Оптические покрытия для видимого и ближнего ИК спектрального диапазона

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

Материалами для оптических покрытий в данном диапазоне выступают, как правило, оксиды и фторид магния. Они формируют плотные прочные плёнки, устойчивые к механическим и климатическим воздействиям, обладающие крайне низким поглощением и невысоким рассеянием. Поэтому покрытия для данного спектрального диапазона, как правило, проявляют высокую эксплуатационную и лучевую стойкость. Использование ионного ассистирования даёт дополнительный выигрыш в стойкости получаемых конструкций.
При изготовлении покрытий мы не ограничиваем себя стандартным набором конструкций, а стараемся максимально удовлетворить ТЗ заказчика. Приводимые ниже примеры наших работ демонстрируют, но не исчерпывают наши возможности. Обращайтесь, и мы приложим все усилия для максимально полного решения именно Вашей задачи.

1. Просветляющие покрытия
2. Высокоотражающие покрытия
3. Делительные покрытия

1. Просветляющие покрытия

1.1. Четвертьволновое просветляющее покрытие – плёнка MgF2
Возможно, самое простое интерференционное просветляющее покрытие состоит из одного слоя фторида магния (MgF2). Так как плёнка MgF2 имеет очень низкий показатель преломления (приблизительно 1.38 на длине волны 550 нм), нанесение четвертьволновой плёнки на любое оптическое стекло позволяет заметно уменьшить остаточное отражение. Так, для К8 (показатель преломления 1.52)– с 4.1% до 1.2%. На высокопреломляющих стёклах и сапфире эффект от применения данной плёнки ещё выше, отражение на центральной длине волны опускается ниже 0.5% при 7-9% отражении от изделия без покрытия. Левее и правее центральной длины волны отражение плавно растёт, оставаясь во всём спектре ниже, чем отражение от детали без покрытия. Так, центрованная на 550 нм плёнка обеспечивает приемлемое просветление во всём видимом диапазоне. Для стекла К8 интегральные потери на отражение на 400-800 нм уменьшаются примерно вдвое на каждой поверхности, для высокопреломляющих стёкол – в 10 раз.

Важным достоинством данного покрытия является его высочайшая в своём классе механическая и химическая стойкость.

MgF2 на К8 и на сапфиреРис. 1.1. Сравнение отражения от поверхностей К8 и сапфира с пленкой MgF2 и без.

1.2. V-образное просветляющее покрытие на одну длину волны
Обозначение «V-образное» происходит от V-образной формы кривой остаточного отражения (в противоположность плёнке MgF2, когда кривая отражения похожа на очень пологую «U»). V-образные просветляющие покрытия состоят, как правило, из двух неравнотолщинных слоёв оксидов с высоким и низким показателем преломления. Варьируя толщины и показатели преломления слоёв, можно достичь чрезвычайно низких потерь на заданной длине волны. Обычно такие покрытия конструируют для линий генерации лазера. Конструкция оптимизируется под рабочий угол падения света.

Стандартное значение остаточного отражения от каждой поверхности для V-образного покрытия менее 0.25%. Достижение величины ≤0.15%  также возможно по специальному запросу.

В отличие от однослойного просветления MgF2, данная структура может быть оптимизирована для получения указанного отражения на стёклах практически всех марок и большинстве кристаллов. 

V-образное просветление на К8 @ 633 нм

Рис. 1.2.A. Остаточное отражение от изделия из К8 с V-образным просветлением на 633 нм при нормальном падении.

V-образное просветляющее покрытие

Рис. 1.2.B. Остаточное отражение от изделия из К8 с V-образным просветлением на 1064 нм при нормальном падении.

V-образное просветляющее покрытие

Рис. 1.2.C. Остаточное отражение от изделия из К8 с V-образным просветлением на 1550 нм при нормальном падении.


Следует, однако, помнить, что вне узкого рабочего диапазона отражение от данной структуры окажется выше, чем от стекла без покрытия.

V-образное просветляющее покрытие

Рис. 1.2.D. Отражение от детали с V-образным просветлением в сравнении с отражением от непросветленного К8. Угол падения 30 градусов, поляризация (s+p)/2.

1.3. Двухполосные W-образные просветляющие покрытия
Двухполосные просветляющие многослойные покрытия требуются, когда оптические компоненты должны обеспечивать очень высокое пропускание на двух различных длинах волн. Например, когда необходимо с высокой эффективностью обеспечить прохождение через оптический элемент фундаментальной длины волны генерации лазера и второй гармоники. Наличие двух «провалов» в спектре остаточного отражения такого покрытия делает его похожим на букву W, что и даёт название данному семейству покрытий. Конструктивно такие покрытия состоят, как правило, из 4 слоёв, сформированных тремя материалами с различными показателями преломления.

Двухполосные просветляющие многослойные покрытия

Рис. 1.3.А. Остаточное отражение от поверхности К8 с W-type просветлением для 1064 и 532 нм, угол падения ноль градусов.

Двухполосные просветляющие многослойные покрытия

Рис. 1.3.В. Просветление W-type для 532 и 1064 нм, угол падения ноль градусов.

1.4. Широкополосное просветляющее покрытие
Для обеспечения низкого отражения в широком спектральном диапазоне используются структуры из трёх-шести слоёв, состоящие, как правило, из трех и более материалов с разными показателями преломления.

Широкополосное просветляющее покрытие

Рис. 1.4.A. Остаточное отражение от изделия из ТФ-9 с широкополосным просветляющим покрытием на  400-700 нм, нормальное падение.

Широкополосное просветляющее покрытие

Рис. 1.4.B. Остаточное отражение от изделия из К8 с широкополосным просветляющим покрытием на 1.2-2мкм, угол падения 45 градусов, (s+p)/2.


2. Высокоотражающие покрытия

2.1. Диэлектрические зеркала

Высокоотражающие (зеркальные) покрытия состоят из достаточного количества пар равнотолщинных слоев диэлектрических материалов. Толщина слоёв и количество пар определяется исходя из условия получения требуемого отражения на центральной рабочей длине волны и при рабочем угле падения. Ширина зоны отражения определяется отношением показателей преломления используемых диэлектриков и составляет, как правило, около 10-12% от рабочей длины волны. Чаще всего такие зеркала создаются для работы с лазерами, когда требуется высокое отражение на одной длине волны и высокая лучевая стойкость. Отражение от таких конструкций в рабочем диапазоне превышает 99% (типичное для металлов значение не превышает 95%), а лучевая стойкость составляет несколько Джоулей на см2 (против 0.3 Дж/см2 у металлов). Эти покрытия, как правило, конструируются для угла падения 0 или 45 градусов, но могут быть оптимизированы под почти любой другой угол. Например, для наших внеосевых параболических зеркал диэлектрические конструкции оптимизируются под рабочий угол падения, равный половине внеосевого угла параболы.

Диэлектрические зеркала

Рис. 2.1.A. Высокоотражающее диэлектрическое зеркало на 1064 нм, угол падения ноль градусов.

Диэлектрические зеркала

Рис. 2.1.B. Диэлектрическое зеркало на 750-850 нм, угол падения 22.5 градуса. Показано остаточное пропускание. Поляризация (s+p)/2.

Диэлектрические зеркала

Рис. 2.1.C. Диэлектрическое зеркало на 2.1 мкм, угол падения 45 градусов, (s+p)/2.


2.2. Высокоотражающее покрытие на две длины волны
Конструкция, полученная в результате последовательного нанесения на одну подложку двух диэлектрических зеркал, будет обладать высоким отражением на двух длинах волн, хотя её лучевая стойкость заметно снизится. Такие зеркала удобно использовать, когда в системе используются два лазера или лазер и его гармоника. Типичная задача: канализация рабочего силового луча 1064 нм и пилотного визуализирующего 633 нм.

Зеркало на две длины волны для высоко-отражающего покрытия.

Рис. 2.2. Зеркало на две длины волны для высокоотражающего покрытия.

Также смотрите раздел Металл-диэлектрические зеркала

2.3. Широкополосные высокоотражающие покрытия 
Напыляя на одну подложку два диэлектрических зеркала, центрованных на две близкие длины волны, можно получить изделие с широким ровным спектром отражения. Такие покрытия востребованы для работы с перестраиваемыми лазерами (например, Ti:Sa), особенно при больших углах падения, а также для изделий, обеспечивающих высокое отражение в широком диапазоне рабочих углов. 

Широкополосные высокоотражающие покрытия

Рис. 2.3. Высокоотражающее «двойное» зеркало на 700-900 нм, угол падения 45°, (s+p)/2. Показан спектр этого же зеркала при нормальном падении.

Широкополосные высокоотражающие покрытия могут также быть металлическими, металл-диэлектрическими.

3. Делительные покрытия

3.1. "Холодные/горячие" зеркала и отрезающие фильтры
Классическое диэлектрическое зеркало помимо основной зоны отражения обладает побочными максимумами, находящимися по спектру как левее, так и правее рабочей длины волны. 

Диэлектрическое зеркало и побочные максимумы отражения

Рис. 3.1.А. Диэлектрическое зеркало и побочные максимумы отражения.

Варьируя некоторые слои «классического» пакета, мы можем, практически не меняя отражение в рабочей спектральной области, перераспределить эти побочные максимумы, подавив их либо в коротковолновой, либо в длинноволновой области. Таким способом можно обеспечить достаточно высокое пропускание в зоне слева или справа от основной зеркальной области. В зависимости от того, в коротковолновой или длинноволновой зоне мы подавили побочные пики, такие конструкции называют холодными или горячими зеркалами. Чаще всего «горячие» зеркала отражают инфракрасное излучение, пропуская видимое. Такие зеркала применяются в проекционных системах для уменьшения тепловой нагрузки.

Холодное зеркало

Рис. 3.1.В. "Холодное" зеркало. Отражение на 1.15-1.35 мкм, S-pol, пропускание на 1.5-2.5 мкм, P-pol. Подложка кварц КИ, угол падения 45 градусов.

Такая же конструкция позволяет создать отрезающий фильтр и защитить фотоприёмник от нежелательного излучения. 

Отрезающий фильтр

Рис. 3.1.С. Отрезающий фильтр. Пропускание более 85% для 3.25-3.75 мкм (вторая сторона просветлена). Пропускание менее 0.1% для волн короче 2.5 мкм. Подложка – германий.  Для сравнения приведен спектр германия без покрытия. 

3.2. Конструкции для сведения/разделения лучей
Конструкции для сведения/разделения лучей близки к "холодным/горячим" зеркалам и позволяют сводить лучи работающих на разных длинах волн лазеров. 

Конструкции для сведения/разделения лучей
3.3. Поляризационные делители
При угле падения, отличном от нулевого, отражение для S-поляризации становится значительно выше, чем для P-поляризации. Также, зона высокого отражения для P-поляризации сужается значительно быстрее, чем для S. Этот эффект позволяет создавать конструкции, всё ещё  хорошо отражающие S-поляризацию, но уже хорошо пропускающие P.

Поляризационный делитель

Рис. 3.3. Поляризационный делитель. Высокое отражение на 2.05 мкм, s-pol, высокое пропускание на 2.2 мкм, p-pol. Угол падения 50 градусов.

3.4. Выходные лазерные зеркала
Чтобы получить «глухое» диэлектрическое зеркало, необходимо напылить достаточное количество пар плёнок с высоким и низким показателями преломления. При меньшем числе пар отражение будет ниже, зато часть света будет проходить через зеркало. Такие конструкции практически не поглощают свет, а потери на рассеяние в них минимальны. Подбирая количество пар, а также толщину и материал последнего слоя, можно добиться практически любого соотношения пропускания и отражения. Такие конструкции идеально подходят для работы в качестве выходных зеркал в лазерных резонаторах, выводя из резонатора максимально возможную мощность и поддерживая в нём стоячую волну.

Светоделительное покрытие

Рис. 3.4. Светоделительное покрытие R=(50 ±1)% на 1064 нм, угол падения 0°.  

3.5. Широкополосные частично-отражающие (светоделительные) покрытия
Аналогично изготавливаются частично-отражающие покрытия для широкополосных применений. Типичным приложением можно назвать делитель луча, направляющий часть света от объекта в окуляр, а остальную энергию на фотоприемник. Другой пример – делитель энергии в интерферометре белого света. 

Светоделительное покрытие

Рис. 3.5. Светоделительное покрытие на 1.5-3.5 мкм, (s+p)/2, 45°. Подложка – кварц КИ.

3.6. ТГц делители
Диэлектрические зеркала могут быть использованы для решения задачи разделения сгенерированного ТГц-излучения и остаточного излучения титан-сапфирового 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 разделе ТГц-спектроделители.

Склад продукции
Продукция,  доступная для заказа и готовая к отгрузке. Склад обновляется еженедельно.
Условия приобретения
Минимальный заказ/ Доставка/ Условия оплаты/ Гарантии...
Импульсный терагерцовый спектрометр
Тидекс представляет новую разработку!
Импульсный терагерцовый спектрометр - комплексное решение для широкополосной терагерцовой спектроскопии во временной области.