Расчет просветляющих покрытий

Вариант№9

Работу выполнил: Фадин М.В.

                         Курс: 4

                                                       Специальность: 200204

                                                                    Преподаватель: Гриднева Г.Н.

МОСКВА

 

2013 г.

Задание 1

Для данной марки оптического материала произвести расчет однослойного, двухслойного и многослойного просветляющего покрытия с минимальным коэффициентом отражения для данной длины волны l ₀ .

Подобрать оптические толщины и материалы напыляемых покрытий, а также методы их нанесения.

Варьируя оптической толщиной пленки в заданном интервале длин волн, построить спектральные зависимости коэффициента отражения R=f( b ), R=f( l ).

Для оптимальной конструкции покрытия составить технологическую карту его нанесения.

Исходные данные для варианта №9

 

Материал: стекло БК13 ГОСТ 3514-92;

Химическая устойчивость к пятнающим реагентам – III;

Устойчивость к влажной атмосфере – А;

n_e = 1, 5617;

Просветляющие покрытия:

Однослойное: λ ₀/4;

Двухслойное: λ ₀/4– λ ₀/4;

Трехслойное: λ ₀/4– λ ₀/2– λ ₀/4;

Многослойное: 4^х– λ ₀/4;

λ ₀=480 20 нм;

λ ₁–λ ₂=400–1200 нм;

 

Расчет просветляющих покрытий

Однослойное просветляющее покрытие

Рис. 1.1

 

Условия идеального просветляющего слоя:

 

,	(1.1)
	(1.2)
	(1.3)

 

  

 

 

Из таблицы плёнкообразующих материалов выбираем материал с наиболее близким показателем преломления к расчётному для заданного диапазона λ ₁–λ ₂=400 – 1200 нм.

 

 

Таблица 1.1

Пленкообразующий материал	Температура tпл/tус, °С	Методы нанесения	Показатель преломления	Область спектра λ 1–λ 2, мкм
Фтористый магний MgF2	1263 1130	И, ИЭ	1, 38	0, 11–10

 

 

 

Минимальный коэффициент отражения определяем по формуле (1.4):

 

(1.4)

 

 

 

Для определения амплитудных и энергетических коэффициентов отражения системы воздух – пленка – подложка используем формулы:

 

	(1.5)
	(1.6)
	(1.7)
	(1.8)
	(1.9)

 

где r_{i , i +1} – амплитудный коэффициент отражения на границе раздела двух сред с индексами i и i+1;

n_ih_i – толщина i-го слоя покрытия;

β – угол сдвига фаз;

r_{i , j} – амплитудный коэффициент отражения системы между i и j средами;

R _{1, j}– энергетический коэффициент отражения системы из i сред;

T _{1, j}– энергетический коэффициент пропускания системы из i сред;

 

 

 

 

 

 

Для построения спектральной характеристики R _{1, 3} = f ( β ) и R _{1, 3} = f ( λ ) составим таблицы 1.2 и 1.3:

 

Таблица 1.2

	0	λ 0/4	λ 0/2	3λ 0/4	λ 0
	0	π /2	π	3π /2	2π
	1	-1	1	-1	1
	-0, 22	-0, 099	-0, 22	-0, 099	-0, 22
	0, 048	9, 78·10-3	0, 048	9, 78·10-3	0, 048
	0, 952	0, 9902	0, 952	0, 99	0, 952

 

 

Рис. 1.2

 

 

Таблица 1.3

λ, нм	400	480	500	600	700	800	900	1000	1100	1200
	1, 855	1, 57	1, 508	1, 257	1, 077	0, 942	0, 838	0, 754	0, 685	0, 628
	-0, 809	-1	-0, 992	-0, 809	-0, 551	-0, 309	-0, 105	0, 063	0, 199	0, 309
	-0, 111	-0, 099	-0, 1	-0, 111	-0, 127	-0, 141	-0, 154	-0, 164	-0, 172	-0, 179
	0, 012	9, 8·10-3	0, 01	0, 012	0, 016	0, 02	0, 024	0, 027	0, 03	0, 032
	0, 988	0, 9902	0, 99	0, 988	0, 984	0, 98	0, 976	0, 973	0, 97	0, 968

 

 

Рис 1.3

 

 

Двухслойное просветляющее покрытие

Рис. 1.4

 

 

 

(1.10)

 

 

Из таблицы плёнкообразующих материалов выбираем материал с наиболее близким показателем преломления к расчётному для заданного диапазона λ ₁–λ ₂=400 – 1200 нм.

 

Таблица 1.4

Пленкообразующий материал	Температура tпл/tус, °С	Методы нанесения	Показатель преломления	Область спектра λ 1–λ 2, мкм
Фтористый церий CeF3	1 460 800	И, ИЭ	1, 63	0, 3–5

 

 

 

Минимальный коэффициент отражения рассчитываем по формуле (1.11):

 

(1.11)

 

 

 

Для определения амплитудных и энергетических коэффициентов отражения системы воздух – пленки – подложка воспользуемся формулами (1.5) – (1.8):

 

 

 

 

 

 ,

где

 

 

Для построения спектральной характеристики R _{1, 4} = f ( β ) и R _{1, 4} = f ( λ ) составим таблицы 1.5 и 1.6:

 

Таблица 1.5

	0	λ 0/4	λ 0/2	3λ 0/4	λ 0
	0	π /2	π	3π /2	2π
	1	-1	1	-1	1
	-0, 059	-0, 107	-0, 059	-0, 107	-0, 059
	-0, 217	-0, 056	-0, 217	-0, 056	-0, 217
	0, 047	2, 9·10-3	0, 047	3, 17·10-3	0, 047
	0, 953	0, 9971	0, 953	0, 99683	0, 953

 

Рис. 1.5

 

Таблица 1.6

λ, нм	400	480	500	600	700	800	900	1000	1100	1200
	1, 855	1, 57	1, 508	1, 257	1, 077	0, 942	0, 838	0, 754	0, 685	0, 628
	-0, 809	-1	-0, 992	-0, 809	-0, 551	-0, 309	-0, 105	0, 063	0, 199	0, 309
	-0, 102	-0, 107	-0, 106	-0, 102	-0, 96	-0, 9	-0, 85	-0, 82	-0, 78	-0, 76
	-0, 078	-0, 056	-0, 056	-0, 78	-0, 108	-0, 133	-0, 151	-0, 165	-0, 175	-0, 183
	6, 1· ·10-3	2, 9· ·10-3	3·10-3	6, 1· ·10-3	0, 012	0, 018	0, 023	0, 027	0, 031	0, 033
	0, 9939	0, 9971	0, 997	0, 9939	0, 9988	0, 982	0, 977	0, 973	0, 969	0, 967

 

Рис. 1.6

 

 

Трехслойное просветляющее покрытие

Рис. 1.7

 

 

 

 

 

(1.12)

 

1, 5617< 1, 63< > 1, 38;

 

Из таблицы плёнкообразующих материалов выбираем материал с наиболее близким показателем преломления для заданного диапазона         λ ₁–λ ₂=400 – 1200 нм.

 

Таблица 1.7

Пленкообразующий материал	Температура tпл/tус, °С	Методы нанесения	Показатель преломления	Область спектра λ 1–λ 2, мкм
Фтористый свинец PbF2	855 700	И, ИЭ	1, 75	0, 25–17

 

 

 

Минимальный коэффициент отражения рассчитываем по формуле (1.13):

 

(1.13)

 

 

 

Для определения амплитудных и энергетических коэффициентов отражения системы воздух – пленки – подложка воспользуемся формулами (1.5) – (1.8):

 

 

 

 

 

 

 ,

 ,

 ,

 ,

 .

 

 

Для построения спектральной характеристики R _{1, 5} = f ( β ) и R _{1, 5} = f ( λ ) составим таблицы 1.8 и 1.9:

 

Таблица 1.8

	0	λ 0/4	λ 0/2	3λ 0/4	λ 0
	0	π /2	π	3π /2	2π
	1	-1	1	-1	1
	0, 021	-0, 092	0, 021	-0, 092	0, 021
	-0, 62	-0, 174	-0, 062	-0, 174	-0, 062
	-0, 219	0, 015	-0, 219	0, 015	-0, 219
	0, 048	2, 1·10-4	0, 048	2, 17·10-4	0, 048
	0, 952	0, 99979	0, 952	0, 99979	0, 952

 

Рис. 1.8

 

Таблица 1.9

λ, нм	400	480	500	600	700	800	900	1000	1100	1200
	1, 855	1, 57	1, 508	1, 257	1, 077	0, 942	0, 838	0, 754	0, 685	0, 628
	-0, 809	-1	-0, 992	-0, 809	-0, 551	-0, 309	-0, 105	0, 063	0, 199	0, 309
	3, 77	3, 14	3, 016	2, 513	2, 154	1, 885	1, 676	1, 508	1, 371	1, 257
	0, 309	1	0, 969	0, 309	-0, 393	-0, 809	-0, 978	-0, 992	-0, 921	-0, 809
	-0, 081	-0, 092	-0, 092	-0, 081	-0, 067	-0, 053	-0, 041	-0, 032	-0, 024	-0, 018
	-0, 108	-0, 174	-0, 171	-0, 108	-0, 057	-0, 04	-0, 043	-0, 052	-0, 061	-0, 069
	-0, 073	0, 015	9, 9· ·10-3	-0, 073	-0, 129	-0, 148	-0, 155	-0, 163	-0, 171	-0, 18
	5, 4· ·10-3	2·10-4	1·10-4	5, 4· ·10-3	0, 017	0, 022	0, 024	0, 027	0, 029	0, 032
	0, 9936	0, 9998	0, 9999	0, 9946	0, 9983	0, 978	0, 976	0, 973	0, 971	0, 968
	0, 0063	2·10-4	1, 2· ·10-4	4, 8· ·10-4	0, 016	0, 021	0, 024	0, 026	0, 029	0, 032

 

 

Рис. 1.9

 

Четырехслойное просветляющее покрытие

Рис. 1.10

 

 

 

(1.14)

 

 

Из таблицы плёнкообразующих материалов выбираем материал с наиболее близким показателем преломления для заданного диапазона    λ ₁–λ ₂=400 – 1200 нм.

 

Таблица 1.10

Пленкообразующий материал	Температура tпл/tус, °С	Методы нанесения	Показатель преломления	Область спектра λ 1–λ 2, мкм
Фтористый церий CeF3	1 460 800	И, ИЭ	1, 63	0, 3–5

 

 

 

Минимальный коэффициент отражения рассчитываем по формуле (1.11):

 

(1.11)

 

 

 

Для определения амплитудных и энергетических коэффициентов отражения системы воздух – пленки – подложка воспользуемся формулами (1.5) – (1.8):

 

 

 

 

 

 

 

 ,

 ,

 ,

.

 

 

Для построения спектральной характеристики R _{1, 6} = f ( β ) и R _{1, 6} = f ( λ ) составим таблицы 1.5 и 1.6:

Таблица 1.11

	0	λ 0/4	λ 0/2	3λ 0/4	λ 0
	0	π /2	π	3π /2	2π
	1	-1	1	-1	1
	0, 057	0, 014	0, 057	0, 014	0, 057
	-0, 021	0, 005	-0, 021	0, 005	-0, 021
	-0, 062	-0, 034	-0, 062	-0, 034	-0, 062
	-0, 219	-0, 127	-0, 219	-0, 127	-0, 219
	0, 048	0, 016	0, 048	0, 016	0, 048
	0, 952	0, 9984	0, 952	0, 9984	0, 952

 

Рис. 1.11

 

Таблица 1.12

λ, нм	400	480	500	600	700	800	900	1000	1100	1200
	1, 855	1, 57	1, 508	1, 257	1, 077	0, 942	0, 838	0, 754	0, 685	0, 628
	-0, 809	-1	-0, 992	-0, 809	-0, 551	-0, 309	-0, 105	0, 063	0, 199	0, 309
	0, 018	0, 014	0, 014	0, 018	0, 024	0, 029	0, 033	0, 037	0, 04	0, 042
	-0, 05	-0, 05	-0, 05	-0, 05	-0, 049	-0, 044	-0, 039	-0, 033	-0, 028	-0, 023
	-0, 043	-0, 034	-0, 034	-0, 043	-0, 056	-0, 069	-0, 079	-0, 085	-0, 089	-0, 09
	-0, 126	-0, 0128	-0, 127	-0, 126	-0, 129	-0, 139	-0, 152	-0, 165	-0, 177	-0, 187
	0, 016	0, 016	0, 016	0, 016	0, 017	0, 019	0, 023	0, 027	0, 031	0, 035
	0, 984	0, 984	0, 984	0, 984	0, 983	0, 981	0, 977	0, 973	0, 969	0, 965

 

Рис. 1.12

 

Анализ результатов

Для выбора оптимальной конструкции просветляющего покрытия построим графии спектральных зависимостей R = f (λ )для всех типов покрытий в одной системе координат.

Рис. 1.13

Оптимальной является та конструкция, которая обеспечивает минимальный коэффициент отражения на рабочей длине волны λ ₀ =480 нм и более широкую зону просветления в заданной области спектра.

Таким образом, оптимальным является трехслойное оптическое покрытие.

Построим графики R = f (λ ) для трехслойного покрытия смоделированный и теоретический:

 

Рис. 1.14

 

Обозначим выбранную конструкцию просветляющего покрытия:

 

ВД  37ИЭ 96ИЭ 24ИЭ ₃₀₀  по ОСТ 3-1901-95

λ ₀=480 20 нм;

ρ _min = 0, 0002

λ ₁–λ ₂=400–1200 нм;

Материал подложки: стекло БК13 ГОСТ 3514-92;

n_e = 1, 5617.

 

Вакуумная установка для нанесений покрытий ВУ–1А.

Для данной конструкции просветляющего покрытия составим технологический процесс.

 

Технологический процесс

010 Очистка подложек

020 Подготовка вакуумной камеры

030 Ионная очистка подложек

040 Нагрев подложек до фиксированной температуры

050 Нанесение оптического покрытия

051 Нанесение оптического покрытия PbF₂

052 Нанесение оптического покрытия CeF₃

053 Нанесение оптического покрытия MgF₂

060 Разгерметизация вакуумной, камеры выгрузка готовых изделий

070 Контроль оптических параметров покрытий

Содержание операций:

Очистка подложек

Подложки из стекла БК – 13 ГОСТ 3514-76 обезжиривают в смеси петролейного эфира и этилового спирта в соотношении 75% - 25% и окончательно протирают тампонами обезжиренной ваты, смоченной в абсолютном этиловом спирте. Очищенные детали протирают обезжиренными батистовыми салфетками. Готовые детали вставляют в съемные оправы подложкодержателя и с их поверхностей беличьей кисточкой удаляются ворсинки. Очищенные детали в оправах загружают в подложкодержатель, и подложкодержатель устанавливается в вакуумную камеру. При выполнении этой операции оператор должен работать в резиновых перчатках или напальчниках.

020 Подготовка вакуумной камеры (происходит параллельно с операцией 010)

· очистка элементов подколпачной аппаратуры (экранов, испарителей, заслонов) от пленок испаряемых материалов и пропитку их спиртом

· загрузка исходных пленкообразующих материалов в испарители
(MgF₂, CeF₃ и PbF₂ в виде таблеток в 3^х позиционный тигель электронно-
лучевого испарителя - ЭЛИ)

· загрузка подложкодержателя с очищенными оптическими деталями

· проверка работоспособности механизмов и устройств вакуумной камеры; вращение подложкодержателя, перемещение заслонок, работа фотометра

· откачка камеры до давления примерно 2 Па.

Ионная очистка подложек

Операцияпроводится в камере (P=2...1, 38 Па) в течение 5–10 минут при напряжении 500 В на электроде ионной очистки и токе разряда 150–200 мА. При этом включается вращение подложкодержателя с частотой n =10–20 мин^-1. В процессе ионной очистки ионами остаточных газов с поверхности удаляются пылинки и молекулы тяжелых газов. По окончании ионной очистки камера откачивается до Р =10^-2 –10^-3 Па.

Задание 2

Для данной марки оптического материала произвести расчет однослойного, двухслойного и многослойного отражающего покрытия с максимальным коэффициентом отражения для данной длины волны l ₀ .

Подобрать оптические толщины и материалы напыляемых покрытий, а также методы их нанесения.

Варьируя оптической толщиной пленки в заданном интервале длин волн, построить спектральные зависимости коэффициента отражения R=f( b ), R=f( l ).

Для оптимальной конструкции покрытия составить технологическую карту его нанесения.

Исходные данные для варианта №9

 

Материал: стекло БК13 ГОСТ 3514-92;

Химическая устойчивость к пятнающим реагентам – III;

Устойчивость к влажной атмосфере – А;

n_e = 1, 5617.

Отражающие покрытия:

Однослойное: λ ₀/4;

Двухслойное: λ ₀/4– λ ₀/4;

Многослойное: 4^х– λ ₀/4;

λ ₀=480 20 нм;

λ ₁–λ ₂=400–1200 нм;

 

 

Расчет отражающих покрытий

Анализ результатов

Для выбора оптимальной конструкции отражающего покрытия построим графии спектральных зависимостей R = f (λ )для всех типов покрытий в одной системе координат.

 

Рис. 2.10

 

Оптимальной является та конструкция, которая обеспечивает максимальный коэффициент отражения на рабочей длине волны λ ₀ =480 нм и более широкую зону отражения в заданной области спектра.

Таким образом, оптимальным является четырехслойное оптическое покрытие.

 

Обозначим выбранную конструкцию отражающего покрытия:

 

–ВД (41ИЭ 88ИЭ) ₂₅₀× 2 по ОСТ 3-1901-95

λ ₀=480 20 нм;

ρ _max = 0, 71;

λ ₁–λ ₂=400–1200 нм;

Материал подложки: стекло БК13 ГОСТ 3514-92;

n_e = 1, 5617

 

Для данной конструкции отражающего покрытия составим технологический процесс.

 

Технологический процесс

010 Очистка подложек

020 Подготовка вакуумной камеры

030 Ионная очистка подложек

040 Нагрев подложек до фиксированной температуры

050 Нанесение оптического покрытия

051 Нанесение оптического покрытия SiO₂

052 Нанесение оптического покрытия TiO₂

053 Нанесение оптического покрытия SiO₂

054 Нанесение оптического покрытия TiO₂

060 Разгерметизация вакуумной, камеры выгрузка готовых изделий

070 Контроль оптических параметров покрытий

Содержание операций:

Очистка подложек

Подложки из стекла БК – 13 ГОСТ 3514-76 обезжиривают в смеси петролейного эфира и этилового спирта в соотношении 75% - 25% и окончательно протирают тампонами обезжиренной ваты, смоченной в абсолютном этиловом спирте. Очищенные детали протирают обезжиренными батистовыми салфетками. Готовые детали вставляют в съемные оправы подложкодержателя и с их поверхностей беличьей кисточкой удаляются ворсинки. Очищенные детали в оправах загружают в подложкодержатель, и подложкодержатель устанавливается в вакуумную камеру. При выполнении этой операции оператор должен работать в резиновых перчатках или напальчниках.

020 Подготовка вакуумной камеры (происходит параллельно с операцией 010)

· очистка элементов подколпачной аппаратуры (экранов, испарителей, заслонов) от пленок испаряемых материалов и пропитку их спиртом

· загрузка исходных пленкообразующих материалов в испарители
(TiO₂, SiO₂ в виде таблеток в 2^х позиционный тигель электронно-
лучевого испарителя - ЭЛИ)

· загрузка подложкодержателя с очищенными оптическими деталями

· проверка работоспособности механизмов и устройств вакуумной камеры; вращение подложкодержателя, перемещение заслонок, работа фотометра

· откачка камеры до давления примерно 2 Па.

Ионная очистка подложек

Операцияпроводится в камере (P=2...1, 38 Па) в течение 5–10 минут при напряжении 500 В на электроде ионной очистки и токе разряда 150–200 мА. При этом включается вращение подложкодержателя с частотой n =10–20 мин^-1. В процессе ионной очистки ионами остаточных газов с поверхности удаляются пылинки и молекулы тяжелых газов. По окончании ионной очистки камера откачивается до Р =10^-2 –10^-3 Па.

Вариант№9

Работу выполнил: Фадин М.В.

                         Курс: 4

                                                       Специальность: 200204

                                                                    Преподаватель: Гриднева Г.Н.

МОСКВА

 

2013 г.

Задание 1

Для данной марки оптического материала произвести расчет однослойного, двухслойного и многослойного просветляющего покрытия с минимальным коэффициентом отражения для данной длины волны l ₀ .

Подобрать оптические толщины и материалы напыляемых покрытий, а также методы их нанесения.

Варьируя оптической толщиной пленки в заданном интервале длин волн, построить спектральные зависимости коэффициента отражения R=f( b ), R=f( l ).

Для оптимальной конструкции покрытия составить технологическую карту его нанесения.

Исходные данные для варианта №9

 

Материал: стекло БК13 ГОСТ 3514-92;

Химическая устойчивость к пятнающим реагентам – III;

Устойчивость к влажной атмосфере – А;

n_e = 1, 5617;

Просветляющие покрытия:

Однослойное: λ ₀/4;

Двухслойное: λ ₀/4– λ ₀/4;

Трехслойное: λ ₀/4– λ ₀/2– λ ₀/4;

Многослойное: 4^х– λ ₀/4;

λ ₀=480 20 нм;

λ ₁–λ ₂=400–1200 нм;

 

Расчет просветляющих покрытий

1234Следующая ⇒

Поделиться: