ИК-покрытия

Скачать статью "Оптические покрытия" (PDF, 4135 KB)

Четвертьволновые плёнки для ИК-покрытий в 10-20 раз толще, чем для видимых. Поэтому напряжение и поглощение в пленках, которые могли бы быть пренебрежимыми в видимом диапазоне, оказываются в ИК ограничивающим фактором в конструировании структур. В ИК большинство оксидов демонстрирует высокое поглощение, а MgF2 формирует слишком напряженные пленки. Кроме того, ИК-подложки обладают высокими показателями преломления, и для создания эффективных интерференционных структур требуются пленкообразующие материалы с высокими показателями. Поэтому «видимые» материалы не могут использоваться как основные для формирования оптических ИК-покрытий.

Основными пленкообразующими материалами для ИК-диапазона оказываются фториды, халькогениды и полупроводники. Эти материалы, как правило, имеют значительно худшие, чем оксиды и MgF2, параметры механической и климатической стойкости, а также плохо переносят ионное ассистирование. Для повышения эксплуатационных характеристик покрытий во многих случаях приходится вводить дополнительные функциональные слои и прослойки и искать компромисс между прочностью, эффективностью и лучевой стойкостью. 

1. Простые ИК-покрытия
2. Широкополосные ИК-покрытия
3. Суперширокополосные ИК-покрытия
4. ИК-зеркала
5. Светоделители
6. Делительные покрытия для Фурье-спектрометров 

1. Простые ИК-покрытия

1.1. Однослойные четвертьволновые просветляющие покрытия

Основным достоинством четвертьволновых плёнок является то, что даже вне зоны просветления они не ухудшают пропускание детали. Максимальное просветление достигается при правильном согласовании показателей преломления просветляемого материала и наносимой плёнки. Классическая плёнка фторида магния, даже если бы её удалось нанести с требуемой для ИК толщиной, не обеспечила бы эффективного просветляющего эффекта на ИК-подложках по причине её слишком низкого показателя преломления. Однако некоторые аналоги однослойки можно изготавливать и для ИК-диапазона. Например, однослойная плёнка сульфида цинка на германии является достаточно эффективным просветляющим покрытием, а по стойкости уступает только алмазоподобному покрытию.

Однослойные четвертьволновые просветляющие покрытия

Рис. 1.1.А. Отражение от поверхностей кремния и германия, просветлённых плёнкой ZnS, в сравнении с отражением от поверхностей без покрытия.

Однослойные четвертьволновые просветляющие покрытия

Рис. 1.1.В. Плёнка ZnS на кремнии и германии. Зона максимального просветления.


Видно, что для германия согласование показателей преломления близко к идеальному, а для кремния показатель плёнки несколько высок. Для кремния спектрально эффективным однослойным просветлением является фторид свинца. 

Однослойные четвертьволновые просветляющие покрытия

Рис. 1.1.С. Отражение от поверхностей деталей из селенида цинка, кремния и германия, просветленных плёнкой фторида свинца.


Показатели преломления кремния и плёнки согласованы почти идеально, отражение в минимуме не превышает 0.5%. Приемлемое просветление плёнка обеспечивает и на селениде цинка. А для германия её показатель преломления недостаточно высок.

1.2. Влагозащитное покрытие на солях
Вариантом однослойного ИК-покрытия можно считать защитное покрытие на бромиде калия и других солевых кристаллах (NaCl, КCl, проч.). Низкий показатель преломления солей и их широкий диапазон прозрачности приводят к тому, что улучшить их оптические свойства нанесением плёнок практически невозможно. Для защиты деталей из солевых кристаллов на их поверхность наносят неорганическую пленку, достаточно тонкую для того, чтобы все интерференционные эффекты остались в коротковолновой нерабочей области.

Влагозащитное покрытие на солях

Рис. 1.2. Пропускание окна из KBr с защитным покрытием и без. Пропускание минимально ухудшилось, не появилось «органических» полос поглощения.

1.3. V-образное просветляющее покрытие на одну длину волны
Подобно аналогичным структурам для видимого диапазона, V-образные просветляющие покрытия основаны на конструкции из двух плёнок с высоким и низким показателями преломления. Как и для видимых структур, варьируя толщины и показатели преломления слоёв можно оптимизировать конструкцию под заданную подложку, длину волны и угол падения света. Как и в «видимом» случае, отражение от данной структуры вне узкого рабочего диапазона окажется выше, чем от поверхности без покрытия. Как правило, такие конструкции применяют для просветления на лазерных длинах волн, либо на рабочих длинах волн газоанализаторов.

Просветление селенида цинка на 10.6 мкм

Рис. 1.3. Просветление селенида цинка на 10.6 мкм (под СО2 лазер).


1.4. Просветление для Er:YAG @ 2.94 мкм
Частным случаем V-образного просветления является просветление на длину волны генерации Er:YAG лазера, 2.94 мкм. Данная длина волны совпадает с максимумом поглощения воды, почти всегда присутствующей в порах оксидных систем. Использование гидрофобных ИК-материалов позволяет создать структуру, обладающую меньшим поглощением, чем оксидное V-образное покрытие на данную длину волны.

 Просветление на 2.94 мкм германия, кремния и фторида кальция


Рис. 1.4. Просветление на 2.94 мкм германия, кремния и фторида кальция.

2. Широкополосные ИК-покрытия

2.1. Широкополосное просветляющее покрытие на 3-5 мкм
Одним из наиболее востребованных спектральных диапазонов является т.н. «первое атмосферное окно» 3-5 мкм. Иногда его сужают до интервала 3.7-4.8 мкм. В этом диапазоне используется множество оптических материалов, например, кремний, селенид цинка, германий, флюорит, сапфир и ИК-кварц. Для всех этих материалов Тидекс предлагает высокоэффективное широкополосное просветление, обладающее достаточной стойкостью для работы вне помещений в неэкстремальных условиях. Используются многослойные структуры, содержащие, как правило, не менее трёх материалов с разными показателями преломления.


Широкополосное просветляющее покрытие на 3-5 мкм

Рис. 2.1.А. Широкополосное просветление на первое атмосферное окно для основных ИК-материалов.
 

На кремнии и германии данное покрытие может комбинироваться с DLC на фронтальной поверхности изделия. Подробнее смотрите в статье про DLC (алмазоподобное покрытие).


Si DLC BBAR 3-5 um

Рис. 2.1.В. Пропускание окна из кремния. Алмазоподобное покрытие на фронтальной стороне изделия и широкополосное просветление на внутренней стороне.

2.2. Широкополосное просветляющее покрытие на 7-14 мкм
Во втором атмосферном окне, 7-14 мкм, в качестве материалов для изготовления оптики применяются, как правило, германий и селенид цинка. В некоторых случаях может использоваться кремний. Для данного диапазона мы предлагаем конструктивно те же просветления, что и для 3-5 мкм, но толщины интерференционных слоёв становятся примерно в 2.5 раза больше. Это приводит к тому, что покрытия оказываются несколько менее стойкими и требуют более аккуратного обращения. Пожертвовав частью спектральной эффективности можно, однако, достичь более высоких эксплуатационных параметров. После 11 мкм сами подложки и напылённые структуры демонстрируют заметное поглощение.


Остаточное отражение и пропускание германиевой пластины с двусторонним просветлением на 7-14 мкм

Рис. 2.2.A. Остаточное отражение от германиевой пластины с двусторонним просветлением на 7-14 мкм.

Остаточное отражение и пропускание германиевой пластины с двусторонним просветлением на 7-14 мкм

Рис. 2.2.B. Пропускание германиевой пластины с двусторонним просветлением на 7-14 мкм.

Остаточное отражение и пропускание пластины из селенида цинка с двусторонним просветлением на 7-14 мкм

Рис. 2.2.C. Остаточное отражение пластины из селенида цинка с двусторонним просветлением на 7-14 мкм.


Остаточное отражение и пропускание пластины из селенида цинка с двусторонним просветлением на 7-14 мкм.

Рис. 2.2.D. Пропускание пластины из селенида цинка с двусторонним просветлением на 7-14 мкм.


На кремнии и германии, как и для первого атмосферного окна, данное покрытие может комбинироваться с DLC на фронтальной стороне изделия.


Германий, алмазоподобное покрытие на фронтальной стороне изделия и просветление на 7-14 мкм на внутренней стороне

Рис. 2.2.E. Пропускание германиевой пластины с алмазоподобным покрытием на фронтальной стороне и просветлением на 7-14 мкм на внутренней стороне.


2.3. Широкополосное просветляющее покрытие на 3-5 + 8-12 мкм
В некоторых случаях оба ИК-диапазона канализируются общей оптической системой. В таких случаях мы предлагаем просветление на оба диапазона. Поскольку невозможно просветлить оба эти канала одновременно однослойкой, исключается использование для фронтальной поверхности стойких DLC или ZnS. Нами разработано и изготавливается широкополосное просветление на оба диапазона для германиевых подложек, обладающее приемлемой стойкостью для работы вне помещений в неэкстремальных условиях. 


Просветление на 3-5 мкм и 8-12 мкм на германии

Рис. 2.3. Просветление на 3-5 и 8-12 мкм на германии.

Просветление на 3-5 мкм и 8-12 мкм на селениде цинка

Рис. 2.3.А. Просветление на 3-5 мкм и 8-12 мкм на селениде цинка.


3. Суперширокополосные ИК-покрытия

3.1. Широкополосное просветляющее покрытие на 1.6-15 мкм
Оптика для Фурье-спектрометров должна обладать максимально широкой областью спектральной прозрачности. Наиболее ходовым материалом для такой оптики, после солей, является селенид цинка. Нами разработано и регулярно производится просветляющее покрытие для данного материала, улучшающее пропускание изделий в диапазоне от 1.6 до 15 мкм. 

Пропускание окна из ZnSe с двусторонним широкополосным просветлением на 1.6-15 мкм.

Рис. 3.1. Пропускание окна из ZnSe с двусторонним широкополосным просветлением на 1.6-15 мкм.

В некоторых случаях заказчику желательно ослабить видимое и ближнее ИК-излучение для уменьшения нежелательной засветки. Для данной задачи мы предлагаем «тёмное» просветление, достаточно эффективно подавляющее нежелательный диапазон.

Пропускание в видимом и ближнем ИК «тёмного» просветления на 1.6-14 мкм.

Рис. 3.1.А. Пропускание в видимом и ближнем ИК «тёмного» просветления на 1.6-14 мкм.

3.2. Суперширокополосное просветление на германии на 2.5-25 мкм
Для ATR (НПВО) - спектроскопии необходимы элементы из высокопреломляющих материалов. Френелевские потери на входе в такой ATR-элемент и на выходе из него существенно ослабляют сигнал. Возникает потребность в уменьшении френелевских потерь в максимально широком спектральном диапазоне. Нами разработано и регулярно производится такое просветляющее покрытие для германиевых ATR-зондов. 

Пропускание германиевого свидетеля с просветляющим покрытием в сравнении с деталью без покрытия.

Рис. 3.2. Пропускание германиевого свидетеля с просветляющим покрытием в сравнении с деталью без покрытия.

4. ИК-зеркала

4.1. ИК-зеркала
Идейно ИК-зеркала устроены так же, как и оксидные. Они состоят из чередующихся четвертьволновых слоёв материалов с высоким и низким показателями преломления. Большая контрастность показателей преломления ИК-материалов позволяет напылять относительно более широкополосные зеркала при меньшем числе пар слоёв по сравнению с «видимыми» структурами. Большая толщина слоёв и специфика ИК-материалов накладывают определенные ограничения на конструкцию покрытий. Такие зеркала гораздо толще, чем оксидные структуры для видимого диапазона, и они обладают несколько большим рассеянием при существенно меньшей лучевой стойкости. Основное их применение – разделение или комбинирование спектральных диапазонов, а не канализация высокоэнергичных лазерных лучей. 

Интерференционное зеркало на 2.1-3.3 мкм на подложке из селенида цинка.

Рис. 4.1.А. Интерференционное зеркало на 2.1-3.3 мкм на подложке из селенида цинка.

Интерференционное зеркало 7-11 мкм на подложке из кремния, угол падения 45 градусов. Зеркало прозрачно в ТГц-диапазоне.

Рис. 4.1.В. Интерференционное зеркало на 7-11 мкм на подложке из кремния, угол падения 45 градусов. Зеркало прозрачно в ТГц-диапазоне. 
 
4.2. ТГц-10600
Диэлектрические  ИК-зеркала могут быть использованы для решения задачи разделения  сгенерированного  ТГц-излучения  и  остаточного  излучения СО2-лазера  накачки. Для этого зеркало должно состоять из прозрачных в ТГц-диапазоне материалов, нанесённых на прозрачную в терагерцах подложку (как правило, это кремний или кристаллический кварц). Подробнее читайте в статье ТГц-спектроделители.

4.3.Фильтрующие (solar-blind) покрытия

Другим важным применением интерференционных ИК-зеркал является отсечка ближнего ИК-диапазона. Эта задача возникает, например, при создании пиргеометров – приборов для измерения температуры земной поверхности. Для проведения корректных измерений необходимо отсечь прямой солнечный свет от теплового излучения земной поверхности. Солнечный свет энергетически сконцентрирован в основном в диапазоне 0.2 – 5 микрон. Для переизлучаемой энергии пик интенсивности находится в районе 15 мкм (зависит от температуры), при этом достаточно важно пропускать излучение до 45-50 мкм. Точная длина волны отсечки может несколько варьироваться в зависимости от особенностей конструкции и применения готового изделия. Как правило, она выбирается в диапазоне 4.5-5.5 мкм. Семейство таких покрытий, отсекающих свет левее 5 мкм и пропускающих 5-45 мкм, получило название solar blind (отсекающих солнце) фильтров.

Спецификация:
Система покрытия
Диапазон 6-15 мкм
Диапазон 18-40 мкм
DLC+Si +Solar Blind Tсреднее >= 70%
Tпик = 85-90%
Tмин= 60%
Tсреднее >= 50%
Tпик= 55-60%
Tмин= 35-40%
Si +Solar Blind
(без DLC)
Tсреднее >= 55%
Tпик= 60-70%
Tмин= 50%
Tсреднее >= 45%
Tпик= 50-55%
Tмин= 35-40%
Дополнительная спецификация для обеих систем покрытия
Рабочий диапазон температур
-40 C ...+80 C
Влажность
повышенная, вплоть до 90-95%
Т<отсечки>  (задается заказчиком)
4.5 +/- 0.3мкм
Т в диапазоне до Т<отсечки> <=0.4% (для диапазона 1-4.5мкм)
Диапазон "прозрачности" покрытия,
в котором Т>= 20%
 45 мкм

Как и в случае обычных диэлектрических "холодных" зеркал, конструктивно покрытие solar blind представляет собой интерференционное зеркало с несколькими дополнительными слоями, улучшающими спектральное поведение в длинноволновой области. Большинство пленкообразующих ИК-материалов проявляет значительное поглощение правее 12-15 мкм. Для обеспечения высокого пропускания в длинноволновой зоне до 45 мкм необходимо использовать в конструкции только подходящие материалы.


 Solar-blind Coating
Рис. 4.3. Спектр пропускания кремниевого образца с односторонним solar-blind покрытием и с двусторонним solar blind плюс алмазоподобным (DLC).

Подобные фильтрующие покрытия широко используются в пиргеометрах - приборах для измерения эффективного излучения земной поверхности.

Поставляемые нами менисковые линзы с покрытием solar blind прошли успешное тестирование в составе пиргеометра в Физико-метеорологической обсерватории в Давосе (Швейцария).

5. Светоделители

Интерференционная структура позволяет увеличить отражение от поверхности детали в широком спектральном диапазоне, оставив при этом её частично пропускающей в том же диапазоне, т.е. разделить световой поток между пропусканием и отражением. Нами освоено производство таких делителей на основе частично отражающих неметаллических интерференционных структур. 

Делитель 50/50 на подложке из фторида бария.

Рис. 5. Делитель 50/50 на подложке из фторида бария.


6. Делительные покрытия для Фурье-спектрометров 

Делители для Фурье-спектрометров должны не только делить ИК-спектр, но и обладать зоной деления калибровочного лазера, как правило это 633 нм. Подробно данные делители описаны в статье Подложки для FTIR-светоделителей.

Пример делительных покрытий на подложке из селенида цинка.

Рис. 6.А. Пример делительного покрытия на подложке из селенида цинка. Рабочий угол 45 градусов.

Пример делительных покрытий на подложке из бромида калия.

Рис. 6.В. Пример делительного покрытия на подложке из бромида калия. Рабочий угол 30 градусов.