно объяснить тепловой

моделью, основанной на поглощении ЛИ микронеоднородностями

*

(включениями), присутствующими в пленках.

6. Показано, что противоречивость результатов и выводов, сделанных ранее при исследовании многократного воздействия на один и тот не участок ДП лазерными импульсами-в-допороговом рениме, обусловлена тем, что в этих случаях, в зависимости от характера покрытий и условий облучения, могут иметь место три механизма, стюсюбствущие иж упрочнению облучаемого участка (аффект лазерной очистки), или его постепенной деградации (усталостное разрушение).

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ заключается в возможности использования ее результатов:

-технологами, работающими в области тонких пленок для лазерного применения;

-оптиками-конструкторами и разработчиками новых лазерных систем;

-эксплуатационниками мощных лазерных установок; -физиками, специализирущимися в области взаимодействия ЛИ с прозрачными средами.

ЛИЧНЫИ ВКЛАД АВТОРА, помимо отбора, систематизации, анализа и обобщения экспериментальных результатов, полученных в различных лабораториях мира, состоит в выполнении им исследований, нашедших отражение в настоящей работе и связанных с ролью микронеоднородностей в повреждении ДП; ЛП двухслойных и многослойных ДП с различными толщинами слоев и их чередованием; зависимостью ПР однослойных пленок ТЮ2 от толщины и различных технологических параметров; эволюцией микронеоднородностей ДП при допороговых режимах облучения; разрушением ДП на основе дауоксидов циркония и кремния в режиме одночастотных наносекундных импульсов; временными, спектральными и размерными зависимостями ПР многослойных ДП;изучением механизмов оптического пробоя ДП из тугоплавких окислов и сульфид-фторидов по морфологии зон повреждения.

АПРОБАЦИИ РАБОТЫ. Отдельные результаты, включенные в настоящую работу, докладывались на 1У-У1 Всесоюзных конференциях по нерёэонансному взаимодействию оптического излучения с веществом соответственно в 1978, 1981 и 1984 г.г., на I и II Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров" в 1977 и 1980 гг.

ПУБЛИКАЦИИ. Результаты, полученные автором и использованные

в представляемой к защите книге, опубликованы в 7 печатных работах.

СТРУКТУРА И ОВЬЕМ РАБОТЫ. Книга состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Полный объем работы составляет 13,5 уч.-изд. листов (213 стр), она содержит 27 таблиц, 72 рисунка и библиографию из 248 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВКДКНИИ обоснована актуальность исследований лазерного разрушения ДП, применяемых в сиговой оптике, перечислены различные факторы, влшшцие на величину ПР тонких пленок, подчеркнута необходимость систематизации и анализа многочисленных и нередко противоречивых экспериментальных данных, опубликованных в различных источниках. Важное место во введении занимаю1 вопросы методического и терминологического характера, связанные со стандартизацией испытаний ЛП ДП, и способствуюцие сопоставлению результатов, полученных в различных лабораториях.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ, содержащей 4 раздела, подробно рассмотрена связь различных физических характеристик тонкопленочных материалов, их микроструктуры и условий изготовления, а также конструкции всевозможных интерференционных покрытий, с их ЛП.

Исследованная в п.1.1 связь оптических и теплофизических параметров диэлектрических материалов в виде тонких пленок с их ЛП, измеренной различными авторами на первых 4-х гармониках N(1-лазера, а также на длине волны 0,69 мкм (рубиновый лазер) и 0,248 мкм (аксимерный лазер Кг?), позволила сделать следущие выводы:

I. Предпринятые до настоящего времени попытки связать ЛП диэлектрической пленки с той или иной фундаментальной характеристикой тонкопленочного материала при современном состоянии технологии приготовления пленок оказались, за редким исключением, малоаффективными. Отдельные успехи в этой области ограничены или частью материалов, на которые распространяются те или иные зависимости, или параметрами лазерных импульсов. Так, отчетливая связь между ПР однослойных (полуволновых) пленок из оксидов и фторидов и их поглощением наблюдается лишь в УФ области. .

б

2. Тенденция, впервые обнаруженная на х = 0,69 мкм и показыващая, что пленки с меньшим показателем преломления обладают более высокой ЛИ, в основном, неоднократно подтверждалась. Во всяком случае, для пленок с самым низким п (Из?2> йЮд, и для пленок с самым высоким п (Т102, Се02,

гп5) эта связь носит универсальный характер безотносительно к длине волны, длительности импульса и месту изготовления.

Основным методом производства ДП для силовой оптики в настоящее время служит метод ЭЛИ в вакуумных установках, заменивший термическое напыление в вакууме, широко практиковавшееся в первые годы развития лазерной техники для изготовления сульфид-фторидных покрытий. В п.1.г рассмотрены работы, исследующие связь ЛП, в основном, электронно-лучевых покрытий с важнейшими технологическими параметрами и условиями их получения, а также некоторыми механическими свойствами ДП, зависящими в той или иной степени от этих условий. При этом наиболее полному и критическому анализу подвергнуты результаты работ, в которых сообщалось о получении ДП с прочностью, многократно превышавдей средние величины.

Основные выводы этого раздела:

1. Материал подложек (различные марки стекол, плавленый кварц и т.п.) обычно не оказывает влияния на ЛП ДП.

2. Суперполировка подложек позволяет повысить ЛП АН-покрытий до 1,5...2 раз. Феноменальный рост ЛП тонких оксидных пленок, нанесенных на обработанную С02-лазером подложку без развакуумирования камеры напылителъной установки, по-видимому, лишь частично объясним образованием прочных химических связей между поверхностью подложки и напыляемой пленкой. Существенным явилось и довольно низкое значение ПР пленок, наносимых на стандартно полированные подложки, что указывает на присутствие углеводородных загрязнений в камере.

3. Ненагретые или умеренно нагретые подложки предпочтительнее для получения прочных ДП, предназначенных для первых двух гармоник Ый-лазера, тогда как в УФ области, особенно на \=0,355 мкм, более прочными оказываются покрытия, наносимые на горячие (Тп=250...300 °С) подложки.

4. Оптимальное парциальное давление кислорода для получения прочных пленок из тугоплавких окислов методом реактивного

испарения может варьироваться в достаточно широких пределах (Ю-4.. .10~Бмм рт.ст.) в зависимости от испаряемых материалов, температуры подложек и скорости осаждения слоев, которая не должна превышать нескольких ангстрем в секунду. Более точные значения этих параметров для получения высокостехиометричных пленок с максимально возможной ЛП можно подобрать лишь опытным путем.

5. Устойчивой корреляции между ЛП ДП и такими механическими свойствами пленок, как адгезия или внутренние напряжения, не обнаружено, хотя в раде случаев их роль в лазерном разрушении ДП не вызывает сомнений. Отжиг покрытий, способствуй®® заметному снятию напряжений, также не приводит к устойчивому повышению ПР. Напротив, в раде работ зафиксированы случаи некоторого снижения прочности отожженных на воздухе при Т = 250...300 °С покрытий из тугоплавких окислов.

В п.1.3 приводится углубленный анализ работ, посвященных особенностям микроструктуры ДП для оптического применения. Как следует из результатов электронно-микроскопических исследований, подавляющее большинство как отдельных диэлектрических слоев, так и многослойных покрытий на их основе, состоят из достаточно плотно упакованных столбцов со средним диаметром ¿ 100 А, между которыми находятся пустоты - такав столбчатого вида, но с меньшим диаметром. Поскольку столбчатая структура тонких пленок во многом определяется поверхностной подвижностью конденсируицихся на подложке частиц, она весьма зависима от различных физико-технологических параметров, а также от толщины слоев. Из рассмотренных работ следует также, что многочисленные дефекты в ДП чаще всего является не инородными включениями, а структурными нарушениями, достигающими порой микронных размеров.

Представленные сведения об особенностях микроструктуры ДП позволяют на качественном уровне объяснить большинство эмпирических зависимостей и отдельных результатов, рассмотренных в предыдущем разделе, и сформулировать ряд требований, которых следует придерживаться для создания оптических покрытий с низкой дефектностью структуры. Эти требования касаются состояния поверхности подложки и ев температуры, принятия мер против брызг распыляемого материала или молекулярных сгустков больше определенного размера, скорости осаждения сдоев, остаточного

давления в вакуумной камере и отсутствия в ней загрязнений.

В п. 1.4 всесторонне анализируется связь ЛП многослойных ДП с их конструкцией, - т.е. с оптической толщиной, -количеством- и взаимным расположением отдельных слоев.

Основные результаты, достигнутые к настоящему времени на пути поиска наиболее прочных конструкций ДП различного назначения, согласно проведенному в этом разделе анализу, сводятся к следующим моментам:

1. ЛП тонких диэлектрических пленок на основе фторидов в сильной степени зависит от толщины, увеличиваясь с ее уменьшением, что особенно характерно для первых двух гармоник N¿1-лазера. Напротив, ПР пленок из тугоплавких окислов мало чувствительны к толщине слоя.

2. Добавление внешних (защитных) полуволновых слоев из двуокиси кремния повышает ЛП Яй-покрытий как на х=1,06 мкм (в средаем в 1,5 раза), так и на ^=0,25 мкм (до двух раз). В последнем случав несколько предпочтительнее использование защитных слоев из фторида магния. Однако на х=0,35 мкм применение защитных слоев не ведет к росту ЛП, а в отдельных случаях даже способствует ее снижению. На этой длине волны поднять ПР (в режиме наносекундного импульса) в 1,5...2 раза удалось лишь путем соответствущего изменения толщины нескольких внешних слоев.

3. Максимальные ПР у Ай-покрытий достигаются предварительным нанесением на суперполированные подложки грунтовочного (барьерного) >./2-елоя 5102. Неэффективно применение барьерных слоев лишь на ^=0,35 мкм.

4. ЛП интерференционных поляризаторов обычно ниже, чем НЕ-покрытий, и сравнима с прочностью Ай-покрытий. ПР для а- и р-поляризации падающего излучения в среднем близки, исключая очень короткие (несколько пикосекунд) импульсы, когда ПР поляризаторов лимитируются параллельной составляющей.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ представлен анализ экспериментальных зависимостей ПР ДП от различных параметров ЛИ, которому предпослано сжатое рассмотрение трех основных теоретических моделей лазерного разрушения прозрачных диэлектриков: лавинной ионизации, многофотонной ионизации и тепловой модели, учитывающей роль в инициировании повреждения прозрачных сред поглощащих микронеоднородюстей (п.2.1).

Отмечается, что в настоящее время ни один из теоретических подходов не позволяет рассчитать ПР ДП, что вызвано отсутствием необходимых данных или о зонной структуре многих материалов в виде пленок, или о типе, размере, расцределении неоднородностей (примесных или структурных) в материале пленки. Следовательно, лишь сопоставление каждой из трех моделей с экспериментальными зависимостями, в первую очередь - зависимостями ПР от длительности импульса 0<ти) и от длины волны ЛИ 0(>0, а также исследование предсказывавдих возможностей этих моделей может помочь ответить на основной вопрос: как происходит поглощение анергии ЛИ в тонких диэлектрических пленках.

В п.2.2 после анализа временных зависимостей ПР ДП, полученных экспериментальным путем различными исследователями, и сопоставления их с теоретическими моделями, делаются два основных вывода:

1. ПР отдельных образцов, измеренные на трех (или более) ти в наносекундам диапазоне, относительно хорошо описываются простым степенным законом О^т®, но при переходе от образца к образцу величина ш может меняться в широких пределах от О до 0,77. Следовательно, экстраполяция пороговых значений, полученных для конкретных ти, затруднена даже для однотипных покрытий, не говоря уже о переходе к другим конструкциям и материалам.

2. Большой разброс величины ш, характеризующей ход временной зависимости ПР ДП, не позволяет определенно судить о механизме, отвественном за лазерное разрушение тонких пленок. Можно лишь отметить, что тепловая модель лучше согласуется с большинством экспериментальных данных, поскольку предсказывает более слабую зависимость Од от ти, тогда как в моделях лавинной и многофотонной ионизации зависимость 0п(ти) блине к линейной. Последнее замечание относится не только к нано-, но и пикосекундному интервалу длительностей импульсов.

В п.2.3 рассмотрены результаты работ, в той или иной степени характеризующих спектральные зависимости ПР ДП, включая отдельные слои с различной оптической толщиной, многослойные Ай-и ГО-покрытия, в том числе - двухголосные (бихроматические), а также УФ покрытия, предназначенные для эксимерных лазеров или для работы с 3-й и 4-ой гармоникамии Щ-лазера. Итогом проведенного рассмотрения являются следувдие заключения:

ю

1. При анализе спектральных зависимостей ПР тонких диэлектрических пленок следует учитывать эффекты, связанные с уменьшением их оптической толщины при переходе к более коротким длинам волн, что наиболее суцестзешю для~ покрытий, содержащих слои на основе фторидов.

2. В наносекундном интервале ти наблвдается падение ПР с уменьшением длины волны почти у всех пленок, причем небольшое падение порога на второй гармонике объясняется ролью поглощающих неоднородностей в развитии тепловых процессов, а значительный (до 3.. .5 раз) спад в УФ области - также и возможностью многофотонного (в основном - двухфотонного) и даже однофотонного поглощения Ж.

3. В пикосекунднон интервале ти на второй гармонике Ш-лазера наблвдается повышение пороговой напряженности электрического поля по сравнению с х=1,06 мкм, что указывает на собственный механизм пробоя пленок из окислов металлов (Т102, гг02, асо2) и Б102 благодаря возникновению электронной лавины.

4. Анализ опубликованных работ указывает на то, что многослойные покрытия на основе слоев Ът02/ЗЮ2 при оптимальной технологии их напыления могут иметь близкие пороги на первых двух гармониках неодимового лазера, тогда как в большинстве случаев ДП на >--0,53 мкм обладают более низкими ПР, чем на \=1,06 мкм (в 1,5...2 раза).

5. В УФ диапазоне (х=0,248 мкм) самыми прочными являются пленки из Э102 и превосходя в 2 раза поверхностную прочность плавленого кварца. Эти же пленки обладают максимальной прочностью и в области 1,06...о,53 мкм.

6. Наиболее прочными НЛ-покрытиями на х=0,248 мкм к настоящему времени являются четвертьволновые стош из 5с203 и М£Р2 с защитным х/2-слоем М&?2. Для получения прочных Ай-гокрытий для этой длины волны можно использовать комбинации слоев 5с203/5102 ИЛИ Б102/Н&2-

7. Максимальная ЛП высокоотражащих покрытий, рассчитанных для работы на 3-ей гармонике Ш-лазера (ти=1 не), в настоящее время достигнута с применением слоев 8с203/Ы§?2/5102 путем уменьшения оптической толщины двух внешних слоев 5с203 за счет соответствувдего увеличения толщины слоев Мё?2. Лучшие результаты для АН-покрытий на х=0,355 мкм также получены с использованием

слоев 5с203 и М£Р2. »

8. Результаты, указывающие на связь определенных характеристик однослойных пленок с их ПР в УФ области спектра, нельзя автоматически переносить'на многослойные конструкции.

9. Некоторые методы и приемы, связанные с повышением Ж ДП на основной гармонике Ий-лазера, могут быть неэффективными в УФ области, особенно на х=0,355 мкм, что пока не нашло приемлемого объяснения.

П.2.4 посвящен размерным эффектам, т.е. зависимостям ПР от размера фокального пятна (облучаемого участка), изучение которых позволяет судить как о степени "дефектности" ДП и их предельной прочности, так и о правомерности переноса результатов пороговых измерений, проводимых на небольших (менее I мм) пятнах, в область пучков ЛИ значительно большего диаметра.

Из представленных данных следует:

1. Размерная зависимость ПР тонких пленок и многослойных ДП обусловлена вероятностью попадания в пятно облучения гоглощащих микронеоднородностей, случайным образом распределенных ш размерам и по толщине покрытия, что подтверждает статистический характер лучевого разрушения прозрачных диэлектриков.

2. Размерная зависимость наблвдается в широком интервале изменения лазерных параметров для всех тонкопленочных материалов.

3. Особенно рельефно размерный эффект проявляется на небольших фокальных пятнах диаметром 0,1...О,5 мм, когда, в первом приближении, можно считать, что величина ПР (определяемая чаще всего как плотность энергии или мощности в пятне, средняя между максимальной, при которой повреждения не наблвдаются, и минимальной, при которой повреждения еще могут иметь место) меняется обратно пропорционально размеру пятна. Перегиб большинства размерных кривых в этом интервале объясняется, по всей вероятности, близкими величинами концентраций поглощавдих неоднородностей, равными для типичных ДП Ю4...Ю5 см-2.

4. Для корректного сопоставления ЛП покрытий, изготовленных или испытанных в различных местах, предпочтительно проводить облучения на пятнах диаметром не менее I мм. В этом случае для получения надежной информации о величине ПР достаточно 6.. .8 измерений.

5. При использовании небольших пятен диаметром 0,5 мм и

менее, желательно определять ПР как максимальную плотность анергии (мощности), на которой видимых повреадений покрытия не происходит. В этом случае величина порога не зависит от диаметра фокального пятна, но для его корректного измерения требуется значительная статистика - не менее 60...80 облучений на образец.

6.На пятнах диаметром менее 50 мкм, когда вероятность попадания на микронеодаородность с повышенным поглощением Ж мала, происходит однородное (сплошное) разрушение облучаемого участка, но пороговая плотность энергии в таких случаях в несколько раз превосходит величину ПР на больших ( I мм) пятнах. Механизм поглощения ЛИ здесь не до конца ясен. Наиболее вероятной представляется ситуация, когда столь высокая плотность энергии является пороговой для менее тглощащих, но более многочисленных дефектов структуры пленки (узелков). В результате можно наблюдать или сплошное разрушение "ячеистого" типа, или вспучивание верхнего слоя облученного участка ДП, вызванное равномерным прогревом, приводящим к высоким термоупругим напряжениям.

В п.2.5 рассмотрено влияние модовой структуры ЛИ на величину ПР ДП. На основании анализа опубликованных в печати экспериментальных данных, полученных в много- и одномодовом режимах генерации Ш-лазера, в том числе и в режиме с одной продольной модой (одночастотное излучение), сделано два вывода.

Во-первых, многомодовый состав излучения приводит к понижению порогов ДП по сравнению с одномодовым. В большей степени это относится к Ай-покрытиям - здесь в наносекундном диапазоне длительностей импульсов разница в порогах достигает трех раз, в меньшей - к НИ-покрытиям (до двух раз).

Во-вторых, зависимость ПР диэлектрических пленок от количества продольных мод в импульсе с одной поперечной модой отчетливо не проявляется, особенно на достаточно больших пятнах. На малых пятнах диаметре»! менее 50 мкм ПР в одночастотном режиме, возможно, несколько выше, чем в одномодовом, да окончательный вывод можно будет сделать лишь после постановки специальных экспериментов.

В п.2.6 обсуждаются вопросы, связанные с лучевой стойкостью, т.е. с многократным допороговым облучением ДП, применяемых в силовой оптике в спектральном диапазоне 1,06...0,25 мкм, и являвдиеся недостаточно изученными и наиболее противоречивши.

Эти противоречия, как показано в работе, обусловлены тем, что при многократном импульсном воздействии могут иметь место, как минимум, три механизма, в той или иной степени влиявдие на лучевую стойкость многослойных покрытий.

Первый механизм связан с эволюцией микронеоднородностей, способствующей "накоплению" микроразрушений, что ведет к значительному ( в 3 раза) снижению ПР при многократном облучении одного и того же участка покрытия ш сравнению с порогом, характеризующим прочность ДП при однократном воздействии. Наиболее отчетливо этот механизм проявляется при облучении сульфид-фторидных покрытий и обусловлен термохимическими процессами вследствие разогрева окружающего поглощающую микронеодаородность участка ДП.

Второй механизм связан с десорбцией легко улетучиваемых загрязнений (вода, органические соединения и т.п.), расположенных вблизи поверхности ДП. В результате многократного облучения допороговыми импульсами "однократный" порог может слегка увеличиться, что особенно характерно для относительно пористых поверхностей. Однако большинство фактов указывает на кратковременность этого аффекта, называемого лазерной очисткой.

Третий механизм связан с присутствием воды внутри ДП и на границе с подложкой. В этих, весьма редких случаях, обусловленных различными нарушениями технологии нанесения слоев, наблюдается усталостное разрушение, порог которого экспоненциально уменьшается с количеством воздействующих импульсов, оказываясь в несколько раз ниже однократного порога.

Необходимо иметь в виду, что аффекты, связанные с облучением одного и того ке участка покрытия серией импульсов с неизменной плотностью анергии (мощности), могут накладываться на эффекты, обусловленные модовой структурой ЛИ. По-видимому, именно этим можно объяснить неоднозначность результатов, полученных в ряде работ по многократному облучению ДП на основе тугоплавких окислов, поскольку их авторами использовался многомодовый лазер.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ содержится анализ немногочисленных работ по изучению влияния внешних факторов на ЛП диэлектрических пленок. В ату же главу включен раздел, в котором собраны рекомендации ш стандартизации испытаний ДП на ЛП.

В п.3.1 рассматривается изменение ПР пленок, помещенных в атмосферу различных газов, в основном - обладающих высокой электрической прочностью, обусловленной электроотрицательными свойствами фтора, а также в вакуум. - Делается вывод, что до сих пор не получено убедительных экспериментальных доказательств того, что ЛП тонких диэлектрических пленок заметно меняется при помещении их в вакуум, в атмосферу азота или электроотрицательных газов при различных давлениях.

В п.3.2 отмечено, что какой-либо деградации покрытий, приготовленных вакуумным напылением из наиболее распространенных материалов (ЕпБ, МёР2, 510^, 2гОа), при погружении их в

различные жидкости (вода, этиловый и метиловый спирты, бензол, ацетон и т.п.), а также снижения ЛП не происходит. Вода может явиться причиной заметного понижения лучевой стойкости некоторых пленок (например, ТЬР4, криолит), но, как отмечалось выше (п.2.6), лишь в случаях ее присутствия в глубинных слоях ДП, что вызвано не влиянием окружающей среды, а серьезными нарушениями технологии их производства.

Аккумуляция лабораторной пыли поверхностью ДП (п.3.3) может в отдельных случаях в несколько раз понижать пороги их локального повреждения. Катастрофическое разрушение всей площади облучаемого участка наблюдалось лишь при очень высокой концентрации пылинок, размеры которых превосходят критические , зависящие от длительности лазерных импульсов. Поэтому перед эксплуатацией ДП (в первую очередь - просветлящих покрытий модуляторов, интенсивно притяптвавдих пыль) необходимо принимать профилактические меры: обдув сухим азотом, мытье чистым спиртом, протирка оптической тканью или бумагой, осмотр поверхности при сильном освещении белым светом. При длительном хранении желательна консервация с помощью, например, защитной пленки на основе жидких полимеров.

Из данных, представленных в п.3.4, следует, что, несмотря на наличие ряда экспериментальных наблюдений, указывавших на возможную связь между ЛП ДП на основе сульфид-фторидов и их УФ облучением некогерентными источниками, прямых доказательств подобной связи пока не обнаружено.

В заключение этой главы (п.3.5) рассмотрены рекомендации большой группы американских и европейских исследователей,

направленные на стандартизацию испытаний оптических покрытий на ЛП. Отмечается, что большинство рекомендуемых требований, включающих методические, терминологические и прочие вопросы, давно уже стали фактом и в отечественной практике и с той или иной степенью полноты затрагивается в различных разделах настоящей работы; Констатируется, что следование рекомендациям, собранным в таблицу и снабженными необходимыми, на взгляд автора, добавлениями и разьяснениями, должно способствовать прогрессу на пути создания прочных и стабильных ДП для силовой оптики.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ рассмотрены новые* технологии : и материалы, перспективные с точки зрения повышения ЛП поверхностей элементов силовой оптики в спектральной области 1,06.. .0,25 мкм. Как показал анализ, наиболее существенным достижением в 80-е года явилось создание промышленных технологий получения просветленных поверхностей стекол с плавно изменявдимся (градиентным) показателем преломления, обладающих значительно более высокой ЛП по сравнению с наименее стойкими к ЛИ традиционными AR-покрытиями, наносимыми испарением в вакууме.

В п.4.1 .содержится краткие описание химических методов обработки поверхности различных стекол, положенных в основу этих технологий. Отмечается, что наиболее эффективным для получения пористых поверхностей плотных бариевых кронов оказался метод, основанный на многочасовой выдержки стекол (типа ВК7) в специально приготовленном нейтральном растворе - так называемый метод NSP (neutral-solution processing). После сушки на поверхности образцов стекол получался прочный, механически стабильный и оптически чистый слой толщиной менее I мкм, структура которого представляла собой систему шр с радиусом 10...30 2, соединенных микроканалами. Средний показатель преломления такого слоя близок к 1,23, благодаря чему на отдельных участках спектральной области от 400 до 1300 нм удавалось достичь минимального отражения - вплоть до 0,01 Ж на х-1,06 мкм.

Испытания ЛП, проведенные на \= 1,06 и 0,53 мкм при ти=1 не, показали, что ПР этих образцов, во-первых, в 2...3 раза превышают пороги традиционных АЕ-покрытий на основе T102/S102, а, во-вторых, не изменяются при переходе на вторую гармонику Щ-лазера. Столь заметное повышение ЛП образованных на

поверхности стекла микропористых пленок по сравнению с электронно-лучевыми просветляющими покрытиями, объясняется следующими причинами:

_________а) предложенный метод включает в себя химическое травление,

приводящее к очистке поверхностного слоя стекла толщиной около I мкм, загрязненного и механически нарушенного в процессе полировки;

б) граница раздела между пористой пленкой и объемом стекла не только содержит меньше поглощающих неоднородностей, но и структурно и химически непрерывна.

Поскольку щелочно-боросшшкатнне стекла использовать в УФ области нельзя из-за двухфотонного поглощения, а KSP-метод неприменим для обработки поверхности плавленого кварца или, например, кристаллов KDP, для просветления этих материалов в последние годы созданы так называемые золь-гель пленки, описание которых содержится в п.4.2. Производство этих покрытий основано на превращении исходных коллоидных растворов (золей) в структурированные коллоидные системы (гели) с последующим нанесением на подложки, а такие, в ряде случаев, с дополнительной химической и тепловой обработкой для получения желаемых оптических свойств.

йак показывает анализ, к началу 90-х годов наиболее прочные микропористые пленки с показателем преломления 1,21...1,22, обеспечивающие высокую степень просветления оптических материалов в УФ области спектра, удалось получить , используя в качестве исходного вещества или кремнийорганическое соединение "силоксан", склонное к полимеризации, или тетраэтилсиликат, гидролиз которого в присутствии аммиака приводит к образованию коллоидной суспензии, содержащей дискретные частицы SiO^.

Лучшие экземпляры пленок обоих типов имеют1 ПР (х. =0,355 мкм, ти=1 не) в 2,5 раза выше, чем наиболее прочные АН-покрытия, приготовленные методом ЭЛИ из оксидов скандия и кремния. Приготовляемые при комнатной температуре и свободные от внутренних напряжений, пленки из тетраэтилсиликата являются, по-видимому, более универсальными, чем пленки из силоксана. У них отсутствует зависимость ПР от толщины, что позволяет приготовлять из коллоидных суспензий широкополосные просветляющие покрытия с высокой ЛП как в УФ, так и в ближней ИК областях спектра, а также

просветлять кристаллы КПР, не выдерживающие высоких температур. Минусом пленок из тетраэтилсиликата является лока большой разброс величины ПР от участка к участку, но, фильтруя суспензии для удаления больших частиц, среднее значение порога можно повысить.

В самое последнее время получены образцы однослойных пленок из смеси растворов, содержащих частицы кремнезема и силоксан. Их прочность на х = 0,355 мкм (ти=о,6 не) достигала 10 Дж/см2, что равно средней величине ПР полированной поверхности плавленого кварца. Некоторые авторы полагают, что эти смеси являются наиболее перспективными для производства широкополосных Ай-покрнтий крупных (до 80 см) оптических элементов мощных лазеров.

В заключение п.4.2 приводятся сведения о процессах изготовления и Ш микропористых пленок Т102, перспективных для создания прочных ВЕ-покрытий (в сочетании с пленками БЮ^), а также пористых АЕ-покрытий на основе фторидов.

В последнем разделе гл.4 (п.4.3) рассмотрены прочностные характеристики пленок, получаемых с помощью физических методов, освоенных полупроводниковой промышленностью, но мало распространенных в оптическом производстве. Эти методы включают использование ионных и лазерных пучков для обработки подложек и нанесения слоев, применение молекулярно-лучевой впитаксии для получения очень гладких и чистых кристаллических пленок. Отмечается, что пока пленки, полученные с помощью этих технологий, не превосходят по ЛП стандартные покрытия, а по части неоднородности и, следовательно, разброса пороговых величин, значительно им уступает.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Не останавливаясь на выводах и результатах, подробно отраженных в автореферате, отметим, что сложная природа тонких диэлектрических пленок во многом предопределила эмпирический уровень работ, направленных на изучение механизмов лазерного повреждения ДП и создание новых, более прочных, покрытий. Таким путем были подобраны наиболее стойкие тонкопленочные материалы для каждого спектрального диапазона, отработаны оптимальные условия их напыления (преимущественно методом ЭЛИ), найдены

конструктивные усовершенствования, сводящиеся в основном к напылению дополнительных слоев.

Безусловно, наиболее впечатлящим достижением на пути получения высокопрочных ДП в 80-е годя явилась замена многослойных просветлящих покрытий, наименее стойких к лазерным импульсам нано- и откосекундной длительности, либо выщелоченными. поверхностями боросиликатных стекол, либо микропористыми золь-гель пленками, особенно эффективными для просветления оптических элементов из плавленого кварца и кристаллов. Что касается многослойных зеркал, поляризаторов и пр., то в настоящее время лишь метод ЭЛИ позволяет получать не только достаточно прочные, но и относительно стехиометричные изделия.

Однако заметного прогресса на этом традиционном пути, особенно в интервале длин волн 1,06...0,53 мкм, на протяжении ряда лет не наблюдается. Отдельные сообщения о достижении высоких порогов, например, HR-гокрытий для х = 1,06 мкм, относятся, как правило, к единичным экземплярам весьма небольших образцов- свидетелей или не подтвергждаюгся из других источников.

Такое положение дел обусловлено, как подтвердил и проделанный в настоящей работе анализ различных аспектов лучевого разрушения ДП, тем, что современное состояние технологии тонких пленок во многом характеризуют дефекты, примеси, включения и пр., лимитирущие ЛП ДП. В связи с этим следует особо подчеркнуть актуальность исследований, связанных со структурными неоднородностями тонких пленок и их ролью в лазерном разрушении.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Павшуков A.B., Свечников М.Б., Тюнис В.М. О нагревании многослойных диэлектрических покрытий при воздействии излучения ОНГ// 0МП.-1974.- N 6.- С. 8-10.

2. Свечников М.Б. Лучевая прочность двухслойных химических покрытий.// 0МП.-1978.- N 10.- С. 65-66.

3. Артемьев A.A., Бонч-Бруевич A.M., Свечников М.Б. Корреляция лучевой прочности и микронеоднородностей диэлектрических покрытий. // ЖТФ.- 1978.- Т.48, N 12.- С. 2566-2569.

4. Свечников М.Б. Лучевая прочность диэлектрических зеркал с

различной оптической толщиной длоев.// ОМП,- 1981,- N 7.-С.44-46.

5. Свечников М.Б., Вахмянина Л. С. Исследование микроразрушений диэлектрических покрытий при лазерном облучении.// Квантовая электроника.- 1961.- Т.8, N 5.- С. II06-II08.

6. Свечников М.В. Лучевая прочность тонких пленок из двуокиси титана.// ОМП,- 1983.- N 2.- С. 39-41.

7. Алексеев В.Н., Свечников М.Б., Чернов В.Н. Разрушение многослойных оптических покрытий лазерным импульсом наносекундной длительности.// Квантовая электроника. - 1985.- Т.12, N 4.-С.729-738.