Влияние состояния поверхности и приповерхностного слоя на оптические свойства металлических зеркал тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

0 3 Я }

КАЗАНСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени В.И.УЛЬЯНОВА~ЛЕНИНА

На правах рукописи

ВАХИТОВ Фаат Хасаювич

ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ПРИПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ НА ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗЕРКАЛ

01.04. 05 - оптика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

КАЗАНЬ - 1992

Работа выполнена на кафедре общей физики Казанского государственного университета им.В.И.Ульянова-Ленина.

кандидат физико-математических наук, доцент ТАГИРОВ Р.Б.

доктор физико-математических наук, Лауреат Государственной премии СССР, начальник оптической лаборатории ЛИЕЕНСОН H.H.,

кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник НЕСМЕЛОВ S.A.

Ведущая организация : Институт спектроскопии Российской ака -

демии наук.

Защита состоится " 2У" С£-КГЛCßA 1992 г. в /У? на заседании специализированного Совета К 053.29.06 по присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук при Казанском государственном университете имени В.И.Ульянова-Лесника по адресу: 420006, г.Казань, ул'.Ленина, 18, физический факультет, ауд.210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного университета.

Автореферат разослан "ДО" аЛщсТс- 1992 г.

Отзывы и замечания просим направлять по адресу: 4200С6, г.Казань, ул.Ленина, 18, Ученому секретарю специали -зированного совета К 053.29.06.

Научный руководитель -

Официальные оппоненты :

Ученый секретарь спецлалисированного Совета К053.29.06

кандидат физ.-мат. наук

РОССИЙСКАЯ

ОБЩАЯ ШШЕРЖШк РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современных оптических устрой -ствах с помощью зеркальных поверхностей формируются световые потоки, интенсивности которых могут меняться в очень широких пределах. Время взаимодействия светового излучения с поверх -ностыо зеркала также может изменяться от нескольких наносекунд до многих часов. Многие отрасли науки и техники, в том числе термоядерная энергетика, металлообрабатывающая и оборонная промышленность, космонавтика, заинтересованы в повышении мощности и- энергии ОКГ.

С ростом мощности,и ресурса непрерывной работы ОКГ задача создания лазерной оптики существенно усложняется. Силовая оптика должна обладать не только необходимой механической и лучевой прочностью, но л■сверхвысоким коэффициентом отражения, так как мевду этими параметрами имеется непосредственная связь. Локальное повышение температуры, как следствие поглощения части энергии падающего излучения, приводит к температурным на -пряжениям и инициирует структурные изменения в поверхностном слое зеркала, в частности, пластические деформации. Темпера турные напряжения, приводящие к структурным изменениям, появляются задолго до достижения температуры плавления материала зеркала. В последнее время при разработке оптики для мощных ОКГ, систем формирования и фокусировки лазерного и других излучений в видимой и ИК- областях спектра все больше предпоч -тение отдается металлам, в частности Си., Дд , ТЧ , По и др.

Абсолютные значения поглощенной энергии'зависят от мощ -ности падающего излучения и коэффициента отражения зеркала. Термоупругое деформирование поверхности массивного медного

зеркала потоками лазерного излучения начинается при интенсивности примерно 40 Дяс/см*% а порог плавления составляет 58,7 ~ 8,6 Дж/см^. Одной из главных причин, сдерживающих дальнейшее повышение мощности и энергии ОКГ, является невозможность на сегодняшний день изготовления зеркал необходимого качества.

К основным факторам, определяющим качество оптической отражающей поверхности, можно отнести следующие.

I. Минимальность потерь падающего излучения, неизбежно возникающих из-за пространственного рассеяния на несовершен -ствах поверхности и диссипации в приповерхностном слое.

2; Геометрическая стабильность. Изменение первонаяальной геометрии оптической поверхности в процессе эксплуатации может обусловливаться неизотермичносгью нагрева, структурной не -стабильностью материала и так далее.

3. Долговечность, т.е. устойчивость к воздействиям как климатических, так и эксплуатационных сред и лучевая прочность.

4. Достаточная механическая прочность, позволяющая про -изводить периодические чистки, поверхности от неизбежных загрязнений при длительной и интенсивной эксплуатации.

Создание металлооптики, удовлетворяющей указанным пара -метрам, требует решения ряда сложных научно-технических задач. Для этого необходимо изучить пригодные для металлооптики материалы, теоретически и экспериментально исследовать вопросы отражения света от реальных оптических поверхностей различных металлов, решить технологические проблемы изготовления зеркальных'поверхностей и нанесения на них защитных и много -слойных интерференционных покрытий, разработать методы и аппаратуру для контроля оптических характеристик.

Одной из актуальных проблем металлооптики является проблема границы раздела сред, которой в теоретических, а часто и в экспериментальных работах уделяется недостаточное внима -ние как объекту, имеющему определенный физический.смысл. Понятие "чистая поверхность", так же как и понятие "резкая граница" между средами, является абстрактной моделью. При реше -нии практических задач необходимо рассматривать не границу раздела двух сред, а межфазовую область, состоящую из нескольких переходящих один в другой слоев. В совокупности все эти

:лои можно назвать загрязнениями поверхности. Первый слой со-;тавляют адсорбированные поверхностью оксидной пленки молеку-ш воды, углеводородов и других элементов окружающей среды, второй слой - это собственный оксид или оксиды металла и третий - приповерхностный слой с нарушенной структурой и с внедрившимися в результате физической и химической сорбции моле -сулами из окружающей среды. Как видно из сказанного, для реальных поверхностей при интерпретации результатов измерения соэффициента отражения и показателя поглощения необходимо учитывать наличие сложной слоистой•анизотропной структуры между »бъемной фазой металла и окружающей средой.

Актуальной для мёталлооптики является также задача ис -юльзования явления интерференции в многослойных покрытиях для ювышения коэффициента отражения металлических зеркал. В на-:тоящее время интерференция в тонких пленках', нанесенных на (еталлические подложки, экспериментально изучена недостаточно.

, Целью работы является экспериментальное исследование и ■еоретическое обоснование влияния на оптические свойства ме -•аллических зеркал приповерхностного слоя и слоев на поверх -юсти, возникающих при обработке, в процессе естественного ¡тарения в эксплуатационных условиях, а также тонких пленок, [аносимых на поверхность для защиты от механических повреждений и повышения коэффициента отражения.

Для достижения поставленной цели в работе решены следуйте основные задачи:

- выбраны новейшие методы для диагностики поверхности, :змерения оптических констант металла и тонких пленок;

- проведены сравнительные исследования зависимости от ->ажательной способности медных зеркал от способов изготовле -ия;

- определены оптические постоянные медных зеркал алмаз -;ого точения с приповерхностным слоем малой толщины и чистой :оверхностью и построены для них спектральные кривые;

- экспериментально исследовано влияние загрязнений зер -альной поверхности металла на оптические и механические свой-тва наносимых пленок и выработаны критерии для опрнки каче -тва пленки;

- эспериментально и теоретически изучена интерференция в прозрачных пленках, нанесенных на металлические подложки, и определены зависимости скачков фаз и положений экстремумов от способов обработки поверхности подложек.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

1. Проведены комплексные исследования оптических свойств поверхности металлических зеркал, изготовленных алмазным точе нием с применением современного и высокоточного эллипсометри-ческого метода в видимой области и нового, не нашедшего еще широкого распространения, метода поверхностных электромагнитных волн в ИК области спектра.

2. Предложен'оптимальный способ обработки поверхности массивного медного зеркала, дающий возможность получить мак -симально приближенные к объемным оптические свойства.

3. Предложена математическая аппроксимация спектральной зависимости коэффициента экстинции меди для области спектра 0,3...25 мкм, которая в сочетании с соотношением Крамерса-Кронига.для расчета показателя преломления позволяет конструи ровать спектральные кривые диэлектрической проницаемости, хорошо совпадающие по виду и по величине значений с экспериментальными. Экстремумы на этих кривых связаны с механизмами взаимодействия излучения с оптическими электронами металла.

4. Созданы экспериментальный метод и аппаратура для опре деления величины скачка фазы на границе раздела поверхности металла и диэлектрической пленки. Экспериментально определенные и теоретически рассчитанные значения скачка фазы практи -чески совпадают. Предложенный метод позволяет непосредственно в-процессе нанесения пленки учитывать поправку к оптической толщине'на фазовый сдвиг для первых интерференционных' экстремумов при изготовлении высокоогражающих металл-диэлектрически: систем.'

5. Предложены экспериментальные методы для определения показателя преломления, геометрической, оптической толщины и коэффициента дефектности прозрачньк: пленок, нанесенных на металлические подложки,

Научное и практическое значение. Измеренные в видимой и .ИК областях спектра значения оптических постоянных меди и пре,

юженная математическая аппроксимация спектральной зависимости коэффициента экстинции позволяют в сочетании с соотноше -даем Крамерса-Кронига построить для широкого диапазона длин золн спектральные кривые П и К , хорошо согласующиеся с экспериментальными кривыми, которые можно построить по изме -эенным данным, только для отдельных участков спектра. Это позволяет более полно изучить механизмы взаимодействия электромагнитного излучения с электронами ызталла, так как можно,ис-лольэуя комбинации И и К , построить для действительной £,=•- п2- к2 к мншой£д-2аК частей диэлектрической проницаемости спектральные кривые в широком диапазоне длин волн, на которых более четко, чем на кривых отражения, выражены моменты вклю -чения этих механизмов.

Определены значения плазменной частоты меди и алюминия по измеренным значениям длины пробега поверхностных электро -магнитных волн у образцов, имеющих, благодаря алмазному точению и отжигу, близкие к объемным физические' свойства поверхности .

Разработанный метод и созданная аппаратура, позволяющие при измерении оптической толщины наносимых пленок вносить поправку, учитывающую величину скачка фазы на границе раздела металла и пленки, дают возможность нанесения интерференциок -ных покрытий, повышающих коэффициент отражения металлических зеркал.

Разработанный метод определения коэффициента дефектности позволяет связать качество пленки с чистотой подложки- и бы -брать оптимальные способы очистки подложки для получения пленок требуемого качества. -

Разработанные методы, созданная аппаратура и установки для измерения оптических констант металла, пленок и толщины наносимых на металлические подложки пленок,нашли практическое применение в производственных условиях при решении вопросов, связанных с изготовлением высоноогражающих и надежных в экс -плуатации металлических зеркал для технологических лазеров.

На защиту выносятся следующие основные положения:

I. Комплексный метод получения наибольшего коэффициента отражения в видимой и ПК областях спектра и отличительные осо-

бенности в спектральной зависимости коэффициента отражения для медных зеркал.

2. Способ аппроксимации спектральной зависимости козфф1 циента экстинции меди для области О,Ж...35 мкм, позволив® экстраполировать спектральную кривую на всю область от ну; до бесконечности, применить соотношение Крамерса-Кронига д; получения значений показателя преломления и построить из коь бинации значений коэффициента экстинции и показателя прелом ления спектральную кривую для мнимой части диэлектрической проницаемости.

3. Экспериментальные методы для определения:

а) значений скачка фазы на границе раздела поверхностей металла и пленки;

б) показателя преломления, геометрической и оптической толщины прозрачных пленок, нанесенных на металлические подло ки;

в) коэффициента дефектности пленки, зависящего от степе ни загрязненности подложки, на которую эта пленка нанесена.

■4. Улучшенный калориметрический метод определения потер в системах металл-пленка, вызванных дифракционным рассеянием падающего излучения на квазипериодических структурах металл» ческой подложки.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докла • давались на Всесоюзном симпозиуме по вакуумной технике и тех нологии (Казань, 1961), Втором республиканском семинаре т физике тонких пленок (Ивано-Франковск, 1980), У1 Всесоюзной научно-технической конференции по фотометрии и метрологичес ■ кому обеспечению (Москва, 1986), Всесоюзной научно-техничес -кой конфербнции "Вакуум-91" (Казань, 1991), семинаре Физико • технического института Казанского научного центра АН СССР (Кг зань, 1992) и на ежегодных итоговых научных конференциях Казанского государственного университета (Казань, 1885-1991).

По материалам диссертации опубликовано 10 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введе -ния, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы. Она содержит 210 страниц основного машинописного текста, 33 рисунка, 8 таблиц и. 10? наименований литературных источников.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования оптических свойств металлических зеркал и тонких пленок, нанесенных на их поверхность для защиты от механических повреждений и для увеличения коэффициента отражения. Сформулированы цель, задачи и новизна исследований, основные положения, выносимые на защиту. Кратко изложено содержание каждой главы диссерта -ции.

В первой главе, на основе выборочного отбора опубликованных работ сделан анализ теоретических аспектов металлооптики, связанных со структурой поверхности металла и с тонкими слоями и пленками, которые возникают на ней в процессе изготовле-. ния, в результате окисления и воздействия окружающей среды. Рассмотрены вопросы, касающиеся физических величин, описывающих взаимодействие электромагнитного излучения с металлом на микро- и макроуровнях, обсулздаются методы определения оптических свойств металла, основанные на измерении коэффициента отражения.

Проведенный анализ отечественных и зарубежных литературных источников показывает уровень достигнутого понимания ос новных физических механизмов взаимодействия оптического излучения с электронами металла и свидетельствует о том, что ряд важных задач металлооптики остается нерешенным. В частности, это относится к бесстолкновйтельному_механизму поглощения металлами падающего излучения. Для выяснений физической природы этого явления необходимо проведение более тонких эксперимен -тов с металлическими образцами, оптические свойства которых не искажены структурными дефектами приповерхностного слоя.

Имеющиеся теоретические модели позволяют выделить и оценить вклады,вносимые в отражательную и поглощагельную способности объемом, приповерхностным слоем металла и тонкими пленками на его поверхности. Однако повшенные требования, предъявляемые к металлическим зеркалам в настоящее время» обусловливают необходимость дальнейшего уточнения этих моделей на основе современных экспериментальных данных и оценки отдель -"ных вкладов экспериментальными методами.

Из обзора следует, что для разработки высокоотражамцих металлических зеркал нет достаточно надежных методов количе -ственного расчета величин коэффициентов отражения и поглоще -ния.

Исходя из вышеуказанных нерешенных и актуальных для ме -таллооптики задач, определена цель и выбраны основные направления экспериментальных исследований и теоретических интерпретаций полученных результатов.

Содержание, второй главы посвящено современным методам изготовления зеркальных поверхностей, способам очистки их от слоев загрязнений и оксидной пленки, измерениям оптических постоянных металлов, диэлектрических и полупроводниковых-пленок. В этой главе рассмотрены теоретические основы возникновения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) на границе раздела металла с окружающей средой, проанализированы соотношения,связывающие длину пробега ПЭВ с микрохарактеристиками и оптиче -скими постоянными металла.

Наибольший коэффициент отражения (по отношению данных, полученных в нашей стране,), Я = 0,993 (А. = 10,6 мкм) для медных образцов получен после применения разработанного комплексного способа обработки поверхности, включающего в себя так называемое "алмазное точение? т.е. точение на прецизион -ком станке специально заточенным алмазным резцом, удаление оксидной пленки' впервые примененным органическим реагентом -ди-тизоном и.высокотемпературный отжиг в высоком вакууме для снятия остаточных напряжений в приповерхностном слое.

Методом ПЭВ на длине волны 10,6 мкм изучена динамика изменения оптических постоянных и эффективной частоты соударе -ний электронов после каждого этапа обработки поверхности медных и алюминиевых образцов. Способы изготовления образцов, время и вид воздействия на их поверхность, измеренные значе -ния коэффициента отражения, длины пробега ПЭВ и рассчитанные значения частоты соударения электронов для указанных образцов приведены в двух таблицах. Для медных образцов алмазного точения после удаления пленки оксида и отжига получено наибольшее значение длины пробега ПЭВ, равное 2,82-0,02 см. Стабильное значение плазменной частоты для меди S)p = 63186,5 -

м^».. a itiK ■ , и *• ► . •-

9. Предложены методы для: I) определения качества пленок ю коэффициенту дефектности, зависящего от степени чистоты подложки, на которые они наносятся; 2) измерения поглощения в системах металл-пленка, возникающего в результате дифракционного рассеяния, падающего излучения на квазипериодических структурах подложек; 3) измерения с помощью интерферометра Линника геометрической,, оптической толщины и показателя пре -иомления пленок, нанесенных на металлические подложки.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Вахитов Ф.Х., Уразаев Р.И., Тагиров Р.Б. Влияние нагрева в вакууме на оптические свойства металлических зеркал// Материалы 2 респуб.семинара "Физика тонких пленок. Процессы старения и окисления". Ивано-Франковск, 1980. С.10.;

2. Тагиров Р.В., Вахитов Ф.Х., Машкевич С.А". О времени сорбции в высоком вакууме молекул воды на поверхности после облучения светом импульсной лампы // Всесоюз.симпоз. "Состояние и перспективы разработки и производства новых видов вакуумного оборудования: Тез.докл.Казань,"1981,

3. Вахитов Ф.Х., Несмелое Ю.Е, Погрешности нуль-эллипсо-метрических измерений, возникающих от неидеальности элементов прибора и измеряемого образца, методы их устранения // У1 Все-еоюз.науч.-тех.конференц "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение: Тез.докл. Ы., 1986. С.244.

4. Вахитов Ф.Х., Зимин В.М., Тагиров Р.Б. Сравнительные исследования оптических свойств медных зеркал, полученных различными способами // ОМП. 1987. С.36-39.

5. Влияние загрязнений поверхности подложек на структуру гонких пленок / ф.Х.Вахитов, Д.А.Калинкин, Р.Б.Тагиров,Р.К.Ура-заев // ОМП. 1982. № II. С.42-45.

6. Исследование интерференции в прозрачных тонких плен -ках на металлических подложках / Ф.Х. Вахитов, Ф.Р.Идиатуллика, В.М.Зимин, Р.Б.Тагиров // ОМП. 1989. № 12. С.45-48.

7. Вахитов Ф.Х., Илларионова В.А., Тагиров Р.Б. Автома -гизированный вакуумный калориметр для оценки оптических пара-

метров систем мегалл-пленка // Материалы итоговой науч.конфер. Казанского университета. Казань, 1989. 6,67-69.

8. Еяияние условий нанесения на оптические свойства пленок, полученных термическим испарением моноокиси кремния в вакууме / Ф.Х.Вахигов, Ф.Р.Идиагуллина, Р.Б.Тагиров, А.Н.Яшин // М., 1989. ДЕЛ, в ВИНИТИ 6.06.89. № 4093 - В.89.

9. Вахитов Ф.Х., Идиатуллина Ф.Р. Спектральная зависи -мость оптических постоянных массивной меди в видимой и ИК областях спектра. М., 1990. Деп.в ВИНИТИ 21.03.90, № 1512-В 90.

ГО. Вахигов Ф.Х., Идиатуллина Ф.Р. Некоторые особенности контроля толщины пленок на металлических подложках в процес -се их нанесения в вакууме // Всесоюз.науч.-техн.конферен."Ва-куум-9Г Казань, 1991. С.148.

Сдано с набор 9.07.92 г. Подписано в печать 26.06.92 г. Форм. бум. 60 х 84 1/16. Печ.л.1. Тираж ЮО.Заказ 405.

Лаборатория оперативной полиграфии КГУ 420008 Казань, Ленина, 4/5