RU18315U1

RU18315U1 - Неотражающий нейтральный оптический фильтр

Info

Publication number: RU18315U1
Application number: RU2000129440/20U
Authority: RU
Inventors: Р.Т. Галяутдинов; Н.Ф. Кашапов
Original assignee: Казанский государственный технологический университет
Priority date: 2000-11-27
Filing date: 2000-11-27
Publication date: 2001-06-10

Abstract

Неотражающий нейтральный оптический фильтр, включающий прозрачную в спектральном диапазоне 0,4-0,7 мкм подложку, расположенный на подложке частично пропускающий свет слой титана и антиотражающий свет слой поверх него, отличающийся тем, что антиотражающий слой выполнен из оксида титана ТiО, при 1 < x < 2, где х - степень окисления оксида титана, с показателем поглощения слоя оксида титана равным 0,17-0,2, причем геометрические толщины слоев титана и оксида титана составляют соответственно 0,028-0,03 и 0,04-0,045 мкм.

Description

Неотражающий нейтральный оптический фильтр

Полезная модель относится к области оптического приборостроения, а именно, к элементам оптико-электронных систем, которые могут быть использованы для равномерного ослабления падающего излучения при низком отражении в широкой области спектра.

Известен неотражающий нейтральный оптический фильтр с величиной коэффициента пропускания около 10%, состоящий из девяти слоев: оксида титана (IV) - никеля - оксида титана (IV) - оксида кремния (IV) - оксида титана (IV) - никеля - оксида кремния (IV) никеля - оксида кремния (IV). Диэлектрические слои имеют показатели преломления пн 1,45 (оксид кремния (IV)) и пв 2,3 (оксид титана (IV)) (Гришина Н.В. Синтез широкополосных металлодиэлектрических покрытий. Опт. и спектр., т. 72, вып. 4, 1992, с. 1033-1038). Эта конструкция имеет интегральное отражение в видимой области спектра 1,32%.

Основными недостатками такого нейтрального оптического фильтра-являются, во-первых, фильтр имеет большое количество слоев, во-вторых при вычислении используются оптические постоянные массивного никеля и не учитываются изменения оптических постоянных металлического слоя при уменьшении его толщины, в-третьих, указанная конструкция чувствительна к неточностям нанесения слоев по толщине, что приводит к ухудшению рассчитанных спектральных характеристик при технической реализации этой конструкции.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности является неотражающий нейтральный оптический фильтр, состоящий из стеклянного экрана, с одной стороны

которого нанесен слой из титана толщиной h 50А и диэлектрический слой поверх него из оксида алюминия (111) с показателем преломления ,62 и оптической толщиной, равной четверти длины волны АО 0,45 мкм, на другую сторону которого нанесен слой титана толщиной h ЗОА (П.П. Яковлев. Антибликовые покрытия для защитных экранов дисплеев. Оптический журнал, т. 65, № 3, 1998, с.83-84).

Основными недостатками предложенного неотражающего нейтрального оптического фильтра являются:

-высокое интегральное отражение ( среднее отражение в видимой области спектра 0,4 - 0,7 мкм равно 1,76%, а на длине волны 0,4 мкм величина отражения достигает 5%),

-необходимость нанесения трех слоев,

-нанесение оптических слоев на две поверхности, что удлиняет технологический процесс изготовления неотражающего нейтрального оптического фильтра.

Технической задачей изобретения является уменьшение интегрального коэффициента отражения и сокращение числа слоев неотражающего нейтрального оптического фильтра.

Поставленная задача решается разработкой неотражающего нейтрального оптического фильтра, включающего подложку, прозрачную в спектральном диапазоне 0,4 - 0,7 мкм, расположенный на подложке частично пропускающий свет слой титана и антиотражающий свет слой поверх него. Причем антиотражающий слой выполнен из оксида титана ТЮХ, при , где х степень окисления оксида титана, а геометрические толщины слоев титана и оксида титана составляют 0,028

-0,03 и 0,04-0,045 мкм соответственно, показатель поглощения слоя оксида титана при этом равен 0,17-0,2.

Фиг.2 показывает спектральные коэффициенты отражения прототипа и предлагаемого неотражающего нейтрального оптического фильтра (кривые 4 и 5 соответственно).

Фиг.З представляет устройство, с помощью которого может быть получен неотражающий нейтральный оптический фильтр.

Неотражающий нейтральный оптический фильтр (Фиг.1) состоит из прозрачной в спектральном диапазоне 0,4 - 0,7 мкм подложки 1, частично пропускающего свет слоя титана 2, расположенного на подложке 1, и антиотражающего свет слоя 3 поверх него из оксида титана ТЮЧ, при , где х степень окисления оксида титана, с показателем поглощения оксида титана равным 0,17 - 0,2, причем геометрические толщины слоев титана 2 и оксида титана 3 составляют соответственно 0,028 - 0,03 и 0,04-0,045 мкм.

Этот неотражающий нейтральный оптический фильтр имеет комплексный амплитудный коэффициент отражения г, определяющий связь между амплитудой падающей со стороны антиотражающего свет слоя 3 и амплитудой отраженной от неотражающего нейтрального оптического фильтра плоской электромагнитной волны

VM11 M22 +

Y -

0М11 +VM22 +

где n0 , ns - показатели преломления ограничивающих сред (исходной среды и подложки соответственно).

Величины Мп, MI2, М2ь М22 являются элементами матрицы интерференции: Со.- «,-/,) -Н2-/г,) М11 i-M2l м22 i-n,-Sit{-п,-/г,) СоЈ-п,-/,) Л Л

WM12 M21

(1)

ил п -М 10 + М Л1 О s 1221 п, h) - S/X- п, И.) / л, Sir(- К, /т,) Со.- п, /г-) ЛЛ

антиотражающего свет слоя 3 (п3 - показатель преломления, k - показатель поглощения) из ТЮЧ, при , h2 и Ь3 - геометрические толщины частично пропускающего свет слоя 2 титана и антиотражающего свет слоя 3 из оксида титана ТЮЧ, при , где х степень окисления оксида титана, соответственно, А, - длина волны, i - мнимая единица.

Спектральный коэффициент отражения R(A.) и скачок фазы межд амплитудой падающей со стороны антиотражающего свет слоя 3 и амплитудой отраженной от неотражающего нейтрального оптического фильтра плоской электромагнитной волны р определяются из выражения (1). Так, если ограничивающие среды прозрачны и углы падения и преломления вещественны, то имеют место соотношения:

К (3)

р Im r / Re r(4)

где - означает комплексное сопряжение, Re и Im - означают действительную и мнимую части комплексной величины.

Рассмотрим неотражающий нейтральный оптический фильтр с коэффициентом пропускания 10% и низким отражением в видимой области спектр 0,45-0,7 мкм. Для оценки близости спектральных характеристик получаемого покрытия к требуемым характеристикам вводится оценочный функционал

где А,,Х,2 -диапазон длин волн, в котором производится синтез, RH(X) измеренный спектральный коэффициент отражения синтезируемого неотражающего нейтрального оптического фильтра. В данном случае 0,4 мкм, А,2 0,7 мкм, R(A,) 0. Задача синтеза рассматривается в вариационной постановке и сводится к минимизации функционала по толщине слоя и по значению комплексного показателя преломления антиотражающего свет верхнего слоя 3. В качестве начального

F (Я)-Л(Д)Л1.(5)

приближения ищется решение R(n3,h3) 0 в одной центральной спектральной точке А, - 0,55мкм и находится требуемая толщина антиотражающего свет слоя 3 h3, которая при полученном комплексном показателе преломления антиотражающего слоя 3 п3 удовлетворяет заданному нулевому коэффициенту отражения в этой точке.

Синтезированный неотражающий нейтральный оптический фильтр обеспечивает интегральное отражение в видимой области спектра 1%. Неотражающий нейтральный оптический фильтр имеет такие толщины частично пропускающего свет слоя 2 титана и антиотражающего свет слоя 3 из оксида титана ТЮЧ, при , h2 и h3, которые приводят к тому, что амплитудные коэффициенты отражения от границ раздела воздух - антиотражающий свет слой 3 из оксида титана и антиотражающий свет слой 3 из оксида титана - частично пропускающий свет металлический слой 2 из титана находятся в противофазе. Одновременно с этим комплексный . показатель преломления п3 антиотрающего свет слоя 3 из оксида титана ТЮЧ, при , обеспечивает равенство этих амплитуд. Таким образом, выполняются условия нулевого отражения.

На фиг. 1 схематически представлен неотражающий нейтральный оптический фильтр, состоящий из прозрачной в спектральном диапазоне 0,4 - 0,7 мкм подложки 1 и расположенных на ней последовательно частично пропускающего свет слоя 2 из титана толщиной hb 0,029 мкм, антиотражающего слоя 3 из оксида титана ТЮХ, при , с показателем поглощения k3 0,17 - 0,2 и толщиной Ь3 0,04 - 0,045 мкм.

На фиг.2 показаны спектральные коэффициенты отражения прототипа и .предлагаемого неотражающего нейтрального оптического фильтра (кривые 4 и 5 соответственно).

которого осуществлялось нанесение неотражающего нейтрального оптического фильтра. Устройство содержит: индуктор 6, специальный кронштейн 7; разрядную камеру 8; рубашку охлаждения 9. Индуктор 6 представляет собой трехвитковую катушку диаметром 0,07 м и длиной 0,07 м, изготовленную из медной трубки, охлаждаемую протекающей по ней водой. Индуктор 6 крепится на специальном кронштейне 7, который позволяет перемещать индуктор 6 вдоль разрядной камеры 8. Разрядная камера 8 и рубашка охлаждения 9 представляют цельносварную конструкцию, состоящую из двух коаксиальных кварцевых трубок с протекающей между ними охлаждающей водой. Плазмотрон крепится в отверстии базовой плиты 10 при помощи фланца 11 и герметизируется уплотнительным кольцом 12 из вакуумной резины. При напылении используется аксиальная подача плазмообразующего газа и напыляемого пленкообразующего материала 13.

Использование неотражающего нейтрального оптического фильтра, включающего подложку 1, расположенного на подложке частично пропускающего свет слоя 2 титана и поверх него антиотражающего свет слоя 3 оксида титана ТЮХ, при , где х - степень окисления оксида титана, с показателем поглощения слоя 3 оксида титана равным 0,17-0,2. и геометрическими толщинами слоев титана 2 и оксида титана 3 равными 0,028 - 0,03 и 0,04-0,045 мкм, соответственно, приводит к уменьшению интегрального отражения и к сокращению числа слоев нейтрального оптического фильтра.

Неотражающий нейтральный оптический фильтр .получают следующим способом. Подложки 1, представляющие собой круглые плоскопараллельные полированные диски из оптического стекла К-8, очищают этиловым спиртом. Затем подложки 1 помещают в вакуумную плазменную установку над верхним срезом плазмотрона. Предварительно поверхность, на которую впоследствии наносят требуемые слои, обрабатывают

плазменным потоком при следующих режимах плазменной установки: частота генератора 1,76 МГц, ток анода лампы 1А 1,0 - 1,3 А, ток сетки Ici 100-150 мА, напряжение на сетке Uc2 200 - 220 В, расход плазмообразующего газа Ar G 0,07 - 0,08 г/с, давление р 50 - 80 Па. расстояние до верхнего витка индуктора 6 равно 120 - 150 мм в течение 10 мин. В процессе обработки температура подложки 1 поднимается до 250 - 300 °С и поверхность подложки 1 очищается и модифицируется. Затем индуктор 6 медленно опускают и в центральной зоне плазмы начинают распыление последовательно титана и оксида титана. Процесс напыления проходит при следующих режимах: ток анода лампы 1А 1,0 1,3 А, ток сетки Ici 140 - 190 мА, напряжение на сетке Uc2 140 - 200 В. расход плазмообразующего газа Ar G 0,07 - 0,08 г/с, давление р 50 80 Па, расстояние до верхнего витка индуктора 6 равно 150 - 200 мм в течение 10 мин. Это соответствует изменению внутренних характеристик разряда и плазменной струи - пе 1015 - 1019 , Рр 0,1 до 4 кВт,у, 1525 , Wn 10-30 эВ, #т 5 102 - 5 10J , где wt, - концентрация электронов, Рр - мощность разряда, у, - плотность ионного тока пост лающего на поверхность, W/ - энергия ионов, дт - плотность теплового потока. На подложку сначала осаждают на расстоянии от индуктора 6 равном 170 - 190 мм частично пропускающий свет слой 2 из титана геометрической толщиной 0,028 -0,03 мкм. Антиотражающий свет слой 3 из оксида титана ТЮХ, при , осаждают на расстоянии от индуктора 6 равном 170 - 190 мм со скоростью. 5-10 А/с, геометрическая толщина слоя составляет 0,04-0,045 мкм, показатель поглощения - 0,17-0,2. Толщины слоев контролируют по времени нанесения. Технологический процесс напыления неотражающего нейтрального оптического фильтра составляет 0,5 часа. Интегральный коэффициент отражения полученного неотражающего нейтрального оптического фильтра имеет величин) менее 1%, при коэффициенте пропускания около 10%.

Claims

Неотражающий нейтральный оптический фильтр, включающий прозрачную в спектральном диапазоне 0,4-0,7 мкм подложку, расположенный на подложке частично пропускающий свет слой титана и антиотражающий свет слой поверх него, отличающийся тем, что антиотражающий слой выполнен из оксида титана ТiО_x, при 1 < x < 2, где х - степень окисления оксида титана, с показателем поглощения слоя оксида титана равным 0,17-0,2, причем геометрические толщины слоев титана и оксида титана составляют соответственно 0,028-0,03 и 0,04-0,045 мкм.