Оптические константы пленок фторида иттрия

Для реализации широкополосных интерференционных покрытий, работающих одновременно в видимой и ИК-областях спектра, требуются прозрачные оптические пленки с различными коэффициентами преломления и малым поглощением. Перспективные для этого пленки фторидов бария, кальция, стронция, свинца при суммарных оптических толщинах более 3÷5 мкм в многослойных покрытиях мало прозрачны в видимой части спектра из-за потерь на рассеивание. Кроме того, пленки фторидов бария и свинца гигроскопичны. Для получения пленок с заданными оптическими свойствами (например, показателем преломления) используют совместное напыление различных веществ [1, 2]. Изготовленные по такой технологии пленки часто обладают улучшенными механическими и оптическими свойствами. Например, структурные исследования совместно напыленных пленок CeO₂ и СеF₃ показали, что они имеют более тонкую структуру, чем пленки отдельных компонентов смеси и меньше рассеивают излучение видимого диапазона спектра. В работе [3] при изучении влияния легирующих добавок на структуру кристаллических вакуумных конденсатов установлено, что оптические свойства пленок BaF₂ и AlF₃ с легирующей добавкой MgF₂ сильно зависят от степени дефектности по фтору. Экспериментально определенная зависимость показателя преломления пленок смеси BaF₂ + MgF₂ от процентного соотношения испаряемых компонентов смеси имеет нелинейный характер.

В настоящей работе исследовали показатели преломления n и показатель поглощения k пленок легированного фторида иттрия (YF₃). Пленки YF₃ имеют высокую прозрачность в видимом и инфракрасном диапазонах спектра, негигроскопичны и обладают высокой механической прочностью.

Пленки изготавливались методом термического испарения в вакууме на установке ВУ-2М. Вакуум порядка 3·10^-3 Па достигался при использовании масляно-диффузионных насосов с охлаждающимися жидким азотом ловушками. Температура подложек при напылении не превышала 100°С. Испарение YF₃ проводилось с помощью электронно – лучевого испарителя. ЭЛИ-22. Контроль толщины напыляемых пленок и скоростей осаждения конденсата осуществляли фотометрическим методом по отражению в области спектра 0,8-1.1 мкм, в которой пленки имеют малое поглощение (менее 0,1%). Оптическую толщину пленок h на длине волны λ₀ определяли по числу экстремумов:

, (1)

где λ_к - длина волны фотометрического контроля, n(λ_к) - показатель преломления пленки на длине волны контроля, d -геометрическая толщина пленки, п(λ₀) - показатель преломления на длине волны λ₀, m – число экстремумов - максимумов или минимумов пропускания света. Относительная погрешность измерения пропускания фотометрической системы не превышала 0.5%. Это обеспечивало точность контроля толщины напыляемой пленки при m = 8-15 не хуже 1% при напылении на стеклянный свидетель. Скорость напыления определяли по времени, которое требовалось для напыления пленки с толщиной, соответствующей расстоянию между соседними экстремумами. Толщина напыляемых плёнок выбиралась таким образом, чтобы в исследуемом спектральном диапазоне в интерференционной картине было достаточно число экстремумов для построения огибающих T_max (λ) и T_min (λ).

Для расчёта оптических констант используется оригинальная методика. Она заключается в решении системы нелинейных уравнений для каждой длины волны с двумя неизвестными n и k:

(2)

где T_exp и R_exp взяты на определённой длине волны экспериментальных спектров пропускания и отражения, n_f и k_f – искомые оптические константы плёнки на этой длине волны.

Результирующие коэффициенты пропускания и отражения определяются по формулам:

(3)

(4)

где верхний индекс (S и P) означают поляризацию, нижний индекс (₁₄) в выражениях (2) – (4) показывает, что полученные значения коэффициентов пропускания и отражения соответствуют для случая с двумя границами раздела, т.е. для подложки с конечной толщиной.

, , , находятся по формулам:

(5)

(6) (7) , (8)

Измерение спектров пропускания, отражения и поглощения проводилось на спектрофотометре Bruker Vertex-70. Спектральные характеристики плёнок представлены на рис.1. Как видно из рис.1, правый экстремум соответствует толщине пленки равняется l₀/4 = 7.02 мкм.

Рис. 1. Спектры отражения, пропускания и поглощения (R,T,A) плёнок YF₃

Рассчитанные дисперсионные характеристики коэффициента преломления (n) и поглощения (k) представлены на рис. 2.

Рис.2. Дисперсия показателей преломления и поглощения плёнки YF₃

Видно, что в спектрах наблюдаются линий поглощения. Можно выделить две группы линий: одна – в области 2.7-4 мкм (2500¸3700 см^-1), а другая – в области 6-6,3 мкм (1300¸1600 см^-1). Подобный спектр поглощения пленок фторидов наблюдался в ряде работ, в том числе в [4,5]. Согласно результатам этих работ широкая полоса с максимумом на частоте 3300 см^-1 связана с растягивающими колебаниями молекул воды, адсорбированными в порах пленки. Поглощения в области 1300¸1600 см^-1 вызвано изгибными колебаниями молекул Н₂О, а также гидроксильных групп ОН^¾, связанных с ионами иттрия. Расшифровка наблюдаемых линий поглощения, предложенная авторами [5], носит предположительный характер и требует специального исследования.

В работе проведены исследования показателя преломления n и показателя поглощения k легированных пленок фторида иттрия (YF₃). Для расчёта оптических констант использовалась оригинальная методика, базирующаяся на исследовании спектров пропускания, отражения и поглощения. Показано, что в диапазоне 2-8 мкм коэффициент преломления пленок фторида иттрия плавно меняется от 1.42 до 1.34. Поглощение в пленках имеет максимумы на длинах волн 3 и 6.2 мкм. Коэффициент поглощения не превышает 0,004, что позволяет использовать эти пленки для получения оптических покрытий с малым поглощением.

Список литературы

1. Р. Якобсон Неоднородные и совместно напыленные однородные пленки для оптических применений. // Физика тонких пленок. М.: Мир, 1978. – Т.8. – С. 61-105.

2. М.А. Валидови, В.А. Иванов, М.Х. Ахмадеев //Авт. Свид. №268622 Бюл. Изобр. 1970, №14.

3. А.Ф. Голота, Л.В. Лиманская, Т.М. Подколзин, З.К. Хубиева Влияние легирующих добавок на структуру кристаллических вакуумных конденсатов. // Сборник тезисов докладов \/II Всесоюзного совещания “Кристаллические материалы”. Л., 1986. – С.359-362.

4. Е.Н. Котликов, Н.П. Лавровская, Н.П. Литвинова, В.Ф. Орлов, Е.В. Хонинева Исследование оптических свойств плёнок фторидов // Научная сессия ГУАП СПб ГУАП. 2009. -Т1- С. 120-122

5. Lehmann W., Heerdegen W., Schirmer G., Mutschke H., Richter W., Hacker E., Dohle R. Structure correlated infrared properties of fluoride films. // Phys. stat. sol. 1990. – V.119. –P.683-688.

Е.Н. Котликов ____________________

Дата добавления: 2015-07-11