CS251633B1 - Způsob vytváření dvojité antireflexní vrstvy na podložce z optických skel - Google Patents

Abstract

Podstatou způsobu je, že na podložku z optického skla je nejprve napařována ve vakuu vrstva oxidu kovu vzácných zemin, například ytritého či gadolinitého, nebo oxidu hafničitého či oxidu hořečnatého, načež je napařováiji8 ve stejné optické tloušťce s tolerancí - 30 % vrstva oxidu křemičitého nebo fluoridu hořečnatého. Způsob je určen zejména pro oblasti optické výroby, kde se vyžaduje potlačení odrazivosti monochromatického světla.

Description

Vynález ae týká způsobu vytváření dvojité antireflexní vrstvy na podložce z optických skel.

Pro potlačení odrazivosti optických povrchů v úzkém spektrálním pásmu se dosud používají dva způsoby povrstvení optických podložek g indexem lomu n^, zpravidla vakuovým nepečováním nebo napreSováním. První způsob spočívá v naneseni jedné vrstvy čtvrtvlnné

Tento požadavek je pro většinu optických skel splniteli^ jen kompromisně, a tudíž potlačení odrazivosti je nedostatečné. Druhý způsob spočívá v nanesení dvou vrstev pro výrobce tradičních materiálů s vysokým a nízkým indexem lomu s rozdílnými optickými tloušlkami, vypočtenými z indexů lomu vrstev a podložky, jak například uvedeno Knittl, Optics of Thin Films, Wiley 1976, str. 131.

Nevýhodou tohoto řešení je, že při nedodržení optických tlouštěk nedochází jen k posunu minima odrazivosti ve spektru, ale teké k růstu jeho hodnoty. Tuto skutečnost dokumentuje obr. 1, zachycující dvojitou antireflexní vrstvu z materiálu oxidu titaničitého TiOg a oxidu křemičitého SiOg s uvedením 20 % odchylek optických tlouštěk.

Uvedená vlastnost podmiňuje, aby každému vrstvení optických prvků předcházela řada zkoušek a měření, při nichž měníme nezávisle obě optické tloušlky, až dosáhneme nejprve nulového minima spektrální křivky odrazivosti, a poté umístění tohoto minima do žádané vlnové délky.

Každý z obou požadavků je závislý na tlouělkách obou vrstev, takže korekce, zajišlující splnění požadavku jednoho, poruší splnění druhého. Kromě toho odrazivost v minimu není lineární funkcí tlouštěk, respektive jejich poměru, a tudíž zjištění tendence při první korekci nemusí vést k dosažení snížení odrazivosti pod toleranční hladinu při korekci druhé.

Pokud jde o poslední korekci, t.j. umístění minima odrazivosti do žádané vlnové délky změnou tlouštěk obou vrstev ve stejném poměru, nelze ji obecně vynechat. Tím je dána nutnost minimálně tři korekcí, prakticky však s ohledem na disperzi indexu lomu, nehomogenity a další faktory, obvykle víc.

Tento mnohostupňový korekční postup je nutno, vzhledem k systematickým (malým) změnám ve výrobě, vždy po čase opakovat, čímž při náročnosti výroby dochází ke značným ztrátám časovým i materiálovým, a zejména k opotřebení drahé výrobní aparatury. Dalěi nevýhodou dosud užívané dvojité antireflexní vrstvy je, že optická tloušlka vrstvy přilehlé k podložce je podstatně nižší než čtvrtvlnná.

Při změně její tloušlky korekčními zásahy nebo náhodnými odchylkami během výroby se totiž uplatní nehomogenite indexu lomu, t.j. nelineární závislost optické a geometrické tloušlky, což znesnadňuje korekce a snižuje reprodukovatelnost ve výr.obě.

Dosavadní nedostatky při povrstvování optických podložek odstraňuje způsob vytváření dvojité antireflexní vrstvy na podložce z optických skel, jehož podstatou je, že na podložku z optického skla je nejprve napařována ve vakuu vrstva oxidu kovu vzácných zemin, například ytritého či gedolinitého, nebo oxidu hafničitého, či oxidu hořečnatého, e poté je napařována ve stejné optické tloušlce s tolerancí - 30 % vrstva oxidu křemičitého, nebo fluoridu hořečnatého.

Hlavní předností tohoto způsobu je nahrazení mnohostupňového korekčního postupu předvýrobních a mezivýrobních zkoušek jednostupňovým, respektive s ohledem ne disperzi indexu lomu, nehomogenity a další možné změny parametrů vrstev, maximálně dvoustupňovým, což vede ke značným úsporám časovým i materiálovým, a zejména k ušetření provozního času výrobní aparatury.

DalSí předností je nahrazení velmi tenké vrstvy přilehlé k podložce vrstvou čtvrtvlnné optické tloušťky, u které se v podstatně menSí míře uplatňují nehomogenity indexu lomu, z čehož plyne vyšší reprodukovatelnost žádaných parametrů dvojité antireflexni vrs tvy.

Dosavadní stav, respektive stav podle vynálezu ilustruje obr. 1, respektive obr. 2,· znázorňující spektrální křivky odrazivosti dvojité antireflexni vrstvy na podložce z optického skla s indexem lomu n^ = 1,52, pro potlačení odrazu kolmo dopadajícího svštla no vlnové délce λ = 633 nm, přičemž na vodorovnou osu se nanáší vlnová délka λ svštla v nanometrech, na svislou osu odrazivost R v procentech. Jednotlivá křivky 1 až 4 odpovídají variacím nominálních optických tlouštšk , i₂ obou dílčích vrstev takto:

t,, tg - nominální t, + 20%, t₂ + 20% t, - 20%, t₂ + 20% t, + 20%, t₂ - 20%

Grafy v obr. 1 představují dosavadní stav, kde jsou použity vrstvotvorné materiály oxid křemičitý S1O₂ s indexem lomu n, = 1,47 a oxid titaničitý s indexem lomu n₂ = 2,27, zatímco grafy na obr. 2 představují stav podle vynálezu, kde místo oxidu titaničitého je použit oxid ytritý s indexem lomu n₂ = 1 ,8.

Jak patrno z obr. 1 , odchylka optické tloušťky kterékoliv vrstvy má za následek nejen posun minima odrazivosti ve spektru, ale zejména růst jeho hodnoty, zatímco dvojitá antireflexni vrstva podle vynálezu ani při 20 % odchylkách optických tlouštšk vrstev zmšnu hodnoty minima odrazivosti nevykazuje, jak je znázorněno grafy na obr. 2.

Toto je podstatné výhoda oproti dosavadnímu stavu. Korekční zásah, anulující minimum spektrální křivky odrazivosti, který je nutný při předvýrobních zkouškách vrstvy řešené podle dosavadního stavu, se stává u dvojité antireflexni vrstvy podle vynálezu nepotřebným. Pro dosažení žádaného účinku, t.j. dosažení minimální odrazivosti ve sledované vlnové délce, provedeme pouze korekci, zajišťující posun minima spektrální křivky do žádané vlnové délky, t.j. zmšnu optických tlouštšk obou vrstev ve stejném poměru, který plyne z vlnové délky původní a žádané.

V případě šikmého dopadu světla je možné dvojitou vrstvou, jak známo, obecně anulovat odrazivost pouze pro jednu z obou polarizačních složek světla, respektive kompromisně potlačit obě. Účinek podle vynálezu je pro každou ze složek polarizace světla analogický situaci při kolmém dopadu, která je ilustrována obr. 2.

Indexy lomu a optické tloušťky jednotlivých vrstev je však nutno přizpůsobit danému úhlu dopadu, jak je uvedeno v dále uvedeném přikladu výpočtu č. 2. Pro indexy lomu vrstev, vyplývající z podmínky pro kolmý dopad, je v případě šikmého dopadu splněn požadavek potlačení odrazivosti obou složek polarizace světla kompromisně. Tloušťky je však opět nutno přizpůsobit šikmému dopadu.

Příklad 1

Při potlačování odrazu laserového světla vlnové délky λ = 633 nm od povrchů optických skel s indexy lomu v rozsahu (1,46 - 1 ,62) pod 0,25 % v kolmém dopadu bylo dosaženo dobrých výsledků nanesením čtvrtvlnných vrstev, a to oxidu ytritého jako prvé a oxidu křemičitého SiO₂ jako druhé od podložky.

Spektrální průběh odrazivosti této dvojité antireflexni vrstvy uvádí křivka 1 na obr. 2. Pro konstrukci byl v prvé řadě zvolen oxid křemičitý jako mechanicky a chemicky odolný materiál, neboť tato vrstva je vystavena působení vnějšího prostředí.

251633 4

Odtud pak vyplynula volba druhého materiálu podle následujícího vztahu )

ⁿ2

(1)

Pro nejčastěji používané optické sklo BK7 s indexem lomu n^ = 1,52 při dopadu světla ze vzduchu s indexem lomu ηθ = 1, tak dostáváme hodnotu n_g = 1,8l, která zhruba odpovídá oxidu ytritému (n = 1,8). Optické tlouělky obou vrstev jsou čtvrtvlnné, t.j. t, = t_g = = λ/4 = 158 nm.

Příklad 2

Pro úhel dopadu Θ = 45° požadujeme potlačit odrazivost těžkého optického skla s indexem lomu n^ » 1,72 pro světlo vlnové délky λ = 633 nm, dopadající ze vzduchu o indexu lomu n_Q = 1, polarizované rovnoběžně s rovinou dopadu. Pro vrstvu přilehlou k vstupnímu prostředí použijeme tentokrát fluorid hořečnatý MgF_g s indexem lomu η, = 1 ,38. Volba materiálu vrstvy přilehlé k podložce vyplyne z následujícího postupu: Pro Šikmý dopad ve výpočtu uvažujeme místo indexů lomu tzv. admitance, definované n”sin '--F?

í' ’ύ s (2) kde +1 resp. -1 volíme pro antireflexi složky světla, polarizované kolmo k rovině, respektive rovnoběžně s rovinou dopadu. Inverzí tohoto vztahu dostáváme pro hledaný index lomu n_g = Ϊ,

C 1 + 1-(2n_osin0/Y₂)^Žl (3) kde Y_g je dáno podmínkou (1), která zobecněna pro Šikmý dopad dává

Cla) což lze po dosazení za admitance do pravé strany rovnice (Ie) za vztahu (2) upravit na

Ír“ n_Qcostí (n²-n²sin²o) tyi|-n°sin^0 (4)

Dosazením hodnot indexů lomu a úhlu dopadu ze zadání vypočteme admitanci prvé vrstvy od podložky Y_g a jejím dosazením do (3) odpovídající index lomu n_g. Dostaneme tak hodnotu n_g = 1,685, která zhruba odpovídá oxidu hořečnatému MgO (n = 1,7). Pro optické tlouěíky obou vrstev t^ a £_g pletí =-1,2

Odtud pak dosazením hodnot ze hodnotu odrazivosti R v minimu pro podložky (MgO) n_g = 1,7 dle vztahu zadání máme t, = 174 nm, t_g = 184. Nakonec ověříme technologickou hodnotu indexu lomu prvé vrstvy od * ⁼Κ/^⁺<*1

Jednotlivé admitence vypočteme dle vztahu (2)J dostáváme Y_Q = 1,414, Y^ = 1,887,

Yg = 1,869, Yj = 1,607. Dosazením těchto hodnot do vztahu (5) zjistíme zbytkovou odrazivost R = 0,005 %, což je hodnota pro vČtSinu aplikací zanedbatelně malá.

Vynález je určen zejména pro ty oblasti optické výroby, kde se vyžaduje potlačení odrazivosti monochromatického světla.

Claims (1)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   Způsob vytváření dvojité antireflexní vrstvy na podložce z optických skel, vyznačený tím, že na podložku z optického skla se nejprve napaří ve vakuu vrstva oxidu kovu vzácných zemin, například ytritého či gadolinitého, nebo oxidu hafničitého či oxidu hořečnatého, a poté se napaří ve stejné optické tlouěíce s tolerancí - 30 % vrstva oxidu křemičitého nebo fluoridu hořečnatého.