ВЛИЯНИЕ ТОЛЩИНЫ СЛОЕВ, ФОРМИРУЮЩИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ЗЕРКАЛО, НА ЕГО ЛУЧЕВУЮ ПРОЧНОСТЬ
50 Г. В. Макаричев
УДК 535.8
Г. В. МАКАРИЧЕВ
ВЛИЯНИЕ ТОЛЩИНЫ СЛОЕВ, ФОРМИРУЮЩИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ЗЕРКАЛО,
НА ЕГО ЛУЧЕВУЮ ПРОЧНОСТЬ
Определено влияние отклонения толщины слоев на лучевую прочность зеркала и порог его разрушения. Проанализированы ошибки в определении толщины слоев образцов диэлектрических зеркал и рассмотрено влияние распределения вектора электрической напряженности во внешних слоях этих зеркал на лучевую прочность.
Ключевые слова: резонатор лазера, лучевая прочность, диэлектрическое зеркало.
С начала 1990-х гг. лазеры, работающие в ближнем инфракрасном диапазоне, получили
широкое распространение. В медицине лазерные системы с длиной волны 1,56 мкм оказались
эффективными для нехирургической коррекции зрения, а также лазерной термопластики
хрящей, в дальнометрии и для дистанционного зондирования такие лазеры применяются бла-
годаря окну прозрачности атмосферы в диапазоне ≈1,5—1,75 мкм.
Одним из ключевых элементов лазера являются многослойные диэлектрические зеркала
(лазерные резонаторы). Существенной проблемой, возникающей при изготовлении таких
зеркал, является нестабильность их лучевой прочности от партии к партии. По ОСТ-
11 070.802-80 [1] лучевая прочность — свойство оптического материала (элемента) выдержи-
вать кратковременное воздействие лазерного излучения и при этом выполнять функции и
сохранять свои параметры после воздействия. Лучевая прочность характеризуется порогом
лазерного повреждения при однократном или многократном (стойкость) воздействии лазер-
ного излучения на один и тот же участок. Порог лазерного повреждения — статистически
подтвержденное значение плотности энергии (мощности) лазерного излучения, при котором
повреждение образцов происходит с заданной вероятностью.
В работах [2—4] исследовано влияние на лучевую прочность способов полировки деталей
перед нанесением покрытия, способов чистки деталей перед установкой в вакуумную камеру,
способов нанесения покрытия, а также технологических факторов, состояния вакуумной каме-
ры, чистоты исходных пленкообразующих веществ и их стехиометрического состава, способов
оплавления пленкообразующего материала, обработки деталей после нанесения покрытия. В
настоящей работе совокупность перечисленных воздействующих факторов была принята по-
стоянной. Целью работы являлось определение влияния ошибок при контроле толщины осаж-
даемых слоев, формирующих диэлектрическое зеркало, работающее на длине волны 1540 нм,
на его лучевую прочность W. Также оценивалось влияние поглощения в слоях на лучевую
прочность исследуемых зеркал. Рассмотренное зеркало состоит из слоев, сформированных ди-
оксидами кремния и гафния на кварцевой подложке, конструкторская толщина слоев кратна
1 4
λ0
,
толщина
крайнего слоя
кварца
на границе воздух—система
1 2
λ0
,
общее
число
слоев
—
28. Двенадцать партий опытных образцов зеркал были изготовлены на установке Balzers BAK-
760, контроль при формировании слоев осуществлялся методом „кварцевого резонатора“.
Все образцы прошли глубокую шлифовку-полировку для удаления трещиноватого слоя,
перед установкой в камеру они были очищены спиртоэфирной смесью. Детали в вакуумной
камере подвергались прогреву до 230 °С, перед нанесением покрытия в течение пяти минут
производилась обработка тлеющим разрядом. Диоксид гафния осаждался в атмосфере кисло-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
Влияние толщины слоев, формирующих диэлектрическое зеркало, на его лучевую прочность 51
рода при давлении в камере P = 5 ⋅10−5 мбар со средней скоростью 0,5 нм/с. Диоксид крем-
ния (кварц) осаждался при давлении P = 2 ⋅10−5 мбар со средней скоростью 0,7 нм/с. Измерения лучевой прочности проводились на испытательном стенде ИСЛП-1-01-800 ЛЗ
с использованием лазера ЛТС-154 (рабочая длина волны 1,54 мкм). Диаметр пятна воздейст-
вия d = 0, 28 мм, площадь воздействия S = 6,16 ⋅10−4 см2.
Измерения спектральных характеристик проводились на спектрофотометрах СФ-256УВИ и СФ-256-БИК, для измерения отражения использовалась приставка зеркального отражения (ПЗО-10).
Поскольку показатель преломления кварца практически не зависит от условий осаждения
( nSiO2 = 1, 43 −1, 46 ), по имеющимся спектральным кривым можно оценить дисперсию показа-
теля преломления диоксида гафния. На рис. 1 приведены спектральные характеристики отражения R (кривая 2) и пропускания Т (кривая 1). При изготовлении образцов измерялась масса осажденного вещества (метод „кварцевого резонатора“), поэтому значение расчетной длины
волны ( λ0p ) не совпадает с фактическим ( λ0ИК ).
Т, % R, %
λ0вид
λ0ИК
80 1
60 λ1вид 40
λ2вид
λ1ИК
λ2ИК
2 20
0
350
550
750
950
1150
1350
1550
1750 λ, нм
Рис. 1
Значение
λ0
определяется из соотношения
1 λ1
1 +
λ2
=
2 λ0
, где
λ1
и
λ2
— длина волны,
соответствующая 50 % значению коэффициента отражения вблизи зоны максимального от-
ражения в инфракрасной и видимой области соответственно. Длина волны, соответствующая
λ0ИК , определяется из того же соотношения. Полученные значения λ0ИК и отклонения от ее
расчетного значения λ0p =1540 нм приведены в табл. 1.
Таблица 1
Длина
W, ГВт/см2
волны, нм 2,5 2,0 2,1
2,4
1,85
1,80
λ0ИК λ0р –λ0ИК
λ0вид
1528,8 11,2 515,1
1546,7 –6,7 523,3
1555,9 –15,9 523,1
1546,0 –6,0 521
1589,6 –49,6 535
1555,6 –15,6 520,9
1 3
λ0вид
–
λ0вид
–1,8
–10
–9,8
–7,7
Длина
W, ГВт/см2
волны, нм
1,40 1,20
1,1
1,0
–21,7 0,65
–7,6 0,65
λ0ИК λ0р –λ0ИК
λ0вид
1548 –8
527,1
1577 –37 538,3
1609,1 –69,1 540,6
1592,5 –52,5 534,5
1637,4 –97,4 548,9
1583 –40,3 550,8
1 3
λ0вид
–
λ0вид
–13,8
–25
–27,3
–21,2
–35,6
–37,5
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
52 Г. В. Макаричев
Видно, что разница в величине λ0 не превышает 7 %, однако лучевая прочность различается более чем в четыре раза.
На рис. 2 приведена зависимость лучевой прочности от смещения центра зоны максимального отражения от расчетной длины волны ∆λ0 (точки — ∆λ0ИК, крестики — ∆λ0вид).
W, ГВт/см2
2,5 2
1,5 1 0,5
0
–100
–80
–60 –40
–20
0 ∆λ0, нм
Рис. 2
Из табл. 1 и рис. 2 видно, что при больших смещениях максимумов отражения ∆ от
λ0=1540 нм наблюдается корреляция между лучевой прочностью и смещением, а при малых смещениях необходимо искать параметр, который позволил бы установить его связь с луче-
вой прочностью.
Образцы были изготовлены с использованием диоксида гафния из разных партий.
Оценка изменения показателя преломления в зависимости от конкретной партии диоксида
гафния была проведена следующим образом. Для зоны высокого отражения в видимой облас-
ти было рассчитано значение λ0вид аналогично тому, как это было сделано ранее для λ0ИК .
Так как известно, что центр следующей зоны высокого отражения находится на длине волны,
равной
1 3
λ0
,
сравнив
отношение
λ0ИК
λ0вид
с числом 3, можно оценить разницу в показате-
лях преломления (1,88—2,0) диоксида гафния из различных партий.
Поглощение можно оценить, сравнив смещение экстремумов отражения и пропускания
в зеркалах, поскольку наличие поглощения в слоях приводит к смещению ∆ по шкале длин
волн экстремумов отражения R и пропускания Т. Для непоглощающих материалов T + R = 1,
положения
экстремумов совпадают
dT dλ
+
dR dλ
=0
и,
следовательно, если
dT dλ
= 0 , то
и
dR dλ
=
0.
Для поглощающих материалов
T
+R+
A =1,
dT dλ
+
dR dλ
+
dA dλ
= 0,
где А — коэффициент поглощения, если
dT dλ
=
0
,
то
dR dλ
+
dA dλ
=
0
,
следовательно
dT dλ
=
−
dA dλ
≠
0
.
Оценка
поглощения
проводилась
путем
измерения
смещения
ярко
выражен-
ных экстремумов отражения и пропускания в диапазонах 700—800 нм и 1300—1400 нм,
которое составляет для различных образцов 0,1—1,0 % при допустимой абсолютной погреш-
ности установки длин волн на спектрофотометре ±1 нм. На основе полученной оценки можно
сделать вывод, что поглощение в образцах примерно одинаково и не объясняет разброса в
значениях лучевой прочности.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
Влияние толщины слоев, формирующих диэлектрическое зеркало, на его лучевую прочность 53
Контроль толщины слоев по массе осаждаемого вещества является косвенным методом,
поэтому его использование приводит к отклонению полученных значений оптической тол-
щины слоев от заданных значений (в свою очередь, спектральные кривые отражения и про-
пускания искажаются). Эти искажения не влияют на значение коэффициента отражения на
длине волны 1540 нм (λ0), поэтому они не учитываются. Разброс значений порога разрушения при примерно постоянных технологических факторах не может быть объяснен. В настоящей
работе была предпринята попытка связать нарушения в конструкции и лучевую прочность
зеркал. Нарушения конструкции зеркал характеризуют отклонения в положении коротковол-
новых ( λ0вид ) и длинноволновых ( λ0ИК ) экстремумов отражения (см. рис. 2). Как видно из
этого рисунка, существует корреляция между лучевой прочностью и величинами λ0вид ,
λ0ИК ; ∆λ0вид лучше описывает эту связь: WИК = −0, 02∆ −128 , Wвид = −0, 05∆ − 50 . Этот
параметр, хотя хорошо описывает процесс разрушения, не позволяет определить, что влияет
на него.
Известно, что в зеркалах происходит наложение падающей волны на отраженную, воз-
никает стоячая волна, обладающая характерным расположением чередующихся максимумов
(пучностей) и минимумов (узлов) амплитуды [5]. Отклонение оптической толщины слоев от
1 4
λ0
приводит к тому, что значение амплитуды электрической напряженности на границах
раздела слоев в поверхностных слоях увеличивается, существенно повышая вероятность про-
боя (и, следовательно, уменьшая значение лучевой прочности). Наибольший интерес пред-
ставляют внешние слои, поскольку с удалением от граничащего с воздухом слоя значение
амплитуды электрической напряженности резко падает. Для оценки влияния отклонения оп-
тической толщины слоев от заданных значений на лучевую прочность необходимо, рассмот-
рев спектральные зависимости отражения и пропускания, для каждого образца внести такие
изменения в расчетную толщину слоев, чтобы приблизить теоретическую кривую (рис. 1) к
полученным. Для этого был рассмотрен некоторый набор наиболее вероятных предпосылок,
позволяющих моделировать возникновение ошибок, и были получены „модифицированные“
конструкции, спектральные кривые которых приближены к полученным экспериментально.
Полученные конструкции позволили оценить значение вектора напряженности электрическо-
го поля на границах крайних слоев исходя из известных граничных условий (табл. 2).
Образец
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
W, ГВт/см2
2,5 2,4 2,1 2,0 1,85 1,8 1,4 1,2 1,1 1,0 0,65 0,65
воздух—1-й слой 0,09 0,17 0,23 0,41 0,29 0,37 0,60 0,46 0,48 0,47 0,68 0,71
Е, о.е. 1-й слой—2-й слой 2-й слой—3-й слой
0,02 0,75 0,01 0,73 0,02 0,74 0,09 0,74 0,09 0,73 0,03 0,72 0,13 0,69 0,22 0,73 0,23 0,76 0,19 0,73 0,41 0,72 0,07 0,72
Таблица 2
3-й слой—4-й слой 0,03 0,01 0,01 0,06 0,07 0,02 0,09 0,16 0,17 0,18 0,24 0,05
Как видно из табл. 2, наибольшее влияние на лучевую прочность оказывает вектор напряженности электрического поля на границе раздела воздух—первый слой зеркала. На рис. 3 приведена зависимость лучевой прочности W (а) и lg(W ) (б) от относительной на-
пряженности Е электрического поля стоячей волны на границе раздела воздух—
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
54 Г. В. Макаричев
диэлектрическая система. Как видно из рис. 3, величина лучевой прочности экспоненциально зависит от амплитуды напряженности электрического поля. Линейная зависимость на рис. 3, б позволяет утверждать, что lg(W ) = 1,13E + 0, 6 .
а)
W, ГВт/см2
2
1,5
1
0,5 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Е, о.е.
б)
lg(W), ГВт/см2 0,4
0,3 0,2
0,1
0
–0,1
–0,2 0,1
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Е, о.е.
Рис. 3
В работе были исследованы спектральные кривые пропускания и отражения образцов диоксида гафния из 12 партий 28-слойных диэлектрических зеркал. Результаты анализа кривых позволяют сделать выводы о величине и дисперсии показателей преломления пленкообразующих материалов и определить принадлежность диоксида гафния к определенной партии. Расчеты показали, что дисперсия показателя преломления пленкообразующего материала из разных партий не оказывает влияния на пороговое значение лучевой прочности образцов. Проведенная оценка поглощения по смещению экстремумов отражения и пропускания позволяет утверждать, что в рассмотренных образцах оно незначительно и не оказывает существенного влияния на лучевую прочность, поскольку значения поглощения близки для всех образцов.
Наличие характерных искажений спектральных кривых, вызванных особенностями контроля толщины слоев в процессе осаждения, позволило определить экспериментально реализованную конструкцию покрытия. С использованием полученных конструкций и известных граничных условий были рассчитаны значения вектора напряженности на границах первых трех слоев, начиная от среды, из которой падает свет. Полученные значения напряженности электрического поля на первых четырех границах раздела многослойного диэлектрического зеркала позволяют судить о влиянии ошибок в полученной толщине слоев, допущенных в процессе осаждения. Установлена связь между величиной смещения экстремумов
∆λ0 и напряженностью электрического поля на границе воздух—диэлектрическая система.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
Влияние толщины слоев, формирующих диэлектрическое зеркало, на его лучевую прочность 55
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ОСТ11-070.802-80. Материалы оптические и элементы твердосплавных лазеров. Метод определения лазерной прочности.
2. Milam D., Lowdermilk W. Rainer H., F., Swain J. E., Carniglia C. K., and Hart T. T. Influence of deposition parameters on laser-damage threshold of silica-tantala AR coatings // Appl. Opt. 1982. Vol. 21. P. 3689—3694.
3. Зверев Г. М., Сидорюк О. Е., Скворцов Л. А. Влияние процессов адсорбции воды на лазерную прочность покрытий из двуокиси титана // Квантовая электроника. 1981. Т. 8, № 10. С. 2274—2276.
4. Walker T. W., Guenther A. H., Nielsen P. E. Induced Damage to Thin Film Optical Coatings // IEEE J. of Quantum Electronics. 1981. Vol. QE-17, № 10.
5. Зверев Г. М., Колодный Г. Я., Порядин Ю. Д. О стойкости интерференционных зеркал к действию лазерного излучения // Квантовая электроника. 1978. Т. 5, № 1. С. 44—49.
Сведения об авторе Глеб Вячеславович Макаричев — аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский уни-
верситет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптических технологий; E-mail: g_retired@bk.ru
Рекомендована факультетом ОИСТ
Поступила в редакцию 25.11.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
УДК 535.8
Г. В. МАКАРИЧЕВ
ВЛИЯНИЕ ТОЛЩИНЫ СЛОЕВ, ФОРМИРУЮЩИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ЗЕРКАЛО,
НА ЕГО ЛУЧЕВУЮ ПРОЧНОСТЬ
Определено влияние отклонения толщины слоев на лучевую прочность зеркала и порог его разрушения. Проанализированы ошибки в определении толщины слоев образцов диэлектрических зеркал и рассмотрено влияние распределения вектора электрической напряженности во внешних слоях этих зеркал на лучевую прочность.
Ключевые слова: резонатор лазера, лучевая прочность, диэлектрическое зеркало.
С начала 1990-х гг. лазеры, работающие в ближнем инфракрасном диапазоне, получили
широкое распространение. В медицине лазерные системы с длиной волны 1,56 мкм оказались
эффективными для нехирургической коррекции зрения, а также лазерной термопластики
хрящей, в дальнометрии и для дистанционного зондирования такие лазеры применяются бла-
годаря окну прозрачности атмосферы в диапазоне ≈1,5—1,75 мкм.
Одним из ключевых элементов лазера являются многослойные диэлектрические зеркала
(лазерные резонаторы). Существенной проблемой, возникающей при изготовлении таких
зеркал, является нестабильность их лучевой прочности от партии к партии. По ОСТ-
11 070.802-80 [1] лучевая прочность — свойство оптического материала (элемента) выдержи-
вать кратковременное воздействие лазерного излучения и при этом выполнять функции и
сохранять свои параметры после воздействия. Лучевая прочность характеризуется порогом
лазерного повреждения при однократном или многократном (стойкость) воздействии лазер-
ного излучения на один и тот же участок. Порог лазерного повреждения — статистически
подтвержденное значение плотности энергии (мощности) лазерного излучения, при котором
повреждение образцов происходит с заданной вероятностью.
В работах [2—4] исследовано влияние на лучевую прочность способов полировки деталей
перед нанесением покрытия, способов чистки деталей перед установкой в вакуумную камеру,
способов нанесения покрытия, а также технологических факторов, состояния вакуумной каме-
ры, чистоты исходных пленкообразующих веществ и их стехиометрического состава, способов
оплавления пленкообразующего материала, обработки деталей после нанесения покрытия. В
настоящей работе совокупность перечисленных воздействующих факторов была принята по-
стоянной. Целью работы являлось определение влияния ошибок при контроле толщины осаж-
даемых слоев, формирующих диэлектрическое зеркало, работающее на длине волны 1540 нм,
на его лучевую прочность W. Также оценивалось влияние поглощения в слоях на лучевую
прочность исследуемых зеркал. Рассмотренное зеркало состоит из слоев, сформированных ди-
оксидами кремния и гафния на кварцевой подложке, конструкторская толщина слоев кратна
1 4
λ0
,
толщина
крайнего слоя
кварца
на границе воздух—система
1 2
λ0
,
общее
число
слоев
—
28. Двенадцать партий опытных образцов зеркал были изготовлены на установке Balzers BAK-
760, контроль при формировании слоев осуществлялся методом „кварцевого резонатора“.
Все образцы прошли глубокую шлифовку-полировку для удаления трещиноватого слоя,
перед установкой в камеру они были очищены спиртоэфирной смесью. Детали в вакуумной
камере подвергались прогреву до 230 °С, перед нанесением покрытия в течение пяти минут
производилась обработка тлеющим разрядом. Диоксид гафния осаждался в атмосфере кисло-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
Влияние толщины слоев, формирующих диэлектрическое зеркало, на его лучевую прочность 51
рода при давлении в камере P = 5 ⋅10−5 мбар со средней скоростью 0,5 нм/с. Диоксид крем-
ния (кварц) осаждался при давлении P = 2 ⋅10−5 мбар со средней скоростью 0,7 нм/с. Измерения лучевой прочности проводились на испытательном стенде ИСЛП-1-01-800 ЛЗ
с использованием лазера ЛТС-154 (рабочая длина волны 1,54 мкм). Диаметр пятна воздейст-
вия d = 0, 28 мм, площадь воздействия S = 6,16 ⋅10−4 см2.
Измерения спектральных характеристик проводились на спектрофотометрах СФ-256УВИ и СФ-256-БИК, для измерения отражения использовалась приставка зеркального отражения (ПЗО-10).
Поскольку показатель преломления кварца практически не зависит от условий осаждения
( nSiO2 = 1, 43 −1, 46 ), по имеющимся спектральным кривым можно оценить дисперсию показа-
теля преломления диоксида гафния. На рис. 1 приведены спектральные характеристики отражения R (кривая 2) и пропускания Т (кривая 1). При изготовлении образцов измерялась масса осажденного вещества (метод „кварцевого резонатора“), поэтому значение расчетной длины
волны ( λ0p ) не совпадает с фактическим ( λ0ИК ).
Т, % R, %
λ0вид
λ0ИК
80 1
60 λ1вид 40
λ2вид
λ1ИК
λ2ИК
2 20
0
350
550
750
950
1150
1350
1550
1750 λ, нм
Рис. 1
Значение
λ0
определяется из соотношения
1 λ1
1 +
λ2
=
2 λ0
, где
λ1
и
λ2
— длина волны,
соответствующая 50 % значению коэффициента отражения вблизи зоны максимального от-
ражения в инфракрасной и видимой области соответственно. Длина волны, соответствующая
λ0ИК , определяется из того же соотношения. Полученные значения λ0ИК и отклонения от ее
расчетного значения λ0p =1540 нм приведены в табл. 1.
Таблица 1
Длина
W, ГВт/см2
волны, нм 2,5 2,0 2,1
2,4
1,85
1,80
λ0ИК λ0р –λ0ИК
λ0вид
1528,8 11,2 515,1
1546,7 –6,7 523,3
1555,9 –15,9 523,1
1546,0 –6,0 521
1589,6 –49,6 535
1555,6 –15,6 520,9
1 3
λ0вид
–
λ0вид
–1,8
–10
–9,8
–7,7
Длина
W, ГВт/см2
волны, нм
1,40 1,20
1,1
1,0
–21,7 0,65
–7,6 0,65
λ0ИК λ0р –λ0ИК
λ0вид
1548 –8
527,1
1577 –37 538,3
1609,1 –69,1 540,6
1592,5 –52,5 534,5
1637,4 –97,4 548,9
1583 –40,3 550,8
1 3
λ0вид
–
λ0вид
–13,8
–25
–27,3
–21,2
–35,6
–37,5
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
52 Г. В. Макаричев
Видно, что разница в величине λ0 не превышает 7 %, однако лучевая прочность различается более чем в четыре раза.
На рис. 2 приведена зависимость лучевой прочности от смещения центра зоны максимального отражения от расчетной длины волны ∆λ0 (точки — ∆λ0ИК, крестики — ∆λ0вид).
W, ГВт/см2
2,5 2
1,5 1 0,5
0
–100
–80
–60 –40
–20
0 ∆λ0, нм
Рис. 2
Из табл. 1 и рис. 2 видно, что при больших смещениях максимумов отражения ∆ от
λ0=1540 нм наблюдается корреляция между лучевой прочностью и смещением, а при малых смещениях необходимо искать параметр, который позволил бы установить его связь с луче-
вой прочностью.
Образцы были изготовлены с использованием диоксида гафния из разных партий.
Оценка изменения показателя преломления в зависимости от конкретной партии диоксида
гафния была проведена следующим образом. Для зоны высокого отражения в видимой облас-
ти было рассчитано значение λ0вид аналогично тому, как это было сделано ранее для λ0ИК .
Так как известно, что центр следующей зоны высокого отражения находится на длине волны,
равной
1 3
λ0
,
сравнив
отношение
λ0ИК
λ0вид
с числом 3, можно оценить разницу в показате-
лях преломления (1,88—2,0) диоксида гафния из различных партий.
Поглощение можно оценить, сравнив смещение экстремумов отражения и пропускания
в зеркалах, поскольку наличие поглощения в слоях приводит к смещению ∆ по шкале длин
волн экстремумов отражения R и пропускания Т. Для непоглощающих материалов T + R = 1,
положения
экстремумов совпадают
dT dλ
+
dR dλ
=0
и,
следовательно, если
dT dλ
= 0 , то
и
dR dλ
=
0.
Для поглощающих материалов
T
+R+
A =1,
dT dλ
+
dR dλ
+
dA dλ
= 0,
где А — коэффициент поглощения, если
dT dλ
=
0
,
то
dR dλ
+
dA dλ
=
0
,
следовательно
dT dλ
=
−
dA dλ
≠
0
.
Оценка
поглощения
проводилась
путем
измерения
смещения
ярко
выражен-
ных экстремумов отражения и пропускания в диапазонах 700—800 нм и 1300—1400 нм,
которое составляет для различных образцов 0,1—1,0 % при допустимой абсолютной погреш-
ности установки длин волн на спектрофотометре ±1 нм. На основе полученной оценки можно
сделать вывод, что поглощение в образцах примерно одинаково и не объясняет разброса в
значениях лучевой прочности.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
Влияние толщины слоев, формирующих диэлектрическое зеркало, на его лучевую прочность 53
Контроль толщины слоев по массе осаждаемого вещества является косвенным методом,
поэтому его использование приводит к отклонению полученных значений оптической тол-
щины слоев от заданных значений (в свою очередь, спектральные кривые отражения и про-
пускания искажаются). Эти искажения не влияют на значение коэффициента отражения на
длине волны 1540 нм (λ0), поэтому они не учитываются. Разброс значений порога разрушения при примерно постоянных технологических факторах не может быть объяснен. В настоящей
работе была предпринята попытка связать нарушения в конструкции и лучевую прочность
зеркал. Нарушения конструкции зеркал характеризуют отклонения в положении коротковол-
новых ( λ0вид ) и длинноволновых ( λ0ИК ) экстремумов отражения (см. рис. 2). Как видно из
этого рисунка, существует корреляция между лучевой прочностью и величинами λ0вид ,
λ0ИК ; ∆λ0вид лучше описывает эту связь: WИК = −0, 02∆ −128 , Wвид = −0, 05∆ − 50 . Этот
параметр, хотя хорошо описывает процесс разрушения, не позволяет определить, что влияет
на него.
Известно, что в зеркалах происходит наложение падающей волны на отраженную, воз-
никает стоячая волна, обладающая характерным расположением чередующихся максимумов
(пучностей) и минимумов (узлов) амплитуды [5]. Отклонение оптической толщины слоев от
1 4
λ0
приводит к тому, что значение амплитуды электрической напряженности на границах
раздела слоев в поверхностных слоях увеличивается, существенно повышая вероятность про-
боя (и, следовательно, уменьшая значение лучевой прочности). Наибольший интерес пред-
ставляют внешние слои, поскольку с удалением от граничащего с воздухом слоя значение
амплитуды электрической напряженности резко падает. Для оценки влияния отклонения оп-
тической толщины слоев от заданных значений на лучевую прочность необходимо, рассмот-
рев спектральные зависимости отражения и пропускания, для каждого образца внести такие
изменения в расчетную толщину слоев, чтобы приблизить теоретическую кривую (рис. 1) к
полученным. Для этого был рассмотрен некоторый набор наиболее вероятных предпосылок,
позволяющих моделировать возникновение ошибок, и были получены „модифицированные“
конструкции, спектральные кривые которых приближены к полученным экспериментально.
Полученные конструкции позволили оценить значение вектора напряженности электрическо-
го поля на границах крайних слоев исходя из известных граничных условий (табл. 2).
Образец
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
W, ГВт/см2
2,5 2,4 2,1 2,0 1,85 1,8 1,4 1,2 1,1 1,0 0,65 0,65
воздух—1-й слой 0,09 0,17 0,23 0,41 0,29 0,37 0,60 0,46 0,48 0,47 0,68 0,71
Е, о.е. 1-й слой—2-й слой 2-й слой—3-й слой
0,02 0,75 0,01 0,73 0,02 0,74 0,09 0,74 0,09 0,73 0,03 0,72 0,13 0,69 0,22 0,73 0,23 0,76 0,19 0,73 0,41 0,72 0,07 0,72
Таблица 2
3-й слой—4-й слой 0,03 0,01 0,01 0,06 0,07 0,02 0,09 0,16 0,17 0,18 0,24 0,05
Как видно из табл. 2, наибольшее влияние на лучевую прочность оказывает вектор напряженности электрического поля на границе раздела воздух—первый слой зеркала. На рис. 3 приведена зависимость лучевой прочности W (а) и lg(W ) (б) от относительной на-
пряженности Е электрического поля стоячей волны на границе раздела воздух—
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
54 Г. В. Макаричев
диэлектрическая система. Как видно из рис. 3, величина лучевой прочности экспоненциально зависит от амплитуды напряженности электрического поля. Линейная зависимость на рис. 3, б позволяет утверждать, что lg(W ) = 1,13E + 0, 6 .
а)
W, ГВт/см2
2
1,5
1
0,5 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Е, о.е.
б)
lg(W), ГВт/см2 0,4
0,3 0,2
0,1
0
–0,1
–0,2 0,1
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Е, о.е.
Рис. 3
В работе были исследованы спектральные кривые пропускания и отражения образцов диоксида гафния из 12 партий 28-слойных диэлектрических зеркал. Результаты анализа кривых позволяют сделать выводы о величине и дисперсии показателей преломления пленкообразующих материалов и определить принадлежность диоксида гафния к определенной партии. Расчеты показали, что дисперсия показателя преломления пленкообразующего материала из разных партий не оказывает влияния на пороговое значение лучевой прочности образцов. Проведенная оценка поглощения по смещению экстремумов отражения и пропускания позволяет утверждать, что в рассмотренных образцах оно незначительно и не оказывает существенного влияния на лучевую прочность, поскольку значения поглощения близки для всех образцов.
Наличие характерных искажений спектральных кривых, вызванных особенностями контроля толщины слоев в процессе осаждения, позволило определить экспериментально реализованную конструкцию покрытия. С использованием полученных конструкций и известных граничных условий были рассчитаны значения вектора напряженности на границах первых трех слоев, начиная от среды, из которой падает свет. Полученные значения напряженности электрического поля на первых четырех границах раздела многослойного диэлектрического зеркала позволяют судить о влиянии ошибок в полученной толщине слоев, допущенных в процессе осаждения. Установлена связь между величиной смещения экстремумов
∆λ0 и напряженностью электрического поля на границе воздух—диэлектрическая система.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4
Влияние толщины слоев, формирующих диэлектрическое зеркало, на его лучевую прочность 55
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ОСТ11-070.802-80. Материалы оптические и элементы твердосплавных лазеров. Метод определения лазерной прочности.
2. Milam D., Lowdermilk W. Rainer H., F., Swain J. E., Carniglia C. K., and Hart T. T. Influence of deposition parameters on laser-damage threshold of silica-tantala AR coatings // Appl. Opt. 1982. Vol. 21. P. 3689—3694.
3. Зверев Г. М., Сидорюк О. Е., Скворцов Л. А. Влияние процессов адсорбции воды на лазерную прочность покрытий из двуокиси титана // Квантовая электроника. 1981. Т. 8, № 10. С. 2274—2276.
4. Walker T. W., Guenther A. H., Nielsen P. E. Induced Damage to Thin Film Optical Coatings // IEEE J. of Quantum Electronics. 1981. Vol. QE-17, № 10.
5. Зверев Г. М., Колодный Г. Я., Порядин Ю. Д. О стойкости интерференционных зеркал к действию лазерного излучения // Квантовая электроника. 1978. Т. 5, № 1. С. 44—49.
Сведения об авторе Глеб Вячеславович Макаричев — аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский уни-
верситет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптических технологий; E-mail: g_retired@bk.ru
Рекомендована факультетом ОИСТ
Поступила в редакцию 25.11.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 4