RU209445U1

RU209445U1 - OPTICAL MIRROR

Info

Publication number: RU209445U1
Application number: RU2021124785U
Authority: RU
Inventors: Марат Хатыпович Азаматов; Александр Иванович Колчин; Илья Зуфарович Нуруллин
Priority date: 2021-08-19
Filing date: 2021-08-19
Publication date: 2022-03-16

Abstract

Полезная модель может быть использована при изготовлении отражающих оптических элементов различных оптоэлектронных приборов для получения высокого коэффициента отражения в широкой области спектра. 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, 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. Использование полезной модели 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 инфракрасном спектральном диапазоне от 3,5 до 5,5 мкм и от 99,6% до 99,7% в дальнем инфракрасном спектральном диапазоне от 8 до 14 мкм. 4 ил.The utility model can be used in the manufacture of reflective optical elements of various optoelectronic devices to obtain a high reflection coefficient in a wide spectral region. The optical mirror contains a substrate, an adhesive layer made of chromium, a reflective layer and a protective layer made of yttrium oxide. The mirror additionally contains a layer of silicon dioxide located between the reflective layer and the protective layer, the reflective layer is made of copper, while the thickness of the layers of chromium, copper, silicon dioxide and yttrium oxide is 50...100 nm, 150...200 nm, 80...90, respectively. nm and 90…100 nm. The use of the utility model makes it possible to obtain reflectance values from 98.1% to 99.3% in the visible spectral range from 0.6 to 0.8 μm, from 99.5% to 99.6% in the mid-infrared spectral range from 3, 5 to 5.5 µm and 99.6% to 99.7% in the far infrared spectral range from 8 to 14 µm. 4 ill.

Description

Полезная модель относится к области оптоэлектроники и может быть использована при изготовлении отражающих оптических элементов различных оптоэлектронных приборов для получения высокого коэффициента отражения (R) в широкой области спектра.The utility model relates to the field of optoelectronics and can be used in the manufacture of reflective optical elements of various optoelectronic devices to obtain a high reflection coefficient (R) in a wide spectral region.

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.An analogue is an optical mirror (patent JPS476633U, IPC G02B 5/00, published 09/22/1972), containing a substrate, an adhesive layer 490-510 nm thick, made of chromium, a reflective layer made of gold, and a number of alternating protective layers of materials with high and low refractive indices, such as MgF ₂ , ZnS, SiO, SiO ₂ , Al ₂ O ₃ , TiO, TiO ₂ , ZrO ₂ , ZrSiO ₄ .

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.The main disadvantage of this mirror is that it has reduced reflective properties due to the large thickness of the protective layers due to the large number of materials such as MgF ₂ , ZnS, SiO, SiO ₂ , Al ₂ O ₃ , TiO, TiO ₂ , ZrO ₂ , _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.The prototype is an optical mirror (patent RU112450 U1, IPC G02B 5/00, published 01/10/2012), containing a substrate, an adhesive layer 490-510 nm thick, made of chromium, a reflective layer made of gold, and a protective layer 200-220 nm, made of yttrium oxide.

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%.The reflection coefficient of the prototype optical mirror is from 98.0% to 99.0% in the spectral region of 0.6-0.8 μm and 99.5% in the spectral region from 8 to 14 μm. The reflection coefficient of the prototype mirror in the mid-IR spectral range from 3.5 to 5.5 µm is not specified, but calculations show that it is from 99.0% to 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.The disadvantage of the prototype are relatively low reflectances in the spectral operating ranges from 0.6 to 0.8 µm, from 3.5 to 5.5 µm and from 8 to 14 µm.

Технической задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является разработка конструкции оптического зеркала, позволяющей добиться повышения коэффициента отражения во всех рабочих спектральных диапазонах.The technical problem to be solved by this utility model is the development of an optical mirror design that makes it possible to achieve an increase in the reflection coefficient in all operating spectral ranges.

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.The solution of this problem makes it possible to use such a mirror with maximum efficiency both in optoelectronic devices that use the visible, as well as medium or far IR spectral ranges, and in multispectral devices that use both of these IR ranges along with the visible one.

Техническая задача решается тем, что оптическое зеркало, содержащее подложку, адгезионный слой, выполненный из хрома, отражающий слой и защитный слой, выполненный из оксида иттрия, согласно настоящей полезной модели, 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.The technical problem is solved by the fact that an optical mirror containing a substrate, an adhesive layer made of chromium, a reflective layer and a protective layer made of yttrium oxide, according to the present utility model, additionally contains a silicon dioxide layer located between the reflective layer and the protective layer, the reflective layer is made of copper, while the thicknesses of the layers of chromium, copper, silicon dioxide and yttrium oxide are respectively 50...100 nm, 150...200 nm, 80...90 nm and 90...100 nm.

На фиг. 1 изображена конструкция предлагаемого оптического зеркала (поперечный разрез).In FIG. 1 shows the design of the proposed optical mirror (cross section).

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.In FIG. 2 shows the spectral reflection characteristics of the proposed optical mirror (curve 1) and mirror prototype (curve 2) in the spectral range from 0.6 to 0.8 μm.

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.In FIG. 3 shows the spectral reflection characteristic of the proposed optical mirror (curve 3) and the prototype mirror (curve 4) in the spectral range from 3.5 to 14 μm.

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.In FIG. Figure 4 shows the spectral reflection characteristic of a copper film (curve 5) 150–200 nm thick and a gold film (curve 6) 150–200 nm thick in the spectral range from 3.5 to 14 µm.

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.The optical mirror contains an adhesive layer 2 made of chromium deposited in vacuum on the substrate 1, a reflective layer 3, a layer 4 and a protective layer 5 made of yttrium oxide.

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).The difference of the proposed optical mirror is that the reflective layer 3 is made of copper, layer 4, located between the reflective layer 3 and the protective layer 5, is made of silicon dioxide, while the thicknesses of layers 2, 3, 4 and 5 are respectively 50...100 nm (chromium layer), 150…200 nm (copper layer), 80…90 nm (silicon dioxide layer) and 90…100 nm (yttrium oxide layer).

Оптимальные толщины адгезионного 2 и отражающего 3 слоев определены экспериментально.The optimal thicknesses of adhesive 2 and reflective 3 layers were determined experimentally.

Адгезионный слой 2 из хрома толщиной 50…100 нм обеспечивает необходимое сцепление отражающего слоя 3 с подложкой 1 из оптического стекла.The adhesive layer 2 of chromium with a thickness of 50...100 nm provides the necessary adhesion of the reflective layer 3 to the substrate 1 of optical glass.

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%.The reflection coefficient of a thin film depends on the technological conditions of its production. It has been experimentally determined that the reflection coefficient of a copper film 150–200 nm thick, obtained by the method of electron-beam evaporation in vacuum, exceeds by 0.5% the reflection coefficient of the gold film used in the prototype mirror and obtained in a similar way. Comparative spectral reflection characteristics of copper (curve 5) and gold (curve 6) films obtained on a VU-1A vacuum setup are shown in Figs. 4. Measurement of the spectral characteristics of the reflection of copper and gold films was carried out on an IR-Fourier spectrometer, the measurement error of the reflection coefficient of which is 0.1%.

К недостаткам меди относится ее мягкость и быстрое окисление, приводящее к уменьшению коэффициента отражения.The disadvantages of copper include its softness and rapid oxidation, leading to a decrease in the reflection coefficient.

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.To increase the strength of the copper layer and increase the reflection coefficient in the spectral range from 0.6 to 0.8 μm, a layer 4 of silicon dioxide SiO ₂ with a thickness of 80 ... 90 nm and a protective layer 5 of yttrium oxide Y ₂ O ₃ are additionally deposited on the substrate 1, thickness 90…100 nm.

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.The thicknesses of layers 4 and 5 are calculated in such a way as to increase the reflection coefficient in the spectral range from 0.6 to 0.8 µm, while not reducing it in the spectral ranges from 3.5 to 5.5 µm and from 8 to 14 µm.

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.Layer 4 and protective layer 5 provide high performance characteristics - mechanical strength and moisture resistance necessary for operation as part of optoelectronic devices while maintaining optical reflection characteristics in a given spectral range. The mechanical strength of the proposed optical mirror corresponds to the 1st group of mechanical strength according to OST 3-1901-95. The moisture resistance of the optical mirror corresponds to the 1st moisture resistance group according to OST 3-1901-95.

Пример конкретного выполнения.An example of a specific implementation.

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.In the manufacture of a highly reflective broadband optical mirror for an optoelectronic device, all layers 2, 3, 4 and 5 are applied in turn by the method of electron beam evaporation in vacuum in one technological cycle.

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.On the substrate 1 of polished optical glass with a diameter of 30 mm by electron beam evaporation in a vacuum at a pressure of 5×10 ^-4 Pa and a temperature of 150°C put the adhesive layer 2 of chromium with a thickness of 80 nm. A reflective layer 3 made of copper with a thickness of 170 nm is applied to the adhesive layer by the same method under the same conditions. Then, by the same method under the same conditions, a layer 4 of silicon dioxide with a thickness of 85 nm and a protective layer 5 of yttrium oxide with a thickness of 95 nm are applied. The thicknesses of the layers during their deposition were controlled using a quartz control system.

Использование предлагаемой полезной модели 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.The use of the proposed utility model in accordance with the claimed features makes it possible to obtain reflectance values from 98.1% to 99.3% in the visible spectral range from 0.6 to 0.8 μm, from 99.5% to 99.6% on average IR spectral range from 3.5 to 5.5 µm and 99.6% to 99.7% in the far IR spectral range from 8 to 14 µm.

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).Thus, the reflectance of the proposed optical mirror is higher by 0.1-0.5% in the visible, mid- and far-IR spectral ranges than that of the prototype mirror (see Fig. 2 and Fig. 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.In addition, copper is 25 times cheaper than gold and when working with it, it is not required to obtain a statement of permission for its use and comply with strict accountability, as is the case with gold, which is used as a reflective layer in the manufacture of an optical prototype mirror.

Claims

An optical mirror containing a substrate, an adhesive layer made of chromium, a reflective layer and a protective layer made of yttrium oxide, characterized in that it additionally contains a silicon dioxide layer located between the reflective and protective layers, the reflective layer is made of copper, while In this case, the thicknesses of the layers of chromium, copper, silicon dioxide and yttrium oxide are 50...100 nm, 150...200 nm, 80...90 nm and 90...100 nm, respectively.