Характеристики и дизайн оптической тонкой пленки

Почти во всех оптических деталях необходимо использовать тонкие оптические пленки для изменения характеристик пропускания или отражения в оптических системах. Хотя тонкие оптические пленки распространены повсеместно, многие разработчики оптических систем не знакомы с компромиссами при проектировании или использовании тонких пленок или не понимают характеристики различных технологий осаждения тонких пленок. Ниже приводится подробное описание важных оптических тонкопленочных конструкций и связанных с ними факторов осаждения оптических тонких пленок.

Оптическая тонкая пленка состоит из слоев материалов с высоким показателем преломления и низким показателем преломления. Его принцип работы заключается в использовании интерференции света для улучшения передачи одной или нескольких длин волн или предпочтительного отражения или передачи поляризации для выполнения этих задач. Слои иногда содержат десятки или сотни слоев и состоят из множества материалов с разными показателями преломления.

Однако материалы, доступные разработчику пленки, не безграничны, а это означает, что фактическое покрытие должно быть построено с ограниченным показателем преломления. Кроме того, процесс нанесения покрытия не может полностью точно контролировать толщину и показатель преломления каждого слоя.

Поэтому инженеры-оптики должны понимать характеристики различных оптических тонких пленок, такие как экономическая эффективность пленки, влияние коэффициента пропускания на систему, адаптируемость к окружающей среде и способность противостоять лазерному повреждению. Ниже приводится введение в характеристики и конструкцию различных оптических тонких пленок и схем осаждения оптических тонких пленок.

Антибликовое покрытие (AR)

Характеристики антиотражающего покрытия (AR) обычно определяются средним коэффициентом пропускания одной длины волны или диапазона длин волн, и, конечно, его также можно измерить по максимальному остаточному отражению, разрешенному разработчиком. Для конкретных оптических материалов коэффициент поглощения материала фиксирован.

В некоторых особых случаях может оказаться более разумным использовать для измерения максимально допустимое остаточное отражение. Для AR-пленки с одной длиной волны и одним углом падения можно получить очень высокую производительность. Например, на поверхности оптического стекла в видимом диапазоне света широко распространено явление, когда остаточное отражение каждой поверхности составляет менее 0,1%.

С увеличением числа слоев остаточное отражение на поверхности уменьшается (увеличивается коэффициент пропускания), но при этом уменьшается диапазон спектральной ширины. По мере увеличения спектральной полосы пропускания или угла падения поддерживать высокие характеристики AR-пленок становится все сложнее.

Поэтому разработчику оптики необходимо знать, являются ли указанные характеристики максимальным коэффициентом пропускания (остаточным коэффициентом отражения) или средним коэффициентом пропускания (остаточным коэффициентом отражения) во всем спектральном диапазоне или диапазоне углов падения. В противном случае небольшая ошибка может привести к огромным последствиям.

Для ненулевых углов, особенно для просветляющих пленок выше 30°, состояние поляризации падающего света оказывает существенное влияние на конструкцию и характеристики покрытия, и важно определить состояние поляризации падающего света. В случае всех ненулевых углов падения S-поляризация имеет более высокую отражательную способность на поверхности среды, чем P-поляризация.

Поэтому, если в системе имеются наклонные компоненты и требуется относительно высокий коэффициент пропускания, разработчику оптики следует использовать соответствующую оптику. Структура позволяет оптическому компоненту воспринимать P-поляризованный свет.

По мере увеличения угла падения характеристики противоотражающей пленки смещаются в сторону более коротких волн. Например, просветляющее покрытие, предназначенное для обеспечения минимальной отражательной способности при нормальном падении, обеспечивает наименьшую отражательную способность при более коротких длинах волн и угле падения 45°. На линзе малого радиуса угол падения в центре равен 0°, а угол падения на краю может составлять 70°.

Даже если в оптической системе используется одна длина волны, AR-пленка должна иметь высокие характеристики в широком спектральном диапазоне. Даже при увеличении угла падения, когда отклик пленки меняется, она все равно может хорошо работать при номинальной длине волны. Фактически, для оптических поверхностей с небольшим радиусом могут потребоваться специальные средства или инструменты для поддержания стабильных характеристик. Следовательно, необходимы некоторые компромиссы между сложностью, стоимостью и качеством фильма.

Из-за ограниченного количества материалов, которые могут одновременно передавать видимый и инфракрасный свет, невероятно сложно спроектировать и нанести AR-пленку, которая будет работать одновременно в видимом и инфракрасном диапазонах.

Многополосные AR-пленки очень распространены в военных оптических системах. Достичь высокого коэффициента пропускания в широком диапазоне относительно легко, а стоимость также будет снижена. Кроме того, конструкция может анализировать конкретные требования системы для каждого диапазона, указывать относительно высокие характеристики одной длины волны и смягчать требования других диапазонов, что также может обеспечить эффект мультипликатора.

Высокоотражающая пленка

Пленка с высокой отражающей способностью может быть изготовлена тремя способами: металлическая пленка, металл/диэлектрическая пленка и диэлектрическая пленка. Преимущество металлической пленки в том, что она имеет хорошие характеристики в широком спектральном диапазоне. Например, отражательная способность алюминиевой отражающей пленки в диапазоне от 400 нм до 10 мкм превышает 85%, а отражательная способность золотой отражающей пленки от 2 мкм до дальнего инфракрасного диапазона превосходит 99%. Для всех диэлектрических мембран практически невозможно достичь этого уровня. Кроме того, разница в отражательной способности между S-поляризацией и P-поляризацией отражающей металлической пленки обычно намного меньше, чем у диэлектрической пленки.

Однако пиковая отражательная способность отражающей металлической пленки меньше пиковой отражательной способности диэлектрической пленки. Даже золотая светоотражающая пленка с коэффициентом отражения 99,5% в инфракрасном диапазоне не может сравниться с диэлектрической пленкой. Диэлектрическая пленка может обеспечить 99,99% мощности на одной длине волны. Еще более высокая отражательная способность. Небольшое поглощение металлической пленки ограничивает ее пиковую отражательную способность, что приводит к существенному ограничению использования металлической пленки, а способность к повреждению лазером не так хороша, как у диэлектрической пленки.

Физическая долговечность металлической пленки (стойкость к истиранию, влажному нагреву, воздействию соли) не так хороша, как у диэлектрической пленки. Например, в отражательной способности серебра, чтобы предотвратить окисление, его поверхность необходимо покрыть другим материалом, снижающим его отражательную способность.

Для всех компонентов с высокой отражающей способностью с диэлектрическими пленками при указании чрезвычайно высокой отражательной способности (>99,995%) необходимо учитывать качество поверхности компонента, поскольку поверхностное рассеяние становится основным фактором, ограничивающим производительность, и необходимо указать шероховатость оптической поверхности. Супергладкая поверхность Также необходимы специальные методы полировки и тестирования, и соответствующие затраты возрастут.

Спектроскопическая пленка

Характеристики спектроскопической пленки во многом зависят от структуры спектроскопического элемента. Обычно существует два типа структур спектроскопического элемента: кубический или плоский. Кубическая структура предпочтительна для неполяризованного света, который по своей природе менее чувствителен к входной поляризации, чем плоская панель.

Напротив, поляризационный светоделитель может использовать внутреннюю разницу между S-поляризацией и P-поляризацией при отражении для достижения очень высоких характеристик. Плоские поляризаторы всегда настроены на отражение S-поляризации через P-поляризацию и обычно работают лучше всего, когда угол Брюстера (коэффициент отражения P-поляризации падает до 0). Для длин волн видимого света и подложек из оптического стекла этот угол превышает 56°.

Для плоских или кубообразных поляризационных светоделителей гораздо проще устранить S-поляризованный свет в проходящем луче, чем удерживать P-поляризованный свет вдали от отраженного луча. То есть для видимого света коэффициент ослабления пропускания 10000:1 является нормальным. Трудно добиться коэффициента затухания отражения более 100:1. Эти характеристики производительности следует учитывать в процессе проектирования системы.

В светоделителе несколько факторов могут вызвать сложность покрытия. Например, по мере увеличения угла падения разница в отражательной способности между S-поляризацией и P-поляризацией становится больше, что затрудняет создание зеркал с одинаковыми характеристиками для обоих состояний поляризации. Поэтому в этом случае выгодно иметь дело только с одной поляризацией.

Если неполяризованный свет неизбежен, лучше всего спроектировать оптическую систему, в которой светоделитель работает под меньшим углом падения, чтобы минимизировать эффект расщепления луча. Спектральный диапазон (спектральная полоса пропускания) также является важным фактором. Для самой левой поляризационно-нечувствительной пленки, спектральный диапазон которой превышает ±10% центральной длины волны (например, 550 нм ±50 нм), является огромной проблемой.

Также важно то, как указаны допуски светоделителя. Например, существует большая разница между светоделителем, который должен поддерживать свои номинальные характеристики в пределах диапазона падения 45°±5°, и светоделителем, который должен обеспечивать номинальные характеристики в том же диапазоне.

В первом случае характеристики светоделителя должны соответствовать диапазону углов падения всех углов, превышающих 40–50°; во втором случае характеристики светоделителя удовлетворяются только в диапазоне от 40° до 50°, и пользователь будет вставлять компоненты светоделителя в свою систему и регулировать наклон для достижения требуемых характеристик. Требования к светоделителю в первом случае гораздо более жесткие, чем во втором.

Кубический светоделитель состоит из призм путем склеивания и склеивания, что приводит к ошибкам волнового фронта и тем самым влияет на производительность. Кроме того, поглощение клея вызовет рассеяние, что значительно снижает порог повреждения лазером. (В настоящее время некоторые производители используют технологию активированной ковалентной связи (ACB), чтобы избежать влияния клеев)

Спрос на военные фильмы

Конкретные функции, требуемые военными требованиями, часто создают серьезные проблемы для фильма. Например, некоторые оптоэлектронные системы обычно работают в мультиспектральных диапазонах, охватывающих видимый свет (400–600 нм), лазер, безопасный для глаз (1,54 мкм), средневолновый инфракрасный диапазон (3–5 мкм) и т. д. Эти слои оптических пленок Также часто указывается, что они работают в широком диапазоне углов падения и нечувствительны к поляризации.

Чтобы минимизировать размер и вес системы, особенно в портативных и бортовых системах, инженеры-оптики могут сжимать диаметр оптических компонентов, увеличивая плотность мощности лазерного луча. Поэтому порог лазерного повреждения также является одним из вопросов, требующих внимания.

Для достижения расширенных функций в оптические тонкие пленки может потребоваться введение большего количества слоев, что также приведет к получению относительно толстых пленок, которые могут испытывать более высокие механические нагрузки. Чтобы уменьшить вес, в системе могут быть части с относительно небольшим соотношением сторон, и напряжение пленки будет деформировать эти части, тем самым увеличивая искажение волнового фронта всей системы.

Военные системы должны выдерживать большие колебания температуры, температуры и коррозию от солевых брызг, дыма и других загрязнителей в воздухе. Некоторые мембраны поглощают воду, в сочетании с изменениями температуры производительность мембраны может измениться. Видно, что стабильность характеристик и долговечность пленки также являются факторами, которые необходимо учитывать.

Решение для осаждения оптических тонких пленок

Существует множество методов нанесения покрытий на тонкие оптические пленки, и разные процессы нанесения покрытия по-разному влияют на стабильность, долговечность, порог лазерного повреждения и внутреннее напряжение пленки. Инженеры-оптики должны иметь базовое представление о характеристиках, преимуществах и ограничениях этих методов осаждения.

Термическое испарение (с использованием резистивного нагрева или электронно-лучевого нагрева) на сегодняшний день является наиболее широко используемым методом. Его преимущество в том, что метод имеет широкий диапазон работы (от ультрафиолета до дальнего инфракрасного диапазона) и низкую стоимость. Самым большим недостатком этого метода является то, что он создает пористую пленку, которая легко впитывает влагу, тем самым изменяя эффективный показатель преломления пленки, что затрудняет поддержание требуемых характеристик пленки при воздействии изменений температуры и влажности окружающей среды.

Кроме того, пористый слой мембраны склонен содержать дефекты, приводящие к ухудшению качества поверхности, а слой термоиспарительной мембраны обладает наихудшей механической прочностью среди всех технологий осаждения.

Ионно-активированное осаждение (IAD) представляет собой усовершенствованную версию термического испарительного осаждения. Он использует заряженные ионы для сжатия каждого слоя осаждения. IAD обеспечивает более плотную оптическую тонкую пленку. Технология нанесения IAD обеспечивает наилучший баланс между долговечностью и производительностью, особенно в средневолновом инфракрасном диапазоне от 3 до 5 мкм.

При ионном напылении (IBS) пучок ионов высокой энергии направляется на мишень (обычно состоящую из металла или оксида), а атомы или молекулы мишени распыляются с высокой энергией. Эти частицы затем вытекают из источника и затем осаждаются на подложку. IBS производит полностью плотную оптическую тонкую пленку, которая позволяет избежать водопоглощения пленки, а также очень стабильна при изменении окружающей среды.

Материалы, нанесенные IBS, обладают воспроизводимыми характеристиками показателя преломления в сочетании с точным контролем толщины пленки, пленка имеет очень высокую точность и может постоянно идеально соответствовать фактической пленке ожиданиям дизайна. Это в производстве многоспектральных фильмов. И большое значение имеет слой пленки, который удовлетворяет широкому диапазону углов и конкретным поляризационным характеристикам.

По сравнению с испарительным осаждением, IBS использует ограниченный набор материалов, что не является проблемой в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Поскольку материалы ZnS и фториды несовместимы с СРК, это становится проблемой в диапазоне от 3 до 5 мкм. Потенциальная проблема всех плотных оптических тонких пленок заключается в том, что они могут содержать напряжения, которые отрицательно влияют на искажение волнового фронта.

Компания QUANHOM, ведущий производитель инфракрасных оптических линз, разработала методы борьбы с такими потенциальными проблемами. Например, процесс отжига после пленки используется для уменьшения внутреннего напряжения, предварительно рассчитывается и целенаправленно создается погрешность поверхности, а затем корректируется напряжение, вызванное пленкой.

Инфракрасные оптические линзы производства QUANHOM имеют разумную и хорошую оптическую тонкопленочную конструкцию, которая может соответствовать показателям производительности системы. Если после ознакомления с вышеизложенным у вас все еще остались сомнения по поводу конструкции оптических тонких пленок, вы можете связаться с нами для комплексного решения.

Как профессиональный производитель опто-электромеханических компонентов , мы всегда стремились производить разнообразные высококачественные инфракрасные тепловизионные линзы (включая LWIR, MWIR и SWIR). У нас есть профессиональная производственная команда, строгая система контроля качества и контроль качества от дизайна продукта до экспорта. В то же время мы также обеспечим продуманное комплексное обслуживание и эффективные технологии решения в соответствии с фактическими потребностями клиентов. Если вы заинтересованы в наших инфракрасных оптических линзах, пожалуйста, немедленно свяжитесь с нами!