Разработка программного комплекса для расчета оптических констант покрытий



Рассмотрены сферы применения оптических покрытий и разработана методика расчета интерференционных покрытий, реализованная в программном комплексе.

Ключевые слова: оптическое покрытие, коэффициент преломления, коэффициент поглощения, просветляющее покрытие.

Оптические покрытия нашли широкое применение в приборостроении, электронике, спектроскопии, голографии, авиации и в окружающей нас повседневности — компьютерной технике. Интерференционные покрытия, нанесенные на преломляющие и отражающие грани оптических элементов позволяют формировать требуемые, разнообразные спектральные характеристики, которые могут быть получены благодаря уникальным свойствам тонкопленочных систем.Такие покрытия находят применение в различных видах фильтров, хроматической коррекции, для поляризации излучения (интерференционные поляризаторы), функциональной и компьютерной оптике, рентгеновских зеркалах и других оптических элементах [1–16].

Интерференционные просветляющие покрытия

Прежде всего просветление поверхностей элементов оптических систем осуществляют для двух целей: 1) для увеличения пропускной способности оптического элемента, т. е. уменьшаются потери интенсивности падающего излучения на отражение. Это актуально при разработке различных фотоприемных устройств, в частности солнечных элементов; 2) для создания антибликовых покрытий за счет их просветления, это используется при разработке устройств отображения информации: мониторов, кинескопов, а также входных оптических систем фото-, видеоаппаратуры и оптоэлектронных устройств, включая интегральные.

В последнее время возросла актуальность использования процессов напыления, использующих ионную поддержку в сочетании с ионной чисткой поверхности напыляемых материалов, что позволяет улучшить морфологию поверхности плёночных покрытий и их структуру. Это приводит к снижению поглощения в плёнках и повышает лучевую прочность [1].

Коэффициент отражения при нормальном падении называется отражательной способностью [10]:

Отношение прошедшей энергии к падающей называется коэффициентом пропускания:

На рис. 1 приведены зависимости вычисленного по формуле Френеля коэффициента отражения R на границе раздела сред воздух−вещество и коэффициента пропускания Т плоскопараллельной пластинки из того же вещества от показателя преломления вещества n [17]. Рисунок отражает величину потерь на отражение оптических систем из различных материалов, которые могут быть гораздо выше в реальных случаях, т. е. для более чем одной пластины из разных веществ.

Рис. 1. Зависимости пропускания T пластины, вычисленного сложением интенсивностей, и отражения R одной поверхности от показателя преломления пластины n [17]

В настоящее время на производствах просветляющих покрытий возникает проблема контроля качества выпускаемой продукции, существующие системы контроля это в первую очередь дорогостоящее и импортное оборудование, что стимулирует разработку альтернативных программных методов, позволяющих производить контроль при минимальных затратах на оборудование и уменьшению зависимости от импортных технологий. Оценка качества сводится к определению коэффициенту преломления , поглощения и определению толщины пленки d.

Рис. 2. Параметры R, R’,T

Для расчета была использована модель, предложенная в работе [15]. В данной модели были представлены коэффициенты отражения и пропускания однослойных поглощающих пленок на прозрачных подложках для нормального угла падения выражающиеся следующим образом:

(1)

Где, — коэффициент преломления подложки; — коэффициент преломления среды; и — комплексный коэффициент пленки; — длинна волны (нм); d — толщина пленки (м); R и R’ — коэффициент отражения от пленки и со стороны подложки; T- коэффициент пропускания пленки.

Где , — параметры устанавливающие связи и зависимости между искомыми коэффициентами.

Выражение (1) представляет собой систему из 3-х нелиненых уравнений с тремя неизвестными. Для решения этой системы был использован модифицированный метод Ньютона — Рафсона, так как он наиболее универсальный и удобный для применения ЭВМ, сочетающий преимущества метода касательных и способа логарифмической линеаризации нелинейной части системы [19,20].

Используя в алгоритме решения вышеописанный метод — следует учитывать что устойчивость решения зависит от начального условия:

(2)

Где,

;

Метод, реализованный в моей программе решает эту проблему, сначала находится первое приближение искомых коэффициентов и только потом производится окончательное уточнение найденных приближений с использованием описанного выше метода Ньютона-Рафсона. Программа opticconst.exe, позволяет проводить расчет коэффициентов преломления, поглощения и толщины нанесенной пленки. В программе предусмотрен простой и функциональный интерфейс, позволяющий пользователю корректировать входные данные и находить устойчивые решения. Основное окно программы показано на рис.3.

Рис. 3. Основное окно программы

Рассмотрим основные элементы управления.

‒ «Ввод данных» — ввод параметров среды, подложки и т. д.

‒ «Запуск решения» — отображение спектральных значений пропускания, преломления и поглощения, а также диаметр покрытия.

Для расчета покрытия вводятся исходные данные:

— коэффициент преломления подложки;

— коэффициент преломления среды;

и — комплексный коэффициент пленки;

— длинна волны;

d — толщина пленки;

R и R’ — коэффициент отражения от пленки и со стороны подложки;

T- коэффициент пропускания пленки.

Рассчитав в opticconst.exe коэффициенты преломления и поглощения для покрытий толщиной 20 нм из Al и Ar,а так же покрытий толщиной 25 нм из Fe и Pd были построены графики зависимостей

Рис. 4. График зависимости n и k от для покрытия из Al, толщиной 20 нм

Рис. 5. График зависимости n и k от для покрытия из Ar, толщиной 20 нм

Рис. 6. График зависимости n и k от для покрытия из Pd, толщиной 25 нм

Рис. 7. График зависимости n и k от для покрытия из Fe, толщиной 25 нм

В заключении можно отметить, что программа справляется с поставленной перед ней задачей — это следует напрямую из сравнения полученных с её помощью результатов с реальными экспериментальными данными. Как дополнительная функция — это файл с порядком расчета и результатами по мере их уточнения, таким образом можно отслеживать правильность работы и контролировать влияние внесенных изменений в процесс решения (оптимизация). Среди минусов можно отметить что программа считает только однослойные покрытия — на практике же обычно используется от 2х слоев и точность расчета напрямую зависит от вычислительной мощности компьютера. Из этого следует что доработка кода программы для расчета n-слойного покрытия и увеличение вычислительной мощности значительно увеличивает её актуальность. Такую программу можно объединить с базой данных, включающей в себя оптические покрытия. В таком случае по оптическим характеристикам можно определить характеристики покрытия

Литература:

1. Гагарский С. В., Ермолаев В. С., Сергеев А. Н., Пузык М. В. Исследование лучевой прочности диэлектрических покрытий, нанесенных на оптическую поверхность. Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2012. Т. 55. № 7. С. 80–85.
2. Моисеев С. Г., Явтушенко М. С., Явтушенко И. О., Жуков А. В. Антиотражающее покрытие с металлическими наночастицами. Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Т. 15. № 4–3. С. 749–754.
3. Титомир А. К., Сушков В. Я., Духопельников Д. В. Способ нанесения проводящего прозрачного покрытия. патент на изобретение RUS 2112076
4. Духопельников Д. В., Ивахненко С. Г., Марахтанов М. К. Селективные покрытия солнечных коллекторов. Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2012. № S. С. 75–80.
5. Духопельников Д. В., Марахтанов М. К., Воробьев Е. В., Жуков А. В., Кириллов Д. В., Ивахненко С. Г. Ускорители с анодным слоем для ионно-лучевой наноразмерной обработки крупногабаритных оптических деталей / Материалы VI Международной научно-технической конференции «Вакуумная техника, материалы и технология». Москва, КВЦ «Сокольники», 13–15 апреля 2011. С. 189–192.
6. Духопельников Д. В., Ивахненко С. Г., Воробьев Е. В., Азербаев А. А. Влияние режима ионной обработки на плотность дефектов и разрушение поверхности астроситалла/Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2014. № 12. С. 181–191.
7. Марахтанов М. К., Духопельников Д. В., Мэй Сянь Сю. Дисперсионные характеристики наноразмерных металлических пленок в видимом дипазоне излучения/Нано- и микросистемная техника. 2008. № 1. С. 42–47.
8. Пазынин Л. А. Искадающие покрытия, как альтернатива максикующим покрытиям/ Физические основы приборостроения. 2013. Т. 2. № 1 (6). С. 72–77.
9. Губанова Л. А., Зверев В. А. Создание интерференционных покрытий с улучшенными механическими свойствами на основе смесовых пленок/ Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2012. Т. 55. № 4. С. 46–49.
10. Яковлев П. П., Мешков Б. Б. Проектирование интерференционных покрытий / Серия: Библиотека приборостроителя. — М.: Машиностроение, 1987–192 с.
11. Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. — М.: Радио и связь, 1989. — 359 с.
12. Крылова Т. Н. Интерференционные покрытия. — Л.: Машиностроение, 1973. — 224 с.
13. Риттер Э. Пленочные диэлектрические материалы для оптических применений / В кн.: Физика тонких пленок // Под ред. Г. Хасса, М. Франкомбра, Р. Гофмана. — т. 8. — М.: Мир, 1978. — С. 7–60.
14. Матвеев А. Н. Оптика. — М.: Высшая школа, 1985. — 351 с.
15. C. I. Nagendra, G.K. M. Thutupalli. Optical constants of absorbing films. Vacuum. V. 31. 1980. p. 141–145.
16. Многослойные интерференционные покрытия в квантовой электронике / Г. Я. Колодный, Е. А. Левчук, Ю. Д. Порядин, П. П. Яковлев // Электронная промышленность. — 1981. — N 5, 6. — С. 93–101.
17. Просветляющие покрытия в оптоэлектронике. Проектирование, материалы, особенности технологии: Лабораторная работа по курсу «Физико- химические основы технологии» / Сост. А. В. Ершов, А. И. Машин. — Н. Нов- город: ННГУ, 2007. — 28 с.
18. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том IV. Оптика. > Стр.433. М.,1980
19. Димитров В. И. Простая кинетика. Новосибирск Наука 1982г. 382с.(153)
20. Синкевич Г. И. История метода касательных // Математика и математическое моделирование: проблемы и перспективы. Международная научно-практическая конференция. Оренбург, 20–21 мая 2015 г.: сборник научных статей. — Оренбург: Издательство ОГПУ, 2015. — С.246–250.