По мере непрерывного развития оптических технологий в направлении высокой точности и высокой мощности, технологии нанесения покрытий на оптические элементы сложного спектра играют всё более важную роль в таких передовых областях, как лазерная обработка, оптическая связь, биомедицина и многих других. К таким элементам относятся прежде всего фильтры, спектроделители (дихроичные зеркала) и объединители пучков. Основные проблемы их характеристик сосредоточены в двух ключевых аспектах: оптимизация эффективности и надёжность при воздействии мощного излучения.

1. Ключевые факторы, ограничивающие эффективность покрытий

1.1. Устранение поляризационных эффектов при падении под углом 45°

Для любой оптической тонкой плёнки (однослойной или многослойной) её спектральные характеристики определяются эффективным показателем преломления (оптической проводимостью) материала. При наклонном падении эффективные показатели преломления для s- и p-поляризаций имеют вид:

ηs = n·cosθ
ηp = n/cosθ

где θ — угол падения света, n — собственный показатель преломления материала плёнки. Только при нормальном падении (θ=0°) эффективные показатели преломления для обеих поляризаций равны. Как только появляется угол падения, эффективные показатели для s- и p-поляризаций разделяются. Более того, эквивалентная фазовая толщина для двух поляризаций при наклонном падении также различается. Оба этих фактора в совокупности составляют физическую природу поляризационного эффекта в тонких плёнках и являются главной трудностью при проектировании спектроделительных элементов, работающих при наклонном падении.

Для устранения поляризационных эффектов обычно применяются такие методы проектирования, как теория эквивалентных слоёв и глобальная оптимизация нерегулярных многослойных систем. Кроме того, подход, основанный на металл-диэлектрических покрытиях с асимметричными согласующими слоями эквивалентной оптической проводимости, уже прошёл апробацию в таких проектах, как аэрокосмическая спектрометрия, позволяя поддерживать поляризационную чувствительность на низком уровне в широком спектральном диапазоне. Толщины таких согласующих слоёв обычно нерегулярны и крайне чувствительны к поляризационному расщеплению, что предъявляет жёсткие требования к точности контроля толщины плёнок.

1.2. Крутизна перехода от зоны отражения к зоне пропускания

Чем выше крутизна спектрального перехода, тем более серьёзные технологические вызовы возникают при проектировании и изготовлении покрытий:

• Сложность проектирования и изготовления покрытий резко возрастает с увеличением крутизны, что предъявляет повышенные требования к стабильности процесса нанесения и контролю систематических погрешностей. Следует отметить, что недавние исследования показали: введение третьего плёнкообразующего материала (например, трёхкомпонентной системы Nb₂O₅/Al₂O₃/SiO₂) позволяет эффективно повысить крутизну без увеличения числа слоёв. При одинаковой толщине слоёв ширина переходной зоны может быть сужена более чем на 3 нм по сравнению с традиционными двухкомпонентными решениями.

• Повышаются требования к точности позиционирования длины волны, возрастает вероятность брака и повторной обработки в процессе производства, соответственно увеличивается продолжительность циклов технологических испытаний.

• Существенно повышается чувствительность к равномерности толщины плёнки, что делает критически важным контроль равномерности при нанесении на подложки большой площади или с изогнутой поверхностью.

2. Термическая деформация и контроль поглощения в условиях мощного излучения

Проблема термической деформации оптических элементов под воздействием мощного излучения главным образом обусловлена собственным поглощением элемента. Источники поглощения можно разделить на три категории:

• Поглощение в подложке. В качестве материала подложки рекомендуется использовать плавленый кварц, однако следует выбирать соответствующую марку в зависимости от области применения. Для стандартных мощных применений можно использовать плавленый кварц Corning 7980 с показателем поглощения порядка 1–2 ppm/см. Для применений со сверхвысокой мощностью предпочтительнее такие материалы, как Heraeus Suprasil 3001, с поглощением менее 1 ppm/см, что позволяет минимизировать тепловые эффекты, вызванные поглощением в подложке.

• Поглощение в плёнках. Применение процесса электронно-лучевого испарения с плазменно-ионным ассистированием (PIAD) и использование высокочистых материалов для напыления позволяет получать плотные покрытия с низким поглощением при относительно низких температурах. В случаях, когда требуется предельно высокая плотность плёнок и сверхнизкие потери, более предпочтительным выбором является процесс ионно-лучевого распыления (IBS), обеспечивающий покрытия с повышенной долговечностью и более высоким порогом лазерного повреждения. Кроме того, технология атомно-слоевого осаждения (ALD) демонстрирует хорошие перспективы для высокоравномерного нанесения покрытий на оптические элементы со сложной формой поверхности.

• Загрязнение в процессе эксплуатации. Некачественная очистка поверхности элемента приводит к остаточным загрязнениям, которые под действием мощного лазерного излучения вызывают фотоиндуцированное поглощение, приводящее к локальному перегреву и даже повреждению. Общепринятые в отрасли стандарты чистоты поверхности основываются на MIL-PRF-13830B или GB/T 1185-2006. Для стандартных применений рекомендуется класс не хуже 60-40, а для мощных лазерных систем — класс 20-10 или выше, чтобы изначально снизить риск прилипания загрязнений.

Кроме того, порог лазерно-индуцированного повреждения (LIDT) является ключевым показателем, характеризующим способность оптического элемента с покрытием противостоять лазерному повреждению. На него влияет множество факторов, включая дефекты подложки, дефекты от разбрызгивания материала и загрязнения. При проектировании и изготовлении элементов для мощного излучения необходимо учитывать LIDT как важнейший рабочий параметр.

Выше изложены некоторые ключевые аспекты проектирования, изготовления и применения спектроделительных покрытий сложного спектра. Если вы хотите узнать больше технических деталей или обсудить продуктовые решения, пожалуйста, свяжитесь с нами.

Guangtan Intelligent Technology (光探智能科技) — китайский поставщик стандартных оптических элементов со склада. Мы стремимся предоставлять пользователям различные типы оптических компонентов, а также предлагаем услуги по изготовлению оптических изделий на заказ. Мы будем рады обслужить любые ваши потребности в оптических элементах и с нетерпением ждём вашего обращения.