Поддержка по электронной почте
nyjmgd@foxmaid.comПозвоните в службу поддержки
+86-15538793950
Когда говорят про материалы оптических покрытий, многие сразу представляют себе таблицы с диэлектрическими постоянными и формулы. Но на практике всё упирается не столько в идеальные цифры из учебника, сколько в то, как конкретная партия оксида тантала ведёт себя в вакуумной камере при 85 градусах Цельсия после трёх циклов очистки мишени. Вот об этих нюансах, которые в отчётах не пишут, но которые решают, будет ли просветление держать допуск или пойдёт радужными пятнами, и хочется порассуждать.
Возьмём, казалось бы, простейшее однослойное просветляющее покрытие для видимого диапазона на основе MgF2. В спецификациях всё гладко: n=1.38, адгезия отличная, стойкость к влаге — мил-с-48497. А теперь попробуйте нанести его на крон с высоким содержанием свинца. Или на боросиликатную подложку после полировки определённой суспензией. Вот тут и начинается самое интересное. Коэффициент преломления начинает ?плавать? в зависимости от скорости осаждения и даже от того, насколько тщательно откачали камеру перед процессом. Иногда разница в n в 0.02 — это уже брак по отражению.
У нас на производстве, на площадке ООО Наньянская Цзинмин Оптоэлектроникс Технолоджи, с этим столкнулись при работе над партией призм для измерительных приборов. Заказчик требовал R<0.5% на 550 нм. По расчётам всё сходилось, а на выходе — 0.8%. Стали разбираться. Оказалось, поставщик сменил метод синтеза исходного фторида магния, и плотность напыляемого слоя изменилась, хотя химическая чистота была даже выше. Пришлось заново калибровать процесс, подбирать температуру подложки. Это типичный пример, когда материал формально тот же, а поведение — уже другое.
Поэтому сейчас мы для ответственных проектов всегда запрашиваем у поставщиков не только паспорт чистоты, но и данные по морфологии порошка или гранул, если речь о электронно-лучевом испарении. Или, например, для оксидов кремния и алюминия критична степень окисленности. Недоокисленный материал в процессе может давать поглощение, особенно в УФ-области. А это для многих лазерных применений — фатально.
В учебниках чёткое разделение: диэлектрики для просветления и интерференционных фильтров, металлы (алюминий, золото, серебро) — для зеркал. В реальности же границы размыты. Да, для высокоотражающего зеркала в ИК-диапазоне часто выбирают золото. Но если нужно зеркало с минимальным поглощением для высокомощного лазера, чистый металл может не подойти. Приходится делать комбинированные системы: тонкий слой металла плюс поверх диэлектрическое защитное покрытие. И вот здесь адгезия диэлектрика к металлу — отдельная головная боль. С золотом, к примеру, многие оксиды плохо ?дружат?. Приходится использовать промежуточные подслои, часто — методом проб и ошибок.
Один из наших неудачных опытов был связан как раз с зеркалом для СО2-лазера. Решили сделать защитное покрытие из оксида кремния поверх алюминия для повышения стойкости к абразивам. Тесты на адгезию скотчем проходили на ура. Но после термоциклирования от -40 до +70 появились микротрещины и отслоения по краям. Алюминий и SiO2 имеют слишком разные коэффициенты термического расширения. В итоге перешли на многослойную диэлектрическую зеркальную структуру без металла. Дороже, сложнее в расчёте и нанесении, но надёжно. Это решение, кстати, теперь часто применяем в проектах, где важна стабильность в широком температурном диапазоне.
Ещё один момент по металлам — это чистота испарителя. Для напыления алюминия часто используют вольфрамовые испарители-лодочки. Если лодочка не новая, в алюминий могут попасть примеси вольфрама, что резко увеличивает поглощение в синей области спектра. Поэтому для зеркал видимого диапазона мы перешли на испарение электронным лучом из водоохлаждаемых тиглей — меньше загрязнений.
Самая большая иллюзия — что если у тебя хорошая вакуумная установка и чистые мишени, то покрытие будет идеальным. Реальность жёстче. Допустим, вы напыляете многослойник типа чередующихся слоёв TiO2 и SiO2 для дихроичного фильтра. Контролируете толщину кварцевыми сенсорами в реальном времени. Всё ровно. Но фильтр после нанесения не выходит на заданные спектральные характеристики. Почему? Одна из возможных причин — взаимная диффузия материалов на границах слоёв. Особенно если процесс идёт при повышенной температуре для увеличения плотности покрытия. Граница между слоями оказывается не резкой, а размытой на несколько нанометров. А для интерференционного фильтра с десятками слоёв это критично.
С такой проблемой мы боролись, разрабатывая узкополосный фильтр 1550 нм для телекоммуникаций. Рассчитанная структура не давала нужной остроты полосы пропускания. Помогло неочевидное решение — введение очень тонких (2-3 нм) барьерных слоёв из инертного материала, например, Al2O3, между основными слоями высокого и низкого показателя преломления. Это замедлило диффузию. Но, конечно, усложнило и удорожило процесс. Зато фильтр пошёл в серию.
Другая частая проблема — внутренние напряжения в толстых многослойных покрытиях. Они могут приводить к короблению тонких подложек или даже к отслоению всего слоя. Бывает, покрытие прошло все тесты сразу после нанесения, а через месяц хранения на складе покрылось сеткой трещин. Поэтому для ответственных деталей мы обязательно проводим тесты на старение — и термоциклирование, и просто длительную выдержку в нормальных условиях. Иногда помогает отжиг готового покрытия, но не все материалы и подложки его допускают.
Работая здесь, в Наньяне, в компании ООО Наньянская Цзинмин Оптоэлектроникс Технолоджи, нельзя не учитывать логистику и доступность сырья. Заказывать каждую партию высокоочищенных оксидов из Европы или Японии — значит, убивать себестоимость и сроки. Поэтому часть материалов мы перешли на локализацию. Но это не просто ?найти местного поставщика?. Это долгая работа по валидации.
Например, для TiO2 мы тестировали три разных отечественных источника. Один давал прекрасные оптические показатели, но в процессе напыления камера быстро загрязнялась — материал был слишком пыльным. Другой — стабильно напылялся, но в УФ-области показывал повышенное поглощение из-за примесей. Третий, в итоге выбранный, потребовал от нас модификации процесса подогрева подложки, чтобы добиться нужной аморфной/кристаллической структуры слоя. Теперь этот материал идёт в серию для многих наших просветляющих покрытий. Подробнее о нашем подходе к материалам можно узнать на https://www.nyjmgd.ru.
Географическое положение, упомянутое в описании компании — исток проекта ?Юг-Север? — это не просто красивые слова. Это на практике означает определённый, довольно стабильный уровень влажности и чистоты воздуха, что для предварительной очистки подложек и хранения материалов немаловажно. У нас меньше проблем с конденсацией на деталях перед загрузкой в вакуумную камеру, чем, допустим, у коллег в приморских регионах.
Культурное наследие и стремление к точности, о которых говорится в миссии компании, — это, если угодно, про философию контроля. Мы не можем позволить себе ?и так сойдёт? в прецизионной оптике. Каждая партия материалов оптических покрытий проходит входящий контроль не только по документам, но и по пробному напылению на контрольные образцы. Замеряем спектры, смотрим на адгезию, тестируем на абразивостойкость. Только после этого материал допускается к работе над заказом клиента.
Куда всё движется? Сейчас запросы смещаются в сторону более широких рабочих диапазонов и более жёстких условий эксплуатации. Нужны покрытия, которые одинаково хорошо работают от УФ до ИК, или выдерживают мегаваттные мощности непрерывного лазерного излучения, или стойкие к абразивной пыли в космосе. Это требует новых материалов и их комбинаций.
Интересно, например, направление гибридных покрытий, где сочетаются слои, нанесённые разными методами — скажем, ионно-лучевым напылением и магнетронным распылением. Это позволяет лучше контролировать структуру слоя на микроуровне. Мы сами экспериментируем с этим для повышения лазерного порога повреждения. Пока что процесс капризный, но результаты обнадёживают.
Ещё один вызов — экологичность. Некоторые традиционные материалы, вроде оксидов тяжёлых металлов, попадают под всё более строгое регулирование. Приходится искать альтернативы, которые не уступали бы по оптическим свойствам. Это большая исследовательская работа, которая часто ведётся в тесном контакте с институтами и поставщиками сырья.
В конечном счёте, работа с материалами оптических покрытий — это постоянный баланс между теорией, технологическими возможностями и экономической целесообразностью. Не бывает идеального материала на все случаи жизни. Есть правильный выбор для конкретной задачи, основанный на опыте, иногда горьком, и на готовности кропотливо проверять каждую переменную в процессе. И именно этот практический опыт, наработанный, в том числе, на площадке в Наньяне, позволяет нам предлагать клиентам решения, которые работают не только на бумаге, но и в реальных устройствах, в самых разных условиях — от лабораторного стола до открытого космоса.
