Оптическое зеркало
Владельцы патента RU 2778680:
Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Государственный институт прикладной оптики" (АО "НПО ГИПО") (RU)
Изобретение может быть использовано при изготовлении отражающих оптических элементов оптоэлектронных приборов. Оптическое зеркало содержит подложку, адгезионный слой, выполненный из хрома, отражающий слой и защитный слой, выполненный из оксида иттрия. Зеркало дополнительно содержит слой из диоксида кремния, расположенный между отражающим слоем и защитным слоем, отражающий слой выполнен из меди. Толщины слоев хрома, меди, диоксида кремния и оксида иттрия составляют соответственно 50…100 нм, 150…200 нм, 80…90 нм и 90…100 нм. Технический результат - повышение коэффициента отражения во всех рабочих спектральных диапазонах. 4 ил.
Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано при изготовлении отражающих оптических элементов различных оптоэлектронных приборов для получения высокого коэффициента отражения (R) в широкой области спектра.
Аналогом является оптическое зеркало (патент JPS476633U, МПК G02B 5/00, опубликован 22.09.1972), содержащее подложку, адгезионный слой толщиной 490-510 нм, выполненный из хрома, отражающий слой, выполненный из золота, и ряд чередующихся защитных слоев из материалов с высокими и низкими показателями преломления, таких как MgF2, ZnS, SiO, SiO2, Al2O3, TiO, TiO2, ZrO2, ZrSiO4.
Основной недостаток этого зеркала заключается в том, что оно имеет пониженные отражательные свойства из-за большой толщины защитных слоев, обусловленных большим количеством таких материалов, как MgF2, ZnS, SiO, SiO2, Al2O3, TiO, TiO2, ZrO2, ZrSiO4.
Прототипом является оптическое зеркало (патент RU112450 U1, МПК G02B 5/00, опубликован 10.01.2012), содержащее подложку, адгезионный слой толщиной 490-510 нм, выполненный из хрома, отражающий слой, выполненный из золота, и защитный слой толщиной 200-220 нм, выполненный из оксида иттрия.
Коэффициент отражения оптического зеркала-прототипа составляет от 98,0% до 99,0% в области спектра 0,6-0,8 мкм и 99,5% в области спектра от 8 до 14 мкм. Коэффициент отражения зеркала-прототипа в среднем ИК спектральном диапазоне от 3,5 до 5,5 мкм не указан, но расчеты показывают, что он составляет от 99,0% до 99,1%.
Недостатком прототипа являются относительно невысокие коэффициенты отражения в спектральных рабочих диапазонах от 0,6 до 0,8 мкм, от 3,5 до 5,5 мкм и от 8 до 14 мкм.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка конструкции оптического зеркала, позволяющей добиться повышения коэффициента отражения во всех рабочих спектральных диапазонах.
Решение этой задачи позволяет использовать такое зеркало с максимальной эффективностью как в оптоэлектронных приборах, использующих для работы видимый, а также средний или дальний ИК спектральные диапазоны, так и в многоспектральных приборах, использующих наряду с видимым оба указанных ИК диапазонов.
Техническая задача решается тем, что оптическое зеркало, содержащее подложку, адгезионный слой, выполненный из хрома, отражающий слой и защитный слой, выполненный из оксида иттрия, согласно настоящему изобретению, дополнительно содержит слой из диоксида кремния, расположенный между отражающим слоем и защитным слоем, отражающий слой выполнен из меди, при этом толщины слоев хрома, меди, диоксида кремния и оксида иттрия составляют соответственно 50…100 нм, 150…200 нм, 80…90 нм и 90…100 нм.
На фиг. 1 изображена конструкция предлагаемого оптического зеркала (поперечный разрез).
На фиг. 2 представлены спектральные характеристики отражения предлагаемого оптического зеркала (кривая 1) и зеркала-прототипа (кривая 2) в спектральном диапазоне от 0,6 до 0,8 мкм.
На фиг. 3 представлена спектральная характеристика отражения предлагаемого оптического зеркала (кривая 3) и зеркала-прототипа (кривая 4) в спектральном диапазоне от 3,5 до 14 мкм.
На фиг. 4 представлена спектральная характеристика отражения пленки меди (кривая 5) толщиной 150…200 нм и пленки золота (кривая 6) толщиной 150…200 нм в спектральном диапазоне от 3,5 до 14 мкм.
Оптическое зеркало содержит нанесенные в вакууме на подложку 1 адгезионный слой 2, выполненный из хрома, отражающий слой 3, слой 4 и защитный слой 5, выполненный из оксида иттрия.
Отличием предлагаемого оптического зеркала является то, что отражающий слой 3 выполнен из меди, слой 4, расположенный между отражающим слоем 3 и защитным слоем 5, выполнен из диоксида кремния, при этом толщины слоев 2, 3, 4 и 5 составляют соответственно 50…100 нм (слой хрома), 150…200 нм (слой меди), 80…90 нм (слой диоксида кремния) и 90…100 нм (слой оксида иттрия).
Оптимальные толщины адгезионного 2 и отражающего 3 слоев определены экспериментально.
Адгезионный слой 2 из хрома толщиной 50…100 нм обеспечивает необходимое сцепление отражающего слоя 3 с подложкой 1 из оптического стекла.
Коэффициент отражения тонкой пленки зависит от технологических условий ее получения. Экспериментально определено, что коэффициент отражения пленки меди толщиной 150…200 нм, полученной методом электронно-лучевого испарения в вакууме, превышает в спектральном диапазоне от 3,5 до 14 мкм на 0,5% коэффициент отражения пленки золота, используемой в зеркале-прототипе и полученной аналогичным способом. Сравнительные спектральные характеристики отражения пленок меди (кривая 5) и золота (кривая 6), полученных на вакуумной установке ВУ-1А показаны на фиг. 4. Измерение спектральных характеристик отражения пленок меди и золота проведено на ИК-Фурье спектрометре, погрешность измерения коэффициента отражения которого составляет 0,1%.
К недостаткам меди относится ее мягкость и быстрое окисление, приводящее к уменьшению коэффициента отражения.
Для повышения прочности медного слоя и увеличения коэффициента отражения в спектральном диапазоне от 0,6 до 0,8 мкм на подложку 1 дополнительно нанесены слой 4 из диоксида кремния SiO2 толщиной 80…90 нм и защитный слой 5 из оксида иттрия Y2O3 толщиной 90…100 нм.
Толщины слоев 4 и 5 рассчитаны таким образом, чтобы увеличить коэффициент отражения в спектральном диапазоне от 0,6 до 0,8 мкм, не уменьшая его при этом в спектральных диапазонах от 3,5 до 5,5 мкм и от 8 до 14 мкм.
Слой 4 и защитный слой 5 обеспечивают высокие эксплуатационные характеристики - необходимую для работы в составе оптоэлектронных приборов механическую прочность и влагостойкость с сохранением оптических характеристик отражения в заданном спектральном диапазоне. Механическая прочность предложенного оптического зеркала соответствует 1-й группе механической прочности по ОСТ 3-1901-95. Влагостойкость оптического зеркала соответствует 1-й группе влагостойкости по ОСТ 3-1901-95.
Пример конкретного выполнения.
При изготовлении высокоотражающего широкополосного оптического зеркала для оптоэлектронного прибора все слои 2, 3, 4 и 5 поочередно наносят методом электронно-лучевого испарения в вакууме за один технологический цикл.
На подложку 1 из полированного оптического стекла диаметром 30 мм методом электронно-лучевого испарения в вакууме при давлении 5×10-4 Па и температуре 150°С наносят адгезионный слой 2 из хрома толщиной 80 нм. На адгезионный слой тем же методом при тех же условиях наносят отражающий слой 3 из меди толщиной 170 нм. Далее тем же методом при тех же условиях наносят слой 4 из диоксида кремния толщиной 85 нм и защитный слой 5 из оксида иттрия толщиной 95 нм. Толщины слоев в процессе их напыления контролировались с помощью системы кварцевого контроля.
Использование предлагаемого изобретения в соответствии с заявляемыми признаками позволяет получить значения коэффициента отражения от 98,1% до 99,3% в видимом спектральном диапазоне от 0,6 до 0,8 мкм, от 99,5% до 99,6% в среднем ИК спектральном диапазоне от 3,5 до 5,5 мкм и от 99,6% до 99,7% в дальнем ИК спектральном диапазоне от 8 до 14 мкм.
Таким образом, коэффициент отражения предложенного оптического зеркала выше на 0,1-0,5% в части видимого, в среднем и дальнем ИК спектральных диапазонах, чем у зеркала-прототипа (см. фиг. 2 и фиг. 3).
Кроме того, медь в 25 раз дешевле золота и при работе с ней не требуется получать ведомость разрешения на ее использование и соблюдать строгую отчетность, как в случае с золотом, которое используется в качестве отражающего слоя при изготовлении оптического зеркала-прототипа.
Оптическое зеркало, содержащее подложку, адгезионный слой, выполненный из хрома, отражающий слой и защитный слой, выполненный из оксида иттрия, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит слой из диоксида кремния, расположенный между отражающим и защитным слоями, отражающий слой выполнен из меди, при этом толщины слоев хрома, меди, диоксида кремния и оксида иттрия составляют соответственно 50…100 нм, 150…200 нм, 80…90 нм и 90…100 нм.