книги из ГПНТБ / Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. Оптические свойства и методы исследования
.pdfТ. Н. КРЫЛОВА
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ
ПОКРЫТИЯ
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
КОНТРОЛЬНЫЙ
O i v o C i / i i !,., ./ii->
ЛЕНИНГРАД «МАШИНОСТРОЕНИЕ»
6П5.8
К85
УДК 666.1.056 : 535.415/417
Крылова Т. Н. Интерференционные покрытия. Л . , «Машиностроение-», 1973. 224 с.
В книге рассмотрены основы явления интерференции света в прозрачных пленках; различные возможности уменьшения количества света, отраженного от поверх ности стекла; непоглощающие свет покрытия, повышающие коэффициент отражения света от поверхности стекла; свойства многослойных дихроических зеркал; различные системы интерференционных светофильтров и их характе ристики; поляризация света, отраженного тонкими про зрачными покрытиями. Приведены простые методы рас четов оптических свойств как однослойных, так и много слойных покрытий.
Книга предназначена для научных и инженерно-тех нических работников оптико-механической промышлен ности.
Табл. 37. Ил. 108. Список лит. 160 назв.
К 3136-299 299-73
038 (01)-73
Рецензент д-р. физ.-матем. наук М. П. Чайка
© Издательство „Машиностроение".1973г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Тонкие прозрачные покрытия получают все более широкое при менение в различных отраслях науки и техники. В настоящее время фактически появился новый раздел оптики тонких пленок, а интер ференционные покрытия составляют специальную отрасль оптиче ского приборостроения.
Несмотря на широкое практическое использование тонких по крытий, по вопросам их оптических свойств в отечественной лите ратуре имеются монографии [3, 82], содержащие сведения, отно сящиеся только к периоду до 1958 г. В последнее время появились
переводные обзорные статьи в сборниках «Физика тонких |
пленок» |
15, 10, 32, 38, 81 ] . Отдельные данные можно найти в статьях, |
опубли |
кованных в периодической литературе по оптике. Тем не менее вопросы оптических и, в частности, спектральных свойств интер ференционных систем, состоящих из тонких слоев, освещены недо статочно. Отсутствие этих сведений часто приводит к неполному и даже неправильному использованию тех возможностей, которые присущи тонкослойным покрытиям.
В предлагаемой монографии обобщены материалы, собранные в результате многолетнего творческого содружества работников исследовательских лабораторий и промышленности. Здесь, в отличие от других изданий, в доступном изложении дано описание спек тральных особенностей и других характерных оптических свойств одно- и многослойных покрытий, показано изменение характеристик в зависимости от показателей преломления, толщины и числа слоев. Приведено большое число примеров расчета, экспериментального воспроизведения и исследования оптических свойств различных многослойных систем. Значительный интерес представляет рассмо тренный в книге вопрос зависимости спектрального отражения от поверхности стекла с пленкой при различных углах падения.
Книга может служить руководством при ознакомлении и выборе прозрачных покрытий, что позволит существенно улучшить качество оптических приборов, расширить их возможности и область при
менения. |
|
|
Приведенная в |
книге библиография не претендует |
на полноту |
и в основном служит для дополнения изложенного материала. |
||
Автор приносит |
глубокую благодарность Р. С. |
Соколовой, |
И. Ф. Бохонской и И. В. Егоренковой за предоставленные материалы,
вошедшие в |
книгу. |
1* |
з |
ВВЕДЕНИЕ
Оптика тонких слоев — новая часть прикладной оптики, полу чившая быстрое развитие за последние 20—25 лет. Стимулом к этому послужило успешное практическое использование явлений интер ференции и поляризации света в тонких прозрачных слоях, что коренным образом изменяет оптические и другие свойства поверх ности стекла или иной оптической среды.
Путем чередования пленок необходимой оптической толщины с высоким и низким показателями преломления на поверхности стекла создаются различные интерференционные системы:
а) значительно уменьшающие отражение света в узкой или ши
рокой |
области спектра (гл. I I ) ; |
|
б) |
повышающие |
отражение падающего света до 95% и выше на |
участках различной |
спектральной ширины (гл. I I I ) ; |
в) выделяющие узкую спектральную область монохроматиче ского света — интерференционные светофильтры (п. 28);
г) дающие пучок прямолинейно поляризованного света с высо кой степенью поляризации (п. 21) и др.
Образующаяся на поверхности раздела двух соприкасающихся сред пленка по своим физическим, химическим и другим свойствам может заметно отличаться от остальной массы вещества. Она может быть результатом взаимодействия поверхности твердого тела с окру жающей активной средой и может быть создана искусственно путем нанесения слоя инородного вещества.
Искусственное создание поверхностного слоя твердого вещества на твердой подложке возможно различными методами, из которых наиболее распространены:
1) термическое испарение в вакууме;
2)катодное распыление;
3)нанесение из растворов легко гидролизующихся соединений. Разнообразные интерференционные покрытия, характеристики
которых приведены в книге, воспроизводятся с помощью любого из указанных методов. Поэтому собранный материал представляет общий интерес, независимо от метода нанесения покрытий. Однако следует отметить, что многие из описанных систем получены нане сением из растворов (п. 23), о чем имеются соответствующие ссылки на литературные источники.
Простой и оригинальный способ нанесения прозрачных пленок диэлектриков из растворов был разработан акад. И. В. Гре бенщиковым [3] и его школой в результате многолетних исследова-
ний химической устойчивости оптического стекла. Основным преиму ществом покрытий, полученных из растворов, является их устой чивость, позволяющая использовать их в достаточно жестких усло виях. Простота технологического процесса нанесения покрытий обеспечила методу широкое применение в оптической промышлен ности.
Часть приведенных данных представляет собой результаты рас чета, получившего в большинстве случаев экспериментальное под тверждение.
Для выполнения расчетов оптических свойств покрытий, необ ходимых при разработке различных одно- и многослойных систем, использован рекуррентный метод, разработанный и рекомендован
ный А. Г. Власовым [3, 6 ] . Дальнейшее |
развитие |
метода показало |
|
возможность упрощения расчетов |
путем |
графических построений, |
|
а также программирования с |
привлечением |
счетно-решающих |
устройств. Многие из приведенных графиков получены с помощью ЭВМ.
Основу методов определения оптических свойств разнообразных покрытий составляют явления интерференции и поляризации в тон ких пленках, которые практически можно разделить на две группы: спектрофотометрические и эллипсометрические. Эти методы не только обеспечивают возможность контроля оптической толщины и пока зателя преломления пленок, но дают возможность оценить их одно родность, потери на поглощение и другие свойства, присущие реаль ным пленкам, обладающим различной структурой.
Г Л А В А I
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА В ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛЕНКЕ
1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА В ПРОЗРАЧНЫХ СРЕДАХ [1, 2]
Основой классической оптики служит электромагнитная теория, согласно которой световой поток представляет собой ряд попереч ных колебаний — электромагнитных волн, распространяющихся в пустоте со скоростью с = 3-101 0 см/сек = 300 ООО км/сек. В про зрачном веществе, оптически более плотном, свет распространяется медленнее, чем в веществе оптически менее плотном. Отношение скорости распространения света в пустоте к скорости распростране ния в среде носит название абсолютного коэффициента или пока зателя преломления п:
|
n = — ; |
v = ~ , |
(1.1) |
где v — скорость распространения |
света в |
веществе. |
|
Показатель |
преломления воздуха близок к единице (1,00027) |
||
и в оптотехнике |
часто принято определять |
показатель преломления |
веществ относительно воздуха, что не представляет большой ошибки. Если в двух средах свет распространяется со скоростями у 2 и v2,
то их показатели преломления будут: |
|
||
"і |
= |
и п2 = - f - , |
(1.2) |
откуда |
Vl |
у2 |
|
|
п2 _ |
Pt |
(1.3) |
|
п, |
V, |
|
|
|
Показатели преломления двух веществ обратно пропорциональны скоростям распространения в них света.
При падении света на поверхность раздела двух прозрачных сред наблюдается отражение света обратно в первую среду и прелом ление света во вторую среду, определяемые следующими закономер ностями (рис. 1.1).
1. Лучи отраженный (R) и преломленный (Т) расположены в одной плоскости с лучом падающим (/) и нормалью к поверхности,
восстановленной |
в точке падения. |
|
2. Углы падения и отражения лучей / и R, отсчитываемые от |
||
нормали, равны |
между собой: |
|
|
Фі = ФІ. |
(1.4) |
3. Отношение синусов углов падения и преломления — величина постоянная для данных веществ и равна их относительному пока
зателю |
преломления: |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
sin |
<pt |
n2 |
v. |
|
(1.5) |
|
|
|
|
sin |
ф 2 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
На рис. 1.2 показано преломление света на границах раздела |
|||||||||
нескольких |
оптических |
сред. |
|
|
|
|
|||
При |
любом |
числе соприкасающихся |
сред |
с параллельными гра |
|||||
ницами |
раздела |
произведение показателя преломления |
вещества на |
||||||
|
|
|
N |
|
|
JlL |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
п4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ъ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
п,-1 |
|
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
|
|
г |
|
Рис. |
1.1. |
Отражение |
и |
пре |
Рис. 1.2. Прохождение |
свето |
||
|
ломление |
света на |
границе |
вого |
луча |
через ряд |
сред |
||
|
|
|
двух сред |
|
|
с различными показателями |
|||
|
|
|
|
|
|
|
преломления |
|
синус угла, образованного лучом с нормалью к поверхности, остается
постоянным и |
определяется |
согласно |
(1.5) |
выражением: |
|
nl |
sin ц>1 = п2 |
sin ф 2 = |
• • • = |
пт sin |
(1.6) |
Если показатели преломления первой и последней сред одинаковы
(например, воздух), |
то лучи входящий |
в систему и выходящий |
из нее параллельны |
между собой (рис. |
1.2). |
При переходе света из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную луч приближается к нормали. При обрат ном переходе — луч удаляется от нормали.
Распространение электромагнитных волн наглядно можно по казать графически на примере распространения гармонического колебательного движения (рис. 1.3, а). Рассмотрим прямцлинейное гармоническое колебательное движение. Отрезок длиной А равно мерно вращается вокруг точки О, и его конец описывает окруж ность с радиусом А.
За единицу времени отрезок А поворачивается на угол со, харак теризующий угловую скорость. За время t он поворачивается на
угол |
|
Ф = ш*. |
(1.7), |
Отрезок А совершает полный оборот вокруг точки О за время Г , называемое периодом колебания. Конец его описывает окружность,
а сам он за время Т совершает полный оборот на угол 2я = 360°, откуда
а>Т = 2л; |
(1.8) |
fi> = - f - . - |
(1.9) |
При вращении отрезка А вокруг точки О его проекция на диаметр изменяется по закону
s — Acos at — Л cos - у t, |
(1.10) |
Рис. 1.3. Гармоническое колебательное движение: а — схематическое изображение; б — распространение электромагнитной волны
что называется гармоническим колебательным движением (рис. 1.3, б). Угол
|
Ф = |
- у * |
|
|
(1.11) |
|
называется фазой |
колебания. |
s = А называется |
|
|
|
|
Максимальное |
отклонение |
амплитудой |
коле |
|||
бания. Максимальное отклонение имеет место |
при |
угле ср = 90° |
||||
или 270°. За период времени |
Т |
проекция совершает |
одно |
полное |
колебание. Если колебание распространяется от некоторого источ
ника, то фаза |
колебания |
на расстоянии х |
от источника запаздывает |
||||
относительно |
фазы источника |
на |
время |
t = — . Состояние |
колеба |
||
ния, пришедшего со скоростью |
v |
в точку |
на расстоянии х от начала |
||||
колебания, характеризуется |
выражением: |
|
|||||
|
5= |
Л С 0 5 ^ ( / - ^ ) , |
(1.12) |
||||
где угол ф = |
|
^ |
— ф а з а колебания. |
|
Вид функции показывает, что изменение х на к = vT, эквива лентное изменению фазы на 2п, не изменяет ее величину. Действи тельно,
s = A c o s ^ ( t - ^ L ) = A c o s 2 n ( ± - ^ r ~ l ) |
= |
= Л С 0 8 - ^ - ( * - - £ ) . |
(1.13) |
Расстояние Я, пройденное колебанием со скоростью v за один период, называется длиной волны (рис. 1.3, б):
|
|
, |
I = vT, |
|
(1.14) |
|
Подставив |
(1.14) |
в (1.13) |
имеем: |
|
|
|
|
|
s = |
4cos2n ( 4 " - " г ) ' |
( 1 |
Л 5 ) |
|
До сих пор мы считали начало колебаний с момента времени |
/ = |
0; |
||||
в общем |
случае |
необходимо учитывать |
начальную фазу б. |
Тогда |
||
|
|
s = 4 c o s 2 n ( £ — -j-.± |
б ) . |
(1.16) |
На рис. 1.3, б дано изображение незатухающей синусоидальной (или косинусоидальной) волны с амплитудой А и длиной X. Здесь абсцисса х характеризует путь, пройденный волной. Ордината s выражает смещение точки из положения равновесия, т. е. отклонение точки соответствующее абсциссе х. Как видно из (1.16), фаза опре-
ляется суммой трех слагаемых: 2п — зависящего от времени,
—д зависящего от места и 2зтб — определяющего начальную
фазу. |
В оптике величину х принято выражать оптической длиной |
||
пути, |
пройденного волной: |
|
|
|
х |
= nh, |
(1-17) |
где п — показатель преломления среды, в которой распространяется волна; h — расстояние.
При рассмотрении многих вопросов удобно принимать начальный момент времени t = 0, и значение начальной фазы 6 = 0. Тогда (1.16) перепишется в более простом виде:
|
s = Acos~nh |
= Л cos А, |
(1.18) |
||
где |
|
|
|
|
|
|
|
•" A^^-nh, |
|
|
(1.18а) |
Д — фаза |
колебания, |
определяемая |
длиной пройденного |
пути h |
|
в среде с |
показателем |
преломления |
п. Колебание, определяемое |
9