Тонкопленочные отражающие оптические элементы

В оптике видимого, УФ и ИК диапазона распространены элементы на основе многослойных отражающих и просветляющих тонких покрытий. Многослойные покрытия наносятся на стеклянную подложку и состоят из большого числа (до 17) чередующихся слоев с высоким и низким показателем преломления толщиной в четверть длины волны. Поэтому такие зеркала имеют сравнительно узкий спектральный интервал работы, но существуют и широкополосные тонкопленочные зеркала. При определенном подборе материалов для нанесения слоев наблюдается эффект отражения или наоборот просветления благодаря интерференции света между световыми волнами, частично отраженными от верхних и нижних границ слоев. Для получения таких слоев используют (в скобках указаны показатели преломления веществ): окислы – Аl₂O₃ (1.7), SiO₂ (1.46), TiO₂ (2.2–2.6); фториды – MgF₂ (1.38), CaF₂ (1.4), LiF (1.35); сульфиды – ZnS (2.2), CdS (2.6); селенид ZnSe (2.4); полупроводники – Si (3.4), Ge (4.0); некоторые другие материалы.

В силовой оптике выбор тонких пленок осуществляется по лучевой стойкости и прозрачности перечисленных материалов в данном оптическом диапазоне. Наиболее распространены просветляющие покрытия и частично отражающие многослойные зеркала нормального падения, не имеющие аналогичных элементов силовой оптики альтернативного исполнения. При увеличении числа нанесенных слоев коэффициент отражения многослойного зеркала возрастает, однако при превышении некоторого числа слоев, зависящего от технологии, отражение начинает ухудшаться за счет возрастания рассеяния и поглощения.

Главным преимуществом силовой оптики тонких пленок является возможность создания альтернативных поляризующих и фазосдвигающих оптических элементов, т.к. двулучепреломляющие поляризаторы не всегда удовлетворяют требованиям силовой оптики по лучевой стойкости, апертуре, неактивному поглощению и рассеянию. Поиски поляризаторов, удовлетворяющих этим требованиям, привели сначала к использованию поляризационной аномалии пропускания и отражения света на границе раздела «стекло-воздух» при угле Брюстера (см. формулу (1.2)).

Известно, что при падении света на поверхность под углом Брюстера отраженный свет – линейно поляризован, преломленный – частично поляризован. Однако коэффициент отражения составляет около 5 %, что обычно не позволяет использовать отраженную поляризованную составляющую, поэтому используют преломленную составляющую, а для повышения степени поляризации увеличивают число отражений под углом Брюстера. Высокую степень поляризации, низкое поглощение и высокую стойкость к мощному излучению можно получить с помощью стопы пластин, материал и число которых выбираются в соответствии со следующим соотношением:

, (1.8)

Рис. 1.3. Схема расположения пластин в стопе

где Р – степень поляризации; m – число пластин, наклоненных под углом Брюстера; n _ст – коэффициент преломления материала пластин. На рис. 1.3 приведена схема расположения пластин. Поверхности пластин скошены друг относительно друга (достаточен угол около 1˚), чтобы предотвратить распространение в прямом направлении многократно отраженной волны. Подобное относительное расположение двух половин стопы (нормали к поверхностям перпендикулярны) устраняет поперечное смещение луча. Пропускание такой стопой неполяризованного света – около 40 %. Невысокая поляризующая способность одной границы раздела потребовала использования в таком поляризаторе большого числа пластин, что сильно увеличило его габариты и потери энергии, стимулировало самофокусировку мощного излучения и другие нежелательные эффекты. В связи с этим практически важным было создание интерференционных поляризаторов на основе четвертьволновых слоев, наносимых на прозрачную подложку. Такие поляризаторы могут давать степень поляризации более 90 %, причем можно использовать и отраженную (s -поляризованную) и преломленную (p -поляризованную) составляющие излучения. Оптическая стойкость таких поляризаторов также высока.

Принцип действия интерференционных поляризаторов, названных sp -зеркалами, по существу аналогичен действию стопы из стеклянных пластин, расположенных под углом Брюстера «стекло-воздух» (s -поляризованное излучение большей частью отражается, p -поляризованное излучение большей частью пропускается). Однако, поскольку роль пластин в этом случае выполняют тонкие (толщиной в четверть длины волны) пленки, уменьшаются потери, достигается большой выигрыш в компактности устройства, а при большом числе пленок – и в поляризующей способности.

Контраст (отношение пропускания или отражения взаимно ортогональных s - и p -поляризационных компонент) современных sp -зеркал достигает 500 (для сравнения контраст двулучепреломляющих поляризаторов более 1000), что вполне достаточно для большинства применений. При этом световая апертура таких поляризаторов может достигать полуметра, что неосуществимо для кристаллических оптических элементов.

При распространении s - и p -поляризационных составляющих через систему слоев с чередующимся показателем преломления изменяется не только амплитуда, но и фаза этих составляющих, т.е. многослойная система действует подобно одноосному двулучепреломляющему кристаллу. Как и в эквивалентах фазовых пластинок на ПВО (лабораторные работы № 2 и № 3) сдвиг фаз между двумя составляющими поляризации можно менять, изменяя угол падения излучения на оптический элемент, а ориентацию линейной поляризации входного излучения относительно плоскости падения можно менять, поворачивая оптический элемент в плоскости, перпендикулярной оси пучка излучения. Таким образом, на основе системы многослойных покрытий можно реализовать не только поляризующие, но и фазосдвигающие элементы, являющиеся эквивалентами четвертьволновой и полуволновой пластинок.

Другим важным достоинством тонкопленочной оптики является возможность создания узкополосных интерференционных светофильтров и дихроичных зеркал. Существующие многослойные светофильтры выделяют из спектральной области шириной в 500 нм интервалы длин волн 0.1–0.15 нм. Незаменима тонкопленочная оптика для создания спектральных приборов высокого разрешения, например, при изготовлении интерферометров (эталонов) Фабри-Перо.