просветляющее покрытие

Формула изобретения

1. Просветляющее покрытие вида ПК₁НК₂В для оптических элементов из полупроводниковых материалов, где П подложка с показателем преломления от 2,2 до 4,0, Н четвертьволновый на рабочей длине волны слой с низким значением показателя преломления из фторидов, В четвертьволновый слой с высоким значением показателя преломления из сульфида цинка или селенида цинка, К₁ и К₂ множители менее единицы, отличающееся тем, что между подложкой и покрытием введен адгезионный слой из сульфида цинка или селенида цинка оптической толщиной (0,1-0,2)/4, а слой с низким значением показателя преломления выполнен из фторида висмута, причем при показателе преломления подложки n 2,2 К₁ 0,75 3% и К₂ 0,10 3% при n 2,4 К₁ 0,72 5% и К₂ 0,12 5% при n 2,7 К₁ 0,72 10% и К₂ 0,12 10% при n 3,0 К₁ 0,56 20% и К₂ 0,22 20% при n 3,3 К₁ 0,45 30% и К₂ 0,30 30% при n 3,45 К₁ 0,39 30% и К₂ 0,36 30% при n 4,0 К₁ 0,26 20% и К₂ 0,49 20%

2. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что в качестве материала подложки с показателем преломления n 2,2 используют сульфид кадмия, с n 2,4 селенид цинка, с n 2,7 теллурид кадмия, с n 3,0 ИКС, с n 3,3 арсенид галлия, с n 3,45 кремний, с n 4,0 германий.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к оптическим покрытиям, и может быть использовано для создания проходных оптических элементов (ОЭ) из полупроводниковых материалов (ПММ) с просветляющими покрытиями для инфракрасной (ИК) области излучения, которые могут быть использованы в технологических лазерных системах.

Полупроводниковые материалы, такие как ZnSe, Si, GaAs, Ge и другие, нашли широкое применение в оптическом приборостроении в качестве основы ОЭ, работающих в ИК-области излучения, в том числе в технологических лазерных системах [1] Обладая рядом положительных свойств, ППМ имеют сравнительно большое значение показателя преломления (от 2,2 до 4,0), что приводит к значительным потерям излучения в проходных ОЭ из-за отражения. По этой причине актуальна потребность в прочных и эффективных просветляющих покрытиях для ППМ, особенно работающих в мощных ИК-лазерных системах.

Традиционно для просветляющих покрытий на ППМ использовались такие пленкообразующие материалы (ПОМ) как SrF₂, BaF₂, PbF₂, ThF₄, ZnS, ZnSe и другие [2] Среди фторидов, имеющих низкое значение показателя преломления, только фторид тория (ThF₄) не растворим в воде и образует плотные аморфные слои. Наименьшим значением поглощения среди них обладает фторид свинца (PbF₂), однако этот материал не обеспечивает высокой влагостойкости покрытия. Кроме того, как PbF₂, так и ThF₄ имеют высокую токсичность, соответствующую первой группе опасности [3] что ухудшает экологическую обстановку при производстве покрытий и утилизации отходов. ПОМ SrF₂ и BaF₂, имея приемлемое значение показателя преломления, не обеспечивают необходимой влагостойкости и малого поглощения, что ухудшает их ресурсную характеристику.

Наиболее распространенный принцип просветления ОЭ из ППМ это использование конструкции просветляющего покрытия вида П Н, где П подложка, а Н четвертьволновый на рабочей длине волны слой с показателем преломления, близким к значению n , где n_п показатель преломления подложки. Примером такого решения является конструкция просветляющего покрытия для ОЭ из селенида цинка (ZnSe), где четвертьволновый слой изготовлен из фторида бария (BaF₂) [4] В нем с целью повышения устойчивости покрытия дополнительно производят имплантацию ионов кремния на глубину 0,04 0,08 толщины покрытия с экспозиционной дозой излучения 2 Кл/м², после чего производят отжиг при 470 570 K в течение 600-2400 с.

Основным положительным свойством этого аналога является улучшение механической устойчивости покрытия за счет увеличения адгезионной способности. Основными недостатками этого покрытия остаются невысокая влагостойкость и значительная величина коэффициента отражения около 5% Последнее является следствием существенного отличия показателя преломления BaF₂ (n 1,4) от условия идеального просветления ZnSe, имеющего n_п 2,4, для которого 1,55.

Другим аналогом является конструкция просветляющего покрытия ОЭ из ZnSe [5] где четвертьволновый слой изготовлен из PbF₂. Основные его характеристики следующие: величина коэффициента отражения с грани 0,5 - 0,6% величина поглощения покрытия b 0,045% Основными его недостатками являются высокая токсичность в производстве, недостаточная влагостойкость и недостаточно малая величина коэффициента отражения, которая по современным требованиям, предъявляемым к ОЭ для технологических лазерных систем составляет r0,3%

В качестве прототипа целесообразно рассмотреть конструкцию просветляющего покрытия для ОЭ из ZnSe в статье [6] вида П К₁ Н К₂ В, в которой Н четвертьволновый слой на рабочей длине волны из ThF₄ или BaF₂, В четвертьволновый слой с высоким значением показателя преломления из сульфида (ZnS) или селенида цинка, К₁ и К₂ - множители менее единицы, зависящие от величины показателя преломления используемых в конструкции ПОМ. Суммарная оптическая толщина такого покрытия не превышает четверти длины волны. Принципиальным преимуществом этой конструкции перед рассмотренными ранее аналогами является достижение (согласно расчета) коэффициента отражения, равного нулю, практически было получено менее 0,02% поглощение в покрытии на длине волны 10,6 мкм составило 0,03% Основными недостатками прототипа являются высокая токсичность (в случае ThF₄) или повышенное поглощение и недостаточная влагостойкость (в случае BaF₂).

Целью предлагаемого изобретения является универсальность конструкции для просветления ОЭ из ППМ с широким диапазоном показателя преломления, улучшение экологической обстановки при производстве покрытий и утилизации отходов при малом коэффициенте отражения, малом поглощении и высокой прочности.

Указанная цель достигается тем, что в просветляющем покрытии вида П К₁ Н К₂ В, где П подложка с показателем преломления от 2,2 до 4,0, Н четвертьволновый на рабочей длине волны (l) слой с низким значением показателя преломления из фторидов, В четвертьволновый слой с высоким значением показателя преломления из сульфида цинка (ZnS) или селенида цинка (ZnSe), К₁ и К₂ множители менее единицы, между подложкой и покрытием введен адгезионный слой из ZnS или ZnSe оптической толщиной (0,1 - 0,2) l/4, слой с низким значением показателя преломления выполнен из фторида висмута (BiF₃), а значения множителей К₁ и К₂ зависят от величины показателя преломления материала подложки и даны в таблице с допустимым отклонением.

На чертеже условно (в сечении) дана конструкция предложенного просветляющего покрытия, где на подложку 1 нанесен адгезионный слой 2 из ZnS или ZnSe оптической толщиной (0,1 0,2) l /4, далее нанесен слой BiF₃ 3 оптической толщиной К₁ l/4, поверх которого нанесен слой ZnS или ZnSe 4 оптической толщиной К₂ l/4.

Предложенное техническое решение имеет следующие существенные отличительные признаки. Первый между подложкой и покрытием введен адгезионный слой из ZnS или ZnSe оптической толщиной (0,1 0,2) l/4. В силу специфических особенностей конденсации слои BiF₃ [7] имеют характерные напряжения растяжения с последующей частичной их релаксацией в процессе старения, что приводит к растрескиванию и отслаиванию слоев. Учитывая также невысокую адгезионную способность слоя BiF₃ между ним и подложкой нами введен адгезионный слой. К материалу адгезионного слоя предъявлялись следующие требования: малое поглощение, невысокий показатель преломления и нерастворимость в воде. Кроме того, адгезионный слой должен иметь сжимающие напряжения для компенсации растягивающих напряжений в слое BiF₃. Как показали наши исследования, таким требованиям удовлетворяли слои ZnS и ZnSe оптической толщиной (0,1 0,2) l/4. При большей толщине адгезионного слоя увеличивается поглощение и ухудшается адгезионная характеристика просветляющего покрытия.

Второй слой с низким значением показателя преломления выполнен из фторида висмута. В литературе известно применение BiF₃ в качестве интерференционного слоя, прозрачного в области 0,3 -14,0 мкм [8] Однако применение его в конструкции ИК просветляющих покрытий для ППМ и работающих при воздействии мощных лазерных пучков в технической и патентной литературе не обнаружено. Этот ПОМ не растворим в воде, по токсичности соответствует II группе опасности [9] что существенно улучшает экологическую обстановку при производстве покрытий и утилизации отходов. По результатам наших исследований слои BiF₃ на длине волны 10,6 мкм имеют показатель преломления около 1,56, а показатель поглощения слоев, полученных в оптимальных условиях b 510^-4. Существенные отличительные признаки образуют новую совокупность признаков, неизвестную в патентной и технической литературе.

Предложенное техническое решение реализуется следующим образом.

Исходя из величины показателя преломления ППМ, выбирают из таблицы величины множителей К₁ и К₂ в зависимости от используемых ПОМ ZnS или ZnSe. Просветляющее покрытие наносят на оптически полированные подложки методом термического испарения и конденсации в вакууме, например на отечественной вакуумной установке типа ВУ-2М. Вначале на подложку наносят адгезионный слой ZnS или ZnSe оптической толщиной (0,1 0,2) l/4, затем наносят слой BiF₃ оптической толщиной К₁ l/4 и в завершение наносят слой ZnS или ZnSe оптической толщиной К₂ l/4.

Практически нами были изготовлены окна и линзы из ZnSe для технологических CO₂ лазерных систем мощностью до 3 кВт. Реализовывались покрытия конструкции П 0,15 ZnS, 0,7 BiF₃, 0,15 ZnS термическим испарением в вакууме на установке ВУ-2М. Покрытия имели следующие характеристики: коэффициент отражения r0,2% поглощение b0,05% коэффициент пропускания окна или линзы с двухсторонними просветляющими покрытиями t99,0% порог лучевой прочности не менее 10 Дж/см², термопрочность не менее 200^oC, по устойчивости к влаге и механическим воздействиям покрытия соответствовали I группе по ОСТЗ-1901-85.

Нами также наносились просветляющие покрытия на оптические элементы из сульфида кадмия (CdS), имеющего на длине волны 10,6 мкм показатель преломления n 2,2, из кремния и арсенида галлия (GaAs), имеющих показатели преломления 3,45 (l 2,94) и 3,3 (l 10,6 мкм) соответственно, а также из германия (n 4,0 при 10,6 мкм). Во всех случаях с погрешностью 0,1% отражение этих покрытий соответствовало величинам, указанным в таблице, а прочностные характеристики были такими же высокими.

Таким образом, предложенная конструкция просветляющего покрытия оказалась универсальной для ППМ имеющих показатели преломления от 2,2 до 4,0. Изготовленные просветляющие покрытия по коэффициенту отражения и по поглощению оказались не хуже прототипа, имели высокую прочность а по токсичности по крайней мере на порядок менее опасны.

Источники информации

1. Голубев В.С. и др. Практические аспекты применения ИК прозрачных материалов в технологических CO₂-лазерах,Препринт N 14, г. Троицк, 1986.

2. Физика тонких пленок. Т.8, под ред. Г.Хасса и др. М. Мир, с. 36.

3. Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов I-IV групп. Справочник, под ред. В.А.Филова, Л. Химия, 1988.

4. Авторское свидетельство СССР N 1800428 А1, 07.03.93. Бюл. N 9.

5. Takeo Miyata // SPIE, 1986, v. 650, p. 131 -140.

6. Rudisill J.E. et al. // Apll. Opt. v. 13, N 9, p. 2075 2080.

7. Гусев А.г. и др. Оптико-физические свойства пленок фторида висмута, //ОМП, N 5, 1990, с. 55.

8. Moravec T.J. et al. //Appl. Opt. v. 18. N 1. p. 105 110.

9. Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов V-VIII групп. Справочник под ред. В.А.Филова, Л. Химия, 1989.