МНОГОЗОННОЕ ПРОСВЕТЛЯЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ НА ПОДЛОЖКЕ ИЗ ОПТИЧЕСКОГО СУЛЬФИДА ЦИНКА
МНОГОЗОННОЕ ПРОСВЕТЛЯЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ НА ПОДЛОЖКЕ... .
Дукельский Константин Владимирович –
Тер-Нерсесянц Егише Вавикович
–
Anatoly Korobeynikov
–
Yury Gatchin Konstantin Dukel’skiy Egishe Ter-Nersesyantz
– – –
кандидат технических наук, доцент, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, СанктПетербург, Россия, KDukel@GOI.ru кандидат технических наук, доцент, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, СанктПетербург, Россия, volokno@goi.ru
D.Sc., Professor, Deputy director for science, Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of the Russian Academy of Sciences St. Petersburg Branch (SPbF IZMIRAN), Saint Petersburg, Russia, Korobeynikov_A_G@mail.ru D.Sc., Professor, Department head, Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, Saint Petersburg, Russia, Gatchin@mail.ifmo.ru PhD, Associate professor, Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, Saint Petersburg, Russia, KDukel@GOI.ru PhD, Associate professor, Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, Saint Petersburg, Russia, volokno@goi.ru
УДК 681.7.064.454
МНОГОЗОННОЕ ПРОСВЕТЛЯЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ НА ПОДЛОЖКЕ ИЗ ОПТИЧЕСКОГО СУЛЬФИДА ЦИНКА
Тан Тай Доа, Л.А. Губановаа аСанкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург, Россия, La7777@mail.ru
Представлена методика создания многозонного просветляющего покрытия на подложке из оптического сульфида цинка. Покрытие одновременно эффективно работает в нескольких спектральных диапазонах: в видимой области (450–700 нм), в ближней инфракрасной области (1000–1100 нм), на длине волны 1,55 мкм, а также в средней инфракрасной области спектра (3–5 мкм). Коэффициент отражения в диапазоне 450–700 нм не превышает 2%, в диапазоне 1000–1100 нм – менее 0,5%, в диапазоне 1500–1700 нм близок к 1,5% и в диапазоне 3–5 мкм – к 0,6%. В работе представлены результаты анализа влияния отклонений в толщинах слоев, формирующих разработанное покрытие, на изменение значения энергетического коэффициента отражения в рассматриваемых областях. Получено, что отклонение в толщине слоя, граничащего с воздухом, оказывает максимальное влияние на спектральную характеристику полученного покрытия. Отклонение показателя преломления этого слоя влияет на величину остаточного отражения. Ключевые слова: просветляющие покрытия, градиентные покрытия, многозонные покрытия, сульфид цинка.
MULTI-ZONE ANTIREFLECTION COATING ON A SUBSTRATE MADE OF OPTICAL ZINC SULPHIDE
Tan Tai Dob, L. Gubanovab bSaint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, La7777@mail.ru
The paper deals with creation technique for a multi-zone antireflection coating on a substrate made of the optical zinc sulphide ZnS. The coating effectively operates simultaneously in the following spectral ranges: visible region of 450 - 700 nm, in the near infrared region of 1000 - 1100 nm, at the wavelength of 1.55 μm, and in the mid-infrared (IR) spectrum of 3 - 5 microns. Reflection coefficient in the range of 450 - 700 nm is not more than 2%, in the range of 1000 - 1100 nm is less than 0.5%, in the range of 1500 - 1700 nm is close to 1.5% and in the range of 3 - 5 μm is equal to 0.6%. Analysis results of the deviation impact in the thickness of layers on the value changing of the energy reflection coefficient in the considered areas are given. Deviation in the thickness of the layer, contiguous with the air, is shown to have the greatest effect on the spectral characteristics of the obtained coating. Refractive index deviation for this layer influences the magnitude of the residual reflection. Keywords: antireflection coatings, gradient coatings, multi-zone coatings, zinc sulphide.
Введение
Потребность в оптических приборах, способных работать в нескольких спектральных (видимой, ближней и средней инфракрасной (ИК)) областях, постоянно возрастает [1–7]. Такие системы оснащены датчиками, которые работают в определенной области спектра, и имеют ряд преимуществ, в том числе
38
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics
2014, №1 (89)
Тан Тай До, Л.А. Губанова
позволяют получать более полную информацию об объекте, использовать общий точный механизм стабилизации, компактны, имеют минимальный вес и габаритные размеры [8–11].
Среди материалов, использующихся в оптических схемах при создании многоспектральных оптических устройств, сульфид цинка (ZnS) является одним из наиболее часто используемых. Это можно объяснить следующими причинами: он обладает широким диапазоном прозрачности (0,4–14 мкм), не ядовит, нерастворим в воде [6]. ZnS имеет показатель преломления nm = 2,2, поэтому оптический элемент, изготовленный из ZnS без просветляющего покрытия, пропускает не более 73% падающего излучения. Формирование просветляющих покрытий на оптических элементах, изготовленных из сульфида цинка, существенно увеличивает эффективность его использования.
Просветление оптического ZnS было изучено разными авторами [12–14]. Покрытия, рассмотренные в работе [12], состоят из трех и пяти слоев. Эти покрытия снижают энергетический коэффициент отражения в диапазоне длин волн 0,5–0,9 мкм, на длине волны 1,064 мкм и в диапазоне 8–12 мкм. Среднее значение энергетического коэффициента отражения в этих областях спектра составляет 2–3%. Конструкция разработана так, что входящие в его состав слои имеют дискретно меняющиеся показатели преломления. Рассматриваемое покрытие не обеспечивает снижение отражения в средней ИК области. В работе [13] описывается просветляющее покрытие, рассчитанное численным методом. Покрытие снижает отражение до 1–2% в трех диапазонах: 8–12 мкм, 3–5 мкм и на длине волны 1,064 мкм. Недостатками этого покрытия является отсутствие просветления в видимом диапазоне и узкая зона просветления в ближней ИК области. В работе [14] рассматривается покрытие, у которого в формирующих слоях изменение показателя преломления является градиентным. Полученное покрытие имеет среднее отражение не меньше 5% в видимом (0,45–0,65 мкм) и среднем ИК (3–5 мкм) диапазонах.
Часто встречается случай, когда в состав покрытия входят слои с «нереальным показателем преломления», т.е. рассматривается пленкообразующий материал, которого нет в природе. Эту проблему можно решить путем совместного напыления нескольких материалов из одного испарителя или из отдельных испарителей. Применение такого метода в настоящее время ограничивается из-за отсутствия точных технологий.
Представляемая авторами работа расширяет ранее полученные результаты и посвящена методике конструирования просветляющего покрытия на оптическом ZnS с использованием реальных и устойчивых пленкообразующих материалов. Покрытие одновременно эффективно работает в видимой (0,4–0,6 мкм) области для лазера с длиной волны генерации 1064 нм, лазерного дальномера, работающего на длине волны 1,55 мкм и в средней ИК (3–5 мкм) области. Покрытие разработано с использованием градиентного метода [15], который основан на том, что показатель преломления слоев, формирующих покрытие, является функцией общей толщины покрытия.
Методика расчета
Чтобы получить многозонное просветляющее покрытие, выбираем конструкцию покрытия, в ко-
торой оптическая толщина каждого слоя равна, причем показатель преломления слоев непрерывно уве-
личивается от среды (воздуха), из которой падает излучение, до подложки согласно уравнению пятой
степени [15]:
n(x) n0
nm
n0
10
x D
3
15
x D
4
6
x D
5
,
(1)
где x – расстояние от границы с воздухом до границы раздела между i-м и (i+1)-м слоями (i = 0, 1, 2, 3, 4);
D – общая физическая толщина покрытия, состоящего из нескольких слоев; nm – показатель преломления подложки; n0 – показатель преломления окружающей среды (для воздуха n0 = 1).
Синтез покрытий осуществляется в несколько этапов.
На первом этапе задаются значения D и xi. По формуле (1) для каждого набора значений (xi+1– xi) получаем значения показателей преломления (i+1)-го слоя. Таким образом, получаем структуру просвет-
ляющего покрытия, состоящего из (i–1) слоев, имеющих полученное значение показателя преломления.
Физическая толщина каждого слоя определяется как di = xi+1 – xi. Как известно из [16], энергетический коэффициент отражения многослойной системы может быть
определен из выражения
R(λ) r(λ)2 ,
где
r (λ ) n0 m11 nm m22 i (n0 nm m12 m21 ) ; n0 m11 nm m22 i (n0 nm m12 m21 )
m11 im21
im12 k cos φ j (λ )
m22 j 1 in j sin φ j (λ )
i sin φ j (λ) nj ,
cos φ j (λ)
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics 2014, №1 (89)
39
МНОГОЗОННОЕ ПРОСВЕТЛЯЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ НА ПОДЛОЖКЕ... .
k – количество слоев, формирующих систему, φj(λ) – фазовая толщина j-го слоя, nj – показатель преломления j-го слоя.
Рассмотрим структуру, формирующую покрытие из четырех слоев, характеризующихся показателями преломления (n1, n2, n3, n4), физическими толщинами (d1, d2, d3, d4), оптическими толщинами (n1d1, n2d2, n3d3, n4d4) и фазовыми толщинами (φ1 = 2π∙n1d1(λ)–1, φ2 = 2π∙n2d2(λ)–1, φ3 = 2π∙n3d3(λ)–1, φ4 = 2π∙n4d4(λ)– 1). Световое излучение падает из окружающей среды с показателем преломления n0. Покрытие сформировано на подложке с показателем преломления nm.
Среднее значение энергетического коэффициента отражения в диапазоне длин волн (λ1,λ2) 1 2
Rсредний λ2 λ1 1 R(λ)dλ .
Если среднее арифметическое значение энергетического коэффициента отражения просветляющего покрытия в указанных диапазонах больше требуемого значения отражения, то процедура повторяется с первого этапа до тех пор, пока не получается желаемое значение энергетического коэффициента отражения в указанных диапазонах.
Практическая реализация методики
По представленной методике была получена структура покрытия, параметры которой приведены в табл. 1. С целью получения оптимального энергетического коэффициента отражения в видимом и среднем ИК диапазонах следует изменять оптическую толщину каждого слоя. Первоначальное значение толщины равняется 50 нм [17], финальное значение толщины равняется 450 нм, перебор осуществляется с шагом 10 нм. В итоге было получено покрытие с конструкцией Н0,964Н/В0,349В/, где Н, Н/ – четвертьволновый слой с низким показателем преломления nН = 1,35, nН/ = 1,5; В, В/ – четвертьволновые слои с высоким показателем преломления nВ = 1,8, nВ/ = 2,15; λ0 = 1,66 мкм. Данное покрытие имеет характеристику, приведенную в табл. 2. На рис. 1 представлена спектральная характеристика энергетического коэффициента отражения разработанного покрытия.
Номер слоя
n(x)
1 1,35
2 1,5
3 1,82
4 2,15
Суммарная толщина покрытия
Физическая толщина d, нм 307 276 228 193
D = 1004
Оптическая толщина nd, нм 415 415 415 415 1660
Таблица 1. Значения показателей преломления и толщин слоев разработанного просветляющего покрытия
Диапазон спектра λ, нм
450–700
1000–1100
1500–1700
1000–1700 3000–5000
Rсредний
1,5%
0,4%
1,4%
2% 0,6%
Таблица 2. Средний коэффициент энергетического отражения просветляющего покрытия с конструкцией Н0,964Н/В0,349В/
Используемые в разработанной конструкции пленкообразующие материалы должны удовлетворять
следующим условиям: иметь полученный при расчетах показатель преломления и быть прозрачными в рабочих диапазонах спектра. В качестве слоев с низким показателем преломления nН = 1,35, nН/=1,5 могут быть использованы пленкообразующие материалы MgF2 (n = 1,35, область прозрачности 0,11–11 мкм) и YF3 (n = 1,5, область прозрачности 0,3–14 мкм). В качестве слоев с высоким показателем преломления nВ = 1,82, nВ/ = 2,15 могут быть использованы пленкообразующие материалы Y2O3 (n = 1,82, область прозрачности 0,3–12 мкм) и CeO2 (n = 2,15, область прозрачности 0,4–12 мкм).
При изготовлении покрытия существенную роль играет устойчивость спектральной характеристи-
ки коэффициента отражения покрытия к ошибкам в слоях, которые могут возникнуть при его формиро-
вании. Далее приводится спектральная характеристика просветляющего покрытия при наличии ошибок в толщинах. В расчете для отдельного j-го слоя с оптимальной оптической толщиной njdj (j = 0, 1, 2, 3, 4)) прибавляем значение ошибки в толщинах Δj. Рассмотрим, как при этом изменится спектральная характе-
ристика отражения просветляющего покрытия.
Изменения спектральной характеристики отражения просветляющего покрытия приведены на
рис. 2, 3. Авторами были рассмотрены ситуации, когда оптическая толщина каждого слоя имеет отрицательные и положительные ошибки, и, таким образом, ошибка была лишь в рассматриваемом слое. Ана-
лиз показал, что наиболее существенное влияние на спектральную характеристику оказывает слой, гра-
40
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics
2014, №1 (89)
Тан Тай До, Л.А. Губанова
ничащий с воздухом. Слой, лежащий на подложке, оказывает минимальное влияние на спектральную характеристику просветляющего покрытия.
R 0,18
Rm
0,12
0,06
0 0,45 1,45 2,45 3,45 4,45 5,45
, мкм Рис. 1. Спектральная характеристика отражения просветляющего покрытия на подложке из оптического
ZnS. Покрытие имеет конструкцию Н0,964Н/В0,349В/, λ0 = 1,66 мкм. Rm – коэффициент отражения подложки из оптического сульфида цинка без просветляющего покрытия
R 0,06
0,04
0,02
0
0,45 1,45 2,45
3,45 4,45 5,45
, мкм
1=0
1=50 нм
1=-50 нм
Рис. 2. Спектральная характеристика просветляющего покрытия Н 0,964Н/В0,349В/, λ0 = 1,66 мкм. nН = 1,35, nН/ = 1,5, nВ = 1,8, nВ/ = 2,15, nm = 2,2. Первый слой принимает значения оптической толщины
больше и меньше оптимальной толщины R 0,06
0,04
0,02
0
0,45 1,45 2,45
3,45 4,45 5,45
, мкм
4=0
4=50 нм
4=-50 нм
Рис. 3. Спектральная характеристика просветляющего покрытия Н 0,964Н/В0,349В/, λ0 = 1,66 мкм. nН = 1,35, nН/ = 1,5, nВ = 1,8, nВ/ = 2,15, nm = 2,2. Четвертый слой принимает значения оптической толщины
больше и меньше оптимальной толщины
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics 2014, №1 (89)
41
МНОГОЗОННОЕ ПРОСВЕТЛЯЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ НА ПОДЛОЖКЕ... .
Аналогично рассмотрим, как будет изменяться спектральная характеристика просветляющего покрытия при ошибках в показателе преломления отдельного слоя.
R 0,06
0,04
0,02
0
0,45 1,45 2,45
3,45 4,45 5,45
, мкм
n1 1,03 n1 0,97n1
Рис. 4. Спектральная характеристика просветляющего покрытия Н 0,964Н/В0,349В/, λ0 = 1,66 мкм. nН = 1,35, nН/ = 1,5, nВ = 1,8, nВ/ = 2,15, nm = 2,2. Первый слой принимает значения показателя преломления больше и меньше 3% от исходного значения
R 0,06
0,04
0,02
0
0,45 1,45 2,45
3,45 4,45 5,45
, мкм
n4 1,03 n4 0,97n4
Рис. 5. Спектральная характеристика просветляющего покрытия Н 0,964Н/В0,349В/, λ0 = 1,66 мкм. nН = 1,35, nН/ = 1,5, nВ = 1,8, nВ/ = 2,15, nm = 2,2. Четвертый слой принимает значения показателя
преломления больше и меньше 3% от исходного значения
На рис. 4, 5 приведены изменения спектральной характеристики просветляющего покрытия при ошибках в показателе преломления слоя, входящего в состав полученного покрытия. Ошибки принимают положительное и отрицательное значение, которое составляет 3% от исходного значения показателя преломления отдельного слоя. Проведенный анализ показал, что изменение показателя преломления слоя, граничащего с воздухом, оказывает наиболее существенное влияние на спектральную характеристику просветляющего покрытия по сравнению со слоем, лежащим на подложке.
Заключение
В работе была показана возможность получения структуры покрытия, обеспечивающая низкое от-
ражение в нескольких диапазонах спектра. Структура покрытия была получена с использованием гради-
ентных слоев, в которых показатель преломления является функцией общей толщины покрытия.
В ходе выполнения работы получены конструкции просветляющих интерференционных покрытий
на основе четырех слоев. Полученное покрытие способно снизить энергетический коэффициент отраже-
ния подложки из сульфида цинка одновременно в видимой области (450–700 нм), в диапазонах длины
волн лазеров 1000–1100 нм, 1500–1700 нм и в средней ИК области 3–5 мкм.
В работе исследовано изменение спектральной характеристики просветляющего покрытия при от-
клонении значения оптических толщин и показателя преломления от расчетных. Получено, что наиболее
существенное влияние на спектральную характеристику оказывает слой, граничащий с воздухом. С
уменьшением показателя преломления уменьшается энергетический коэффициент отражения, при увели-
42
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics
2014, №1 (89)
Тан Тай До, Л.А. Губанова
чении показателя преломления энергетический коэффициент отражения увеличивается. Отклонение показателя преломления слоя, лежащего на подложке, практически не оказывает влияния на спектральную характеристику. При изменении оптической толщины слоя, находящего на границе с воздухом, изменяется положение минимального энергетического коэффициента отражения в шкале длин волн. С уменьшением толщины минимумы отражения смещаются в коротковолновую область, с увеличением – в длинноволновую область.
Литература
1. Bayya S., Sanghera J., Kim W., Gibson D., Fleet E., Shaw B., Hunt M., Aggarwal I. New multiband IR imaging optics // Proc. of SPIE. 2013. V. 8704. P. 870428-1–870428-6.
2. Фатеев В.Ф., Лагуткин В.Н., Лукьянов А.П., Подкорытов Е.Н., Слынько Ю.В., Старостенко А.М. Моделирование входной информации оптической системы малых космических аппаратов // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52. № 4. C. 18–21.
3. Vaillancourt J., Vasinajindakaw P., Lu X., Qian X., Vangala S.R., Goodhue W.D. Thermo-electrically cooled shortwave infrared and longwave infrared dual band quantum-dot photodetector // Proc. of SPIE. 2011. V. 8012. P 80120O-1–80120O-7.
4. Мордвин Н.Н., Попов Г.Н. Концепция построения оптико-электронных приборов наблюдения универсального назначения // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52. № 6. C. 34–39.
5. Пулов Й.Д., Чуйкин В.М., Широбоков А.М. Многоспектральный тепловизор «Терма-2» и его метрологические возможности // Научно-технический вестник СПб ГИТМО (ТУ). 2002. № 1 (5). С. 105–106.
6. Голицын А.В., Журавлев П.В., Журов Г.Е., Корякин А.В., Чихонадских А.П., Шлишевский В.Б., Яшина Т.В. Псевдобинокулярный двухканальный прибор обнаружения потенциальных угроз // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52. № 6. C. 27–34.
7. Zadravec D., Franks J.W., Rogers K.A., Hendry A.F., Drach P. A Multi-Spectral Optical System (1.55μm and 8–12μm) of GASIR ® 1 Design and Coating Aspects // Proc. of SPIE. 2009. V. 7298. P. 72982L-1– 72982L-9.
8. Мальцев Г.Н., Кунгурцев В.В., Козинов И.А. Дистанционное зондирование Земли на основе кластера малых космических аппаратов многоспектрального наблюдения // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52. № 4. C. 22–28.
9. Горбулин В.И., Панченко В.В., Радионов Н.В. Технико-экономический подход к выбору системы малых космических аппаратов // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52. № 4. C. 46–51.
10. Павлов Н.И., Ясинский Г.И. Малогабаритный оптико-электронный сканирующий прибор для аэросъемки в видимом и инфракрасном диапазонах // Оптический журнал. 2003. Т. 70. № 4. С. 11–14.
11. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Оптическое считывание - один из путей совершенствования микроболометрических приемников излучения (по материалам зарубежной печати) // Изв. вузов. Приборостроение. 2008. Т. 51. № 9. C. 41–46.
12. Соколова Р.С., Муранова Г.А., Михайлов А.В., Горелкина Ж.Н. Мультиспектральные просветляющие покрытия для видимой, ближней и ИК областей спектра // Оптический журнал. 2005. Т. 72. № 10. С. 60–62.
13. Cohen D., Stolov Y., Azran A., Gilo M. Dual- and triple-band AR coatings for IR systems // Proc. of SPIE. 2013. V. 8704. P. 870422-1–870422-6.
14. Awasthi S., Nautiyal B.B., Kumar R., Bandyopadhyay P.K. Multi-spectral antireflection coating on zinc sulphide simultaneously effective in visible, eye safe laser wave length and MWIR region // Infrared Physics & Technology. 2012. V. 55. N 5. P. 395–398.
15. Southwell W.H. Coating design using very thin high- and low-index layers // Applied Optics. 1985. V. 24. N 4. P. 457–460.
16. Бергнинг П.Х. Теория и методы расчета оптических свойств тонких пленок. Физика тонких пленок / Под ред. Г. Хасса. М.: Мир, 1967. Т. 1. С. 91–151.
17. Губанова Л.А., Путилин Э.С. Принципы формирования структуры интерференционных спектроделителей // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2012. № 1 (77). С. 1–6.
До Тан Тай Губанова Людмила Александровна
– аспирант, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург, Россия, tantaido@yahoo.com
– доктор технических наук, профессор, доцент, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург, Россия, La7777@mail.ru
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics 2014, №1 (89)
43
Tan Tai Do Lyudmila Gubanova
КОНТРОЛЬ СТРУКТУРЫ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ БУМАГИ... .
– postgraduate, Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, Saint Petersburg, Russia, tantaido@yahoo.com
– D.Sc., Professor, Associate professor, Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, Saint Petersburg, Russia, La7777@mail.ru
УДК 676.22.017; 676.262; 539.211
КОНТРОЛЬ СТРУКТУРЫ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ БУМАГИ МЕТОДОМ
АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ
М.В. Жукова а Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург, Россия, cloudjyk@yandex.ru, zerocomb@bk.ru
Рассматриваются вопросы высокоточного контроля параметров выпускаемой бумажной продукции, а именно, различных видов бумаги и фотобумаги для печати. В рамках данной работы методом атомно-силовой микроскопии проведены исследования необработанной, матовой, глянцевой и ламинированной бумаги. Для исследований использовался учебно-научный сканирующий зондовый микроскоп NanoEducator LE. Проведена визуализация характерной структуры каждого вида исследуемой бумаги, получены гистограммы шероховатости, определена средняя шероховатость перепадов высот для каждого типа бумаги. Наименьшей шероховатостью обладает ламинированная бумага (Ra около 70 нм), шероховатость глянцевой бумаги составляет около 170 нм, шероховатость необработанной бумаги с волокнами целлюлозы – 530–540 нм. Самыми высокими параметрами шероховатости характеризуется матовая бумага (Ra порядка 670–680 нм). Продемонстрировано, что применение сканирующей зондовой микроскопии позволяет проводить экспресс-контроль параметров целлюлозной бумажной продукции, что может быть использовано при ее производстве. Ключевые слова: бумага, атомно-силовая микроскопия, шероховатость, фотобумага, сканирующий зондовый микроскоп.
STRUCTURE CONTROL FOR DIFFERENT TYPES OF PAPER BY ATOMIC
FORCE MICROSCOPY
M. Zhukovb bSaint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, Saint Petersburg, Russia, cloudjyk@yandex.ru, zerocomb@bk.ru
The paper deals with the precision control for the parameters of manufactured paper production, such as various kinds of paper and photo paper for printing. Research of untreated, matte, glossy and laminated paper is conducted by atomic force microscopy by means of educational and scientific scanning probe microscope NanoEducator LE in the framework of this paper. Visualization of characteristic structure for each type of studied paper was conducted, histogram of roughness was obtained, and average roughness of height differences was defined. A laminated paper has got the lowest roughness (Ra of about 70 nm) and glossy paper has got Ra of about 170 nm; roughness of untreated paper with cellulose fibers is about 530540 nm, and matte paper has got the highest roughness parameters (Ra about 670-680 nm). Scanning probe microscopy application for parameters monitoring of cellulosic paper production is shown to give the possibility of such microscopy type application in the production of paper products and high-precision control of its parameters. Keywords: paper, atomic force microscopy, roughness, photo paper, scanning probe microscope.
Введение
Вопросы высокоточного контроля параметров выпускаемой бумажной продукции имеют все возрастающее значение, особенно при изготовлении бумаги и фотобумаги для печати, бумаги для денежных знаков. Структура и свойства этой продукции напрямую влияют на качество печатных документов, отображение мелких особенностей изображений. Многие компании-производители проводят контроль выпускаемой бумажной продукции методами сканирующей электронной микроскопии [1, 2] и конфокальной оптической микроскопии [3–5]. Наиболее актуальными в последнее время являются исследования, направленные на высокоточное отображение параметров бумаги в нанометровом диапазоне методами атомно-силовой микроскопии (АСМ) [6, 7], визуализацию ее структуры [8, 9], изучение показателей шероховатости и адгезии [10]. Особое значение приобретают работы по неразрушающему исследованию манускриптов, пергаментов и древней бумаги, сохранившейся до наших дней [11, 12], для чего также используются методы АСМ [13].
При этом перечисленные исследования довольно дорогостоящи и требуют присутствия высококвалифицированного, специально обученного персонала. Предложенный в настоящей работе метод визуализации предполагает использование доступного учебно-исследовательского сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) NanoEducator LE (НТ-СПб, Россия) [14], не требующего для работы на нем специализированной подготовки в области методов силовой зондовой микроскопии. В качестве рабочего зондового датчика в NanoEducator LE используется вольфрамовая игла, которую можно легко изготовить методом электрохимического травления вольфрамовой проволоки [15]. Стоимость вольфрамовой прово-
44
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics
2014, №1 (89)
Дукельский Константин Владимирович –
Тер-Нерсесянц Егише Вавикович
–
Anatoly Korobeynikov
–
Yury Gatchin Konstantin Dukel’skiy Egishe Ter-Nersesyantz
– – –
кандидат технических наук, доцент, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, СанктПетербург, Россия, KDukel@GOI.ru кандидат технических наук, доцент, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, СанктПетербург, Россия, volokno@goi.ru
D.Sc., Professor, Deputy director for science, Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of the Russian Academy of Sciences St. Petersburg Branch (SPbF IZMIRAN), Saint Petersburg, Russia, Korobeynikov_A_G@mail.ru D.Sc., Professor, Department head, Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, Saint Petersburg, Russia, Gatchin@mail.ifmo.ru PhD, Associate professor, Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, Saint Petersburg, Russia, KDukel@GOI.ru PhD, Associate professor, Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, Saint Petersburg, Russia, volokno@goi.ru
УДК 681.7.064.454
МНОГОЗОННОЕ ПРОСВЕТЛЯЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ НА ПОДЛОЖКЕ ИЗ ОПТИЧЕСКОГО СУЛЬФИДА ЦИНКА
Тан Тай Доа, Л.А. Губановаа аСанкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург, Россия, La7777@mail.ru
Представлена методика создания многозонного просветляющего покрытия на подложке из оптического сульфида цинка. Покрытие одновременно эффективно работает в нескольких спектральных диапазонах: в видимой области (450–700 нм), в ближней инфракрасной области (1000–1100 нм), на длине волны 1,55 мкм, а также в средней инфракрасной области спектра (3–5 мкм). Коэффициент отражения в диапазоне 450–700 нм не превышает 2%, в диапазоне 1000–1100 нм – менее 0,5%, в диапазоне 1500–1700 нм близок к 1,5% и в диапазоне 3–5 мкм – к 0,6%. В работе представлены результаты анализа влияния отклонений в толщинах слоев, формирующих разработанное покрытие, на изменение значения энергетического коэффициента отражения в рассматриваемых областях. Получено, что отклонение в толщине слоя, граничащего с воздухом, оказывает максимальное влияние на спектральную характеристику полученного покрытия. Отклонение показателя преломления этого слоя влияет на величину остаточного отражения. Ключевые слова: просветляющие покрытия, градиентные покрытия, многозонные покрытия, сульфид цинка.
MULTI-ZONE ANTIREFLECTION COATING ON A SUBSTRATE MADE OF OPTICAL ZINC SULPHIDE
Tan Tai Dob, L. Gubanovab bSaint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, La7777@mail.ru
The paper deals with creation technique for a multi-zone antireflection coating on a substrate made of the optical zinc sulphide ZnS. The coating effectively operates simultaneously in the following spectral ranges: visible region of 450 - 700 nm, in the near infrared region of 1000 - 1100 nm, at the wavelength of 1.55 μm, and in the mid-infrared (IR) spectrum of 3 - 5 microns. Reflection coefficient in the range of 450 - 700 nm is not more than 2%, in the range of 1000 - 1100 nm is less than 0.5%, in the range of 1500 - 1700 nm is close to 1.5% and in the range of 3 - 5 μm is equal to 0.6%. Analysis results of the deviation impact in the thickness of layers on the value changing of the energy reflection coefficient in the considered areas are given. Deviation in the thickness of the layer, contiguous with the air, is shown to have the greatest effect on the spectral characteristics of the obtained coating. Refractive index deviation for this layer influences the magnitude of the residual reflection. Keywords: antireflection coatings, gradient coatings, multi-zone coatings, zinc sulphide.
Введение
Потребность в оптических приборах, способных работать в нескольких спектральных (видимой, ближней и средней инфракрасной (ИК)) областях, постоянно возрастает [1–7]. Такие системы оснащены датчиками, которые работают в определенной области спектра, и имеют ряд преимуществ, в том числе
38
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics
2014, №1 (89)
Тан Тай До, Л.А. Губанова
позволяют получать более полную информацию об объекте, использовать общий точный механизм стабилизации, компактны, имеют минимальный вес и габаритные размеры [8–11].
Среди материалов, использующихся в оптических схемах при создании многоспектральных оптических устройств, сульфид цинка (ZnS) является одним из наиболее часто используемых. Это можно объяснить следующими причинами: он обладает широким диапазоном прозрачности (0,4–14 мкм), не ядовит, нерастворим в воде [6]. ZnS имеет показатель преломления nm = 2,2, поэтому оптический элемент, изготовленный из ZnS без просветляющего покрытия, пропускает не более 73% падающего излучения. Формирование просветляющих покрытий на оптических элементах, изготовленных из сульфида цинка, существенно увеличивает эффективность его использования.
Просветление оптического ZnS было изучено разными авторами [12–14]. Покрытия, рассмотренные в работе [12], состоят из трех и пяти слоев. Эти покрытия снижают энергетический коэффициент отражения в диапазоне длин волн 0,5–0,9 мкм, на длине волны 1,064 мкм и в диапазоне 8–12 мкм. Среднее значение энергетического коэффициента отражения в этих областях спектра составляет 2–3%. Конструкция разработана так, что входящие в его состав слои имеют дискретно меняющиеся показатели преломления. Рассматриваемое покрытие не обеспечивает снижение отражения в средней ИК области. В работе [13] описывается просветляющее покрытие, рассчитанное численным методом. Покрытие снижает отражение до 1–2% в трех диапазонах: 8–12 мкм, 3–5 мкм и на длине волны 1,064 мкм. Недостатками этого покрытия является отсутствие просветления в видимом диапазоне и узкая зона просветления в ближней ИК области. В работе [14] рассматривается покрытие, у которого в формирующих слоях изменение показателя преломления является градиентным. Полученное покрытие имеет среднее отражение не меньше 5% в видимом (0,45–0,65 мкм) и среднем ИК (3–5 мкм) диапазонах.
Часто встречается случай, когда в состав покрытия входят слои с «нереальным показателем преломления», т.е. рассматривается пленкообразующий материал, которого нет в природе. Эту проблему можно решить путем совместного напыления нескольких материалов из одного испарителя или из отдельных испарителей. Применение такого метода в настоящее время ограничивается из-за отсутствия точных технологий.
Представляемая авторами работа расширяет ранее полученные результаты и посвящена методике конструирования просветляющего покрытия на оптическом ZnS с использованием реальных и устойчивых пленкообразующих материалов. Покрытие одновременно эффективно работает в видимой (0,4–0,6 мкм) области для лазера с длиной волны генерации 1064 нм, лазерного дальномера, работающего на длине волны 1,55 мкм и в средней ИК (3–5 мкм) области. Покрытие разработано с использованием градиентного метода [15], который основан на том, что показатель преломления слоев, формирующих покрытие, является функцией общей толщины покрытия.
Методика расчета
Чтобы получить многозонное просветляющее покрытие, выбираем конструкцию покрытия, в ко-
торой оптическая толщина каждого слоя равна, причем показатель преломления слоев непрерывно уве-
личивается от среды (воздуха), из которой падает излучение, до подложки согласно уравнению пятой
степени [15]:
n(x) n0
nm
n0
10
x D
3
15
x D
4
6
x D
5
,
(1)
где x – расстояние от границы с воздухом до границы раздела между i-м и (i+1)-м слоями (i = 0, 1, 2, 3, 4);
D – общая физическая толщина покрытия, состоящего из нескольких слоев; nm – показатель преломления подложки; n0 – показатель преломления окружающей среды (для воздуха n0 = 1).
Синтез покрытий осуществляется в несколько этапов.
На первом этапе задаются значения D и xi. По формуле (1) для каждого набора значений (xi+1– xi) получаем значения показателей преломления (i+1)-го слоя. Таким образом, получаем структуру просвет-
ляющего покрытия, состоящего из (i–1) слоев, имеющих полученное значение показателя преломления.
Физическая толщина каждого слоя определяется как di = xi+1 – xi. Как известно из [16], энергетический коэффициент отражения многослойной системы может быть
определен из выражения
R(λ) r(λ)2 ,
где
r (λ ) n0 m11 nm m22 i (n0 nm m12 m21 ) ; n0 m11 nm m22 i (n0 nm m12 m21 )
m11 im21
im12 k cos φ j (λ )
m22 j 1 in j sin φ j (λ )
i sin φ j (λ) nj ,
cos φ j (λ)
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics 2014, №1 (89)
39
МНОГОЗОННОЕ ПРОСВЕТЛЯЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ НА ПОДЛОЖКЕ... .
k – количество слоев, формирующих систему, φj(λ) – фазовая толщина j-го слоя, nj – показатель преломления j-го слоя.
Рассмотрим структуру, формирующую покрытие из четырех слоев, характеризующихся показателями преломления (n1, n2, n3, n4), физическими толщинами (d1, d2, d3, d4), оптическими толщинами (n1d1, n2d2, n3d3, n4d4) и фазовыми толщинами (φ1 = 2π∙n1d1(λ)–1, φ2 = 2π∙n2d2(λ)–1, φ3 = 2π∙n3d3(λ)–1, φ4 = 2π∙n4d4(λ)– 1). Световое излучение падает из окружающей среды с показателем преломления n0. Покрытие сформировано на подложке с показателем преломления nm.
Среднее значение энергетического коэффициента отражения в диапазоне длин волн (λ1,λ2) 1 2
Rсредний λ2 λ1 1 R(λ)dλ .
Если среднее арифметическое значение энергетического коэффициента отражения просветляющего покрытия в указанных диапазонах больше требуемого значения отражения, то процедура повторяется с первого этапа до тех пор, пока не получается желаемое значение энергетического коэффициента отражения в указанных диапазонах.
Практическая реализация методики
По представленной методике была получена структура покрытия, параметры которой приведены в табл. 1. С целью получения оптимального энергетического коэффициента отражения в видимом и среднем ИК диапазонах следует изменять оптическую толщину каждого слоя. Первоначальное значение толщины равняется 50 нм [17], финальное значение толщины равняется 450 нм, перебор осуществляется с шагом 10 нм. В итоге было получено покрытие с конструкцией Н0,964Н/В0,349В/, где Н, Н/ – четвертьволновый слой с низким показателем преломления nН = 1,35, nН/ = 1,5; В, В/ – четвертьволновые слои с высоким показателем преломления nВ = 1,8, nВ/ = 2,15; λ0 = 1,66 мкм. Данное покрытие имеет характеристику, приведенную в табл. 2. На рис. 1 представлена спектральная характеристика энергетического коэффициента отражения разработанного покрытия.
Номер слоя
n(x)
1 1,35
2 1,5
3 1,82
4 2,15
Суммарная толщина покрытия
Физическая толщина d, нм 307 276 228 193
D = 1004
Оптическая толщина nd, нм 415 415 415 415 1660
Таблица 1. Значения показателей преломления и толщин слоев разработанного просветляющего покрытия
Диапазон спектра λ, нм
450–700
1000–1100
1500–1700
1000–1700 3000–5000
Rсредний
1,5%
0,4%
1,4%
2% 0,6%
Таблица 2. Средний коэффициент энергетического отражения просветляющего покрытия с конструкцией Н0,964Н/В0,349В/
Используемые в разработанной конструкции пленкообразующие материалы должны удовлетворять
следующим условиям: иметь полученный при расчетах показатель преломления и быть прозрачными в рабочих диапазонах спектра. В качестве слоев с низким показателем преломления nН = 1,35, nН/=1,5 могут быть использованы пленкообразующие материалы MgF2 (n = 1,35, область прозрачности 0,11–11 мкм) и YF3 (n = 1,5, область прозрачности 0,3–14 мкм). В качестве слоев с высоким показателем преломления nВ = 1,82, nВ/ = 2,15 могут быть использованы пленкообразующие материалы Y2O3 (n = 1,82, область прозрачности 0,3–12 мкм) и CeO2 (n = 2,15, область прозрачности 0,4–12 мкм).
При изготовлении покрытия существенную роль играет устойчивость спектральной характеристи-
ки коэффициента отражения покрытия к ошибкам в слоях, которые могут возникнуть при его формиро-
вании. Далее приводится спектральная характеристика просветляющего покрытия при наличии ошибок в толщинах. В расчете для отдельного j-го слоя с оптимальной оптической толщиной njdj (j = 0, 1, 2, 3, 4)) прибавляем значение ошибки в толщинах Δj. Рассмотрим, как при этом изменится спектральная характе-
ристика отражения просветляющего покрытия.
Изменения спектральной характеристики отражения просветляющего покрытия приведены на
рис. 2, 3. Авторами были рассмотрены ситуации, когда оптическая толщина каждого слоя имеет отрицательные и положительные ошибки, и, таким образом, ошибка была лишь в рассматриваемом слое. Ана-
лиз показал, что наиболее существенное влияние на спектральную характеристику оказывает слой, гра-
40
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics
2014, №1 (89)
Тан Тай До, Л.А. Губанова
ничащий с воздухом. Слой, лежащий на подложке, оказывает минимальное влияние на спектральную характеристику просветляющего покрытия.
R 0,18
Rm
0,12
0,06
0 0,45 1,45 2,45 3,45 4,45 5,45
, мкм Рис. 1. Спектральная характеристика отражения просветляющего покрытия на подложке из оптического
ZnS. Покрытие имеет конструкцию Н0,964Н/В0,349В/, λ0 = 1,66 мкм. Rm – коэффициент отражения подложки из оптического сульфида цинка без просветляющего покрытия
R 0,06
0,04
0,02
0
0,45 1,45 2,45
3,45 4,45 5,45
, мкм
1=0
1=50 нм
1=-50 нм
Рис. 2. Спектральная характеристика просветляющего покрытия Н 0,964Н/В0,349В/, λ0 = 1,66 мкм. nН = 1,35, nН/ = 1,5, nВ = 1,8, nВ/ = 2,15, nm = 2,2. Первый слой принимает значения оптической толщины
больше и меньше оптимальной толщины R 0,06
0,04
0,02
0
0,45 1,45 2,45
3,45 4,45 5,45
, мкм
4=0
4=50 нм
4=-50 нм
Рис. 3. Спектральная характеристика просветляющего покрытия Н 0,964Н/В0,349В/, λ0 = 1,66 мкм. nН = 1,35, nН/ = 1,5, nВ = 1,8, nВ/ = 2,15, nm = 2,2. Четвертый слой принимает значения оптической толщины
больше и меньше оптимальной толщины
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics 2014, №1 (89)
41
МНОГОЗОННОЕ ПРОСВЕТЛЯЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ НА ПОДЛОЖКЕ... .
Аналогично рассмотрим, как будет изменяться спектральная характеристика просветляющего покрытия при ошибках в показателе преломления отдельного слоя.
R 0,06
0,04
0,02
0
0,45 1,45 2,45
3,45 4,45 5,45
, мкм
n1 1,03 n1 0,97n1
Рис. 4. Спектральная характеристика просветляющего покрытия Н 0,964Н/В0,349В/, λ0 = 1,66 мкм. nН = 1,35, nН/ = 1,5, nВ = 1,8, nВ/ = 2,15, nm = 2,2. Первый слой принимает значения показателя преломления больше и меньше 3% от исходного значения
R 0,06
0,04
0,02
0
0,45 1,45 2,45
3,45 4,45 5,45
, мкм
n4 1,03 n4 0,97n4
Рис. 5. Спектральная характеристика просветляющего покрытия Н 0,964Н/В0,349В/, λ0 = 1,66 мкм. nН = 1,35, nН/ = 1,5, nВ = 1,8, nВ/ = 2,15, nm = 2,2. Четвертый слой принимает значения показателя
преломления больше и меньше 3% от исходного значения
На рис. 4, 5 приведены изменения спектральной характеристики просветляющего покрытия при ошибках в показателе преломления слоя, входящего в состав полученного покрытия. Ошибки принимают положительное и отрицательное значение, которое составляет 3% от исходного значения показателя преломления отдельного слоя. Проведенный анализ показал, что изменение показателя преломления слоя, граничащего с воздухом, оказывает наиболее существенное влияние на спектральную характеристику просветляющего покрытия по сравнению со слоем, лежащим на подложке.
Заключение
В работе была показана возможность получения структуры покрытия, обеспечивающая низкое от-
ражение в нескольких диапазонах спектра. Структура покрытия была получена с использованием гради-
ентных слоев, в которых показатель преломления является функцией общей толщины покрытия.
В ходе выполнения работы получены конструкции просветляющих интерференционных покрытий
на основе четырех слоев. Полученное покрытие способно снизить энергетический коэффициент отраже-
ния подложки из сульфида цинка одновременно в видимой области (450–700 нм), в диапазонах длины
волн лазеров 1000–1100 нм, 1500–1700 нм и в средней ИК области 3–5 мкм.
В работе исследовано изменение спектральной характеристики просветляющего покрытия при от-
клонении значения оптических толщин и показателя преломления от расчетных. Получено, что наиболее
существенное влияние на спектральную характеристику оказывает слой, граничащий с воздухом. С
уменьшением показателя преломления уменьшается энергетический коэффициент отражения, при увели-
42
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics
2014, №1 (89)
Тан Тай До, Л.А. Губанова
чении показателя преломления энергетический коэффициент отражения увеличивается. Отклонение показателя преломления слоя, лежащего на подложке, практически не оказывает влияния на спектральную характеристику. При изменении оптической толщины слоя, находящего на границе с воздухом, изменяется положение минимального энергетического коэффициента отражения в шкале длин волн. С уменьшением толщины минимумы отражения смещаются в коротковолновую область, с увеличением – в длинноволновую область.
Литература
1. Bayya S., Sanghera J., Kim W., Gibson D., Fleet E., Shaw B., Hunt M., Aggarwal I. New multiband IR imaging optics // Proc. of SPIE. 2013. V. 8704. P. 870428-1–870428-6.
2. Фатеев В.Ф., Лагуткин В.Н., Лукьянов А.П., Подкорытов Е.Н., Слынько Ю.В., Старостенко А.М. Моделирование входной информации оптической системы малых космических аппаратов // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52. № 4. C. 18–21.
3. Vaillancourt J., Vasinajindakaw P., Lu X., Qian X., Vangala S.R., Goodhue W.D. Thermo-electrically cooled shortwave infrared and longwave infrared dual band quantum-dot photodetector // Proc. of SPIE. 2011. V. 8012. P 80120O-1–80120O-7.
4. Мордвин Н.Н., Попов Г.Н. Концепция построения оптико-электронных приборов наблюдения универсального назначения // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52. № 6. C. 34–39.
5. Пулов Й.Д., Чуйкин В.М., Широбоков А.М. Многоспектральный тепловизор «Терма-2» и его метрологические возможности // Научно-технический вестник СПб ГИТМО (ТУ). 2002. № 1 (5). С. 105–106.
6. Голицын А.В., Журавлев П.В., Журов Г.Е., Корякин А.В., Чихонадских А.П., Шлишевский В.Б., Яшина Т.В. Псевдобинокулярный двухканальный прибор обнаружения потенциальных угроз // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52. № 6. C. 27–34.
7. Zadravec D., Franks J.W., Rogers K.A., Hendry A.F., Drach P. A Multi-Spectral Optical System (1.55μm and 8–12μm) of GASIR ® 1 Design and Coating Aspects // Proc. of SPIE. 2009. V. 7298. P. 72982L-1– 72982L-9.
8. Мальцев Г.Н., Кунгурцев В.В., Козинов И.А. Дистанционное зондирование Земли на основе кластера малых космических аппаратов многоспектрального наблюдения // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52. № 4. C. 22–28.
9. Горбулин В.И., Панченко В.В., Радионов Н.В. Технико-экономический подход к выбору системы малых космических аппаратов // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52. № 4. C. 46–51.
10. Павлов Н.И., Ясинский Г.И. Малогабаритный оптико-электронный сканирующий прибор для аэросъемки в видимом и инфракрасном диапазонах // Оптический журнал. 2003. Т. 70. № 4. С. 11–14.
11. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Оптическое считывание - один из путей совершенствования микроболометрических приемников излучения (по материалам зарубежной печати) // Изв. вузов. Приборостроение. 2008. Т. 51. № 9. C. 41–46.
12. Соколова Р.С., Муранова Г.А., Михайлов А.В., Горелкина Ж.Н. Мультиспектральные просветляющие покрытия для видимой, ближней и ИК областей спектра // Оптический журнал. 2005. Т. 72. № 10. С. 60–62.
13. Cohen D., Stolov Y., Azran A., Gilo M. Dual- and triple-band AR coatings for IR systems // Proc. of SPIE. 2013. V. 8704. P. 870422-1–870422-6.
14. Awasthi S., Nautiyal B.B., Kumar R., Bandyopadhyay P.K. Multi-spectral antireflection coating on zinc sulphide simultaneously effective in visible, eye safe laser wave length and MWIR region // Infrared Physics & Technology. 2012. V. 55. N 5. P. 395–398.
15. Southwell W.H. Coating design using very thin high- and low-index layers // Applied Optics. 1985. V. 24. N 4. P. 457–460.
16. Бергнинг П.Х. Теория и методы расчета оптических свойств тонких пленок. Физика тонких пленок / Под ред. Г. Хасса. М.: Мир, 1967. Т. 1. С. 91–151.
17. Губанова Л.А., Путилин Э.С. Принципы формирования структуры интерференционных спектроделителей // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2012. № 1 (77). С. 1–6.
До Тан Тай Губанова Людмила Александровна
– аспирант, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург, Россия, tantaido@yahoo.com
– доктор технических наук, профессор, доцент, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург, Россия, La7777@mail.ru
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics 2014, №1 (89)
43
Tan Tai Do Lyudmila Gubanova
КОНТРОЛЬ СТРУКТУРЫ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ БУМАГИ... .
– postgraduate, Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, Saint Petersburg, Russia, tantaido@yahoo.com
– D.Sc., Professor, Associate professor, Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, Saint Petersburg, Russia, La7777@mail.ru
УДК 676.22.017; 676.262; 539.211
КОНТРОЛЬ СТРУКТУРЫ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ БУМАГИ МЕТОДОМ
АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ
М.В. Жукова а Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург, Россия, cloudjyk@yandex.ru, zerocomb@bk.ru
Рассматриваются вопросы высокоточного контроля параметров выпускаемой бумажной продукции, а именно, различных видов бумаги и фотобумаги для печати. В рамках данной работы методом атомно-силовой микроскопии проведены исследования необработанной, матовой, глянцевой и ламинированной бумаги. Для исследований использовался учебно-научный сканирующий зондовый микроскоп NanoEducator LE. Проведена визуализация характерной структуры каждого вида исследуемой бумаги, получены гистограммы шероховатости, определена средняя шероховатость перепадов высот для каждого типа бумаги. Наименьшей шероховатостью обладает ламинированная бумага (Ra около 70 нм), шероховатость глянцевой бумаги составляет около 170 нм, шероховатость необработанной бумаги с волокнами целлюлозы – 530–540 нм. Самыми высокими параметрами шероховатости характеризуется матовая бумага (Ra порядка 670–680 нм). Продемонстрировано, что применение сканирующей зондовой микроскопии позволяет проводить экспресс-контроль параметров целлюлозной бумажной продукции, что может быть использовано при ее производстве. Ключевые слова: бумага, атомно-силовая микроскопия, шероховатость, фотобумага, сканирующий зондовый микроскоп.
STRUCTURE CONTROL FOR DIFFERENT TYPES OF PAPER BY ATOMIC
FORCE MICROSCOPY
M. Zhukovb bSaint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, Saint Petersburg, Russia, cloudjyk@yandex.ru, zerocomb@bk.ru
The paper deals with the precision control for the parameters of manufactured paper production, such as various kinds of paper and photo paper for printing. Research of untreated, matte, glossy and laminated paper is conducted by atomic force microscopy by means of educational and scientific scanning probe microscope NanoEducator LE in the framework of this paper. Visualization of characteristic structure for each type of studied paper was conducted, histogram of roughness was obtained, and average roughness of height differences was defined. A laminated paper has got the lowest roughness (Ra of about 70 nm) and glossy paper has got Ra of about 170 nm; roughness of untreated paper with cellulose fibers is about 530540 nm, and matte paper has got the highest roughness parameters (Ra about 670-680 nm). Scanning probe microscopy application for parameters monitoring of cellulosic paper production is shown to give the possibility of such microscopy type application in the production of paper products and high-precision control of its parameters. Keywords: paper, atomic force microscopy, roughness, photo paper, scanning probe microscope.
Введение
Вопросы высокоточного контроля параметров выпускаемой бумажной продукции имеют все возрастающее значение, особенно при изготовлении бумаги и фотобумаги для печати, бумаги для денежных знаков. Структура и свойства этой продукции напрямую влияют на качество печатных документов, отображение мелких особенностей изображений. Многие компании-производители проводят контроль выпускаемой бумажной продукции методами сканирующей электронной микроскопии [1, 2] и конфокальной оптической микроскопии [3–5]. Наиболее актуальными в последнее время являются исследования, направленные на высокоточное отображение параметров бумаги в нанометровом диапазоне методами атомно-силовой микроскопии (АСМ) [6, 7], визуализацию ее структуры [8, 9], изучение показателей шероховатости и адгезии [10]. Особое значение приобретают работы по неразрушающему исследованию манускриптов, пергаментов и древней бумаги, сохранившейся до наших дней [11, 12], для чего также используются методы АСМ [13].
При этом перечисленные исследования довольно дорогостоящи и требуют присутствия высококвалифицированного, специально обученного персонала. Предложенный в настоящей работе метод визуализации предполагает использование доступного учебно-исследовательского сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) NanoEducator LE (НТ-СПб, Россия) [14], не требующего для работы на нем специализированной подготовки в области методов силовой зондовой микроскопии. В качестве рабочего зондового датчика в NanoEducator LE используется вольфрамовая игла, которую можно легко изготовить методом электрохимического травления вольфрамовой проволоки [15]. Стоимость вольфрамовой прово-
44
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics
2014, №1 (89)