Акустооптические спектрофотометры и их применение для контроля оптических покрытий

Оптические диэлектрические покрытия являются одними из важнейших элементов современных приборов квантовой электроники. Все более жесткие требования предъявляются к спектральным характеристикам покрытий. Соответственно возрастают требования к приборам, предназначенным для контроля этих характеристик. Так, в частности, для изготовления многослойных диэлектрических покрытий со сложными спектральными характеристиками необходимо иметь скоростной спектрофотометр, который позволил бы отслеживать эволюцию спектральной характеристики покрытия в реальном времени в процессе нанесения слоев.

Данная работа посвящена экспериментальному исследованию одного из широко используемых в современной квантовой электронике приборов — скоростного акустооптического спектрофотометра на коллинеарных акустооптических фильтрах, разработке и созданию специализированных моделей скоростных акустооптических спектрофотометров, предназначенных для контроля оптических, в том числе лазерных, покрытий, а также модернизации ранее созданного в ФГУП НИИ «ПОЛЮС» им. М. Ф. Стельмаха акустооптического спектрофотометра АОв-ЗЗ.

Основным элементом АОС является акустооптический фильтр (АОФ) [1−4]. Важнейшим достоинством акустооптических фильтров является их быстродействие. Время настройки АОФ на заданную длину волны света обычно составляет несколько десятков микросекунд, что позволяет создавать на основе акустооптических фильтров скоростные АОС [5].

Принцип действия АОФ, подробно описанный в [6−9], состоит в следующем.

Конструктивно АОФ как правило представляет собой звукопровод, помещенный между двумя скрещенными поляризаторами. Звукопровод изготавливается из оптического, оптически анизотропного материала, обладающего выраженным эффектом фотоупругости.

Материал звукопровода (как правило, монокристалл) ориентируют так, чтобы вышедший из входного поляризатора и вошедший в звукопровод линейно поляризованный свет при распространении по звукопроводу не менял бы своей поляризации. Таким образом, выходящий из звукопровода свет блокируется выходным поляризатором и, следовательно, свет через АОФ, находящийся в пассивном состоянии, не проходит.

Однако, если по звукопроводу распространяется акустическая (звуковая) волна, то в нем, за счет фотоупругого эффекта возникает волна модуляции тензора диэлектрической проницаемости, т. е. создается своеобразная фазовая дифракционная решетка. В этом случае для некоторой из длин волн падающего светового пучка может выполняться условие анизотропной дифракции Брэгга на указанной дифракционной решетке. Результатом этой дифракции является возникновение светового пучка практически с той же длиной волны и ортогональной поляризацией, т. е. монохроматического пучка пропускаемого выходным поляризатором АОФ. Явление дифракции светового пучка на акустической волне называют также акустооптическим взаимодействием.

Длина волны настройки АОФ, т. е. та длина волны, для которой выполняется условие Брэгга, и которая, следовательно, пропускается АОФ, зависит от параметров материала и геометрии звукопровода, а также от частоты звука. Звуковая волна создается обычно с помощью приваренного к звукопроводу пьезопреобразователя, на который подается высокочастотный (ВЧ) электрический сигнал. Таким образом, при падении на АОФ светового потока со сплошным спектром из фильтра выходит монохроматическое излучение с длиной волны, определяемой частотой подаваемого на пьезопреобразователь электрического ВЧ сигнала.

Известны различные геометрические схемы акустооптического взаимодействия. Мы ограничились рассмотрением АОФ с коллинеарным акустооптическим взаимодействием. При коллинеарном взаимодействии оба световых луча и звуковой луч распространяются в звукопроводе акустооптического фильтра вдоль одного и того же направления. Такая геометрия приводит к большой длине акустооптического взаимодействия и, как следствие, высокому спектральному разрешению и большой эффективности преобразования.

Мы также ограничились рассмотрением только коллинеарных АОФ, звукопроводы которых изготавливаются из одноосных кристаллов либо кварца (БЮг) [10,11], либо молибдата кальция.

СаМо04) [12−16]. Для используемых нами АОФ при работе в ближайшем ИК и видимом спектральных диапазонах частоты управляющих ВЧ сигналов находятся в диапазоне 10. 100 МГц. Для краткости в дальнейшем вместо выражения: «АОФ со звукопроводом, изготовленным из кристалла кварца (или молибдата кальция)», будем писать: «АОФ из кварца (или молибдата кальция)» .

Скоростные спектрофотометры находят применение при решении задач в различных отраслях науки и техники. Одной из таких практических задач, которой в работе посвящено основное внимание, является контроль толщины слоев тонкопленочных оптических покрытий во время их напыления в вакуумных установках. Для достижения заданной спектральной характеристики покрытия, как правило, необходимо контролировать оптическую толщину слоя с абсолютной погрешностью не превышающей 1% [17].

Традиционно, фотометрический контроль оптической толщины слоя ведется на одной длине волны света (контрольной) [18]. Оптическая толщина слоя при таком контроле должна быть кратна четверти контрольной длины волны. Момент достижения заданной (четвертьволновой) оптической толщины определяется по достижению экстремума фотометрического сигнала. Однако, этот метод обладает рядом недостатков, ведущих к недостаточной точности контроля толщины слоев [19].

Более совершенным представляется метод контроля спектральной характеристики покрытия в процессе его нанесения [19.

21]. Для реализации этого метода в большинстве случаев подходит скоростной спектрофотометр со следующими параметрами: рабочий диапазон длин волн 400. 1100 нм, т.к. значительная часть оптических покрытий предназначена для работы в видимом и ближнем ИК диапазонах спектраполуширина аппаратной функции не более 1 нм в видимом и 2 нм в ИК диапазонах. Указанная величина полуширины аппаратной функции может оказаться недостаточной только для контроля напыления «экзотических» покрытий, таких как сверхузкополосные интерференционные фильтрывремя, затрачиваемое на снятие одного спектра, не более 1 с. Это время определяется тем, что время нанесения одного слоя обычно не менее 100 с, а желательная точность контроля толщины составляет 1%- количество точек в спектре не менее 25, что чаще всего достаточно для определения формы интересующего участка спектра покрытия.

Для рассматриваемого нами класса АОС такая совокупность параметров достижима.

Однако, эти спектрофотометры обладают и некоторыми недостатками. Одним из них является чувствительность положения длины волны настройки АОФ к изменениям температуры звукопровода. В диссертации подробно изучено влияние температурных изменений на работу АОС и предложены способы уменьшения негативных последствий этих изменений.

В работе также рассмотрена возможность контроля нанесения покрытий путем регистраций спектров отражения и пропускания быстродвижущихся деталей. Такого рода задача, как правило, возникает при нанесении покрытий на крупногабаритные детали. В работе описан предложенный и реализованный на практике метод контроля с использованием АОС.

Кроме того, нами проанализирована возможность, целесообразность и эффективность использования АОС в качестве универсальных настольных спектрофотометров. В частности описаны модели настольных АОС, созданных с использованием предложенных нами технических решений и предназначенных для контроля спектральных характеристик изготовленных оптических покрытий.

Актуальность темы

.

АОС обладают рядом достоинств, таких как: скоростное сканирование в широком спектральном диапазонемалоинерционная перестройка с одной длины волны на другую с произвольной выборкой спектральных точеквысокая светосилабольшой динамический диапазонполностью электронное управление. Благодаря своим достоинствам, акустооптические спектрофотометры нашли применение не только в научных исследованиях, но и на производстве, например, в качестве систем оптического контроля в вакуумных напылительных установках.

Следует отметить, что к началу выполнения данной работы не существовало достаточно совершенных спектрофотометров для контроля толщины тонкопленочных покрытий во время их напыления.

К тому же практически отсутствовали недорогие модели лабораторных спектрофотометров, предназначенных для оперативного контроля спектральных характеристик оптических покрытий.

В последнее время наблюдается развитие технологии вакуумного магнетронного напыления оптических покрытий на крупногабаритные детали: архитектурные стекла, экраны мониторов, заготовки для автомобильных антибликовых зеркал и т. п. Для таких покрытий одним из важнейших требований является высокая воспроизводимость спектральных характеристик в широком диапазоне, например, во всей видимой области спектра. В связи с этим становится актуальной задача контроля спектральных характеристик движущихся крупногабаритных деталей во время нанесения на них тонкопленочных покрытий.

Из вышесказанного следует актуальность разработки акустооптических спектрофотометров и их применения, как для контроля толщины слоев покрытий во время их напыления в вакуумных установках, так и для исследования, контроля, аттестации и паспортизации готовой продукции.

Особо отметим важность и актуальность разработки и эффективного использования АОС в квантовой электронике для изготовления сложных и прецизионных лазерных просветляющих и отражающих покрытий.

Цель работы.

Целью данной диссертационной работы явилось проведение исследований, направленных на: создание ряда специализированных скоростных акустооптических спектрофотометров, а именно: настольного спектрофотометра для контроля коэффициентов пропускания и отражения крупногабаритных оптических деталей, настольного спектрофотометра для контроля спектральных характеристик оптических покрытий в квантовой электроникена деталях лазерной техники, АОС для мониторинга процесса нанесения покрытий по спектрам отражения или пропускания вращающихся деталеймодернизацию ранее созданного в НИИ «ПОЛЮС» акустооптического спектрофотометра АОв-ЗБ, который широко применяется в качестве технологического спектрофотометра при изготовлении изделий квантовой электроникивыявление и снижение негативных последствий влияния изменений температуры на работу АОС.

Научная новизна Впервые, с целью повышения эффективности и прецизионности одного из перспективных приборов квантовой электроники — скоростного акустооптического спектрофотометрапроведен комплекс специальных экспериментальных исследований и предложен ряд оригинальных методов и схем, а именно: впервые измерены величины относительного температурного смещения длины волны настройки акустооптических фильтров со звукопроводами из молибдата кальция и кварца и получены спектральные зависимости этих величин в диапазоне 720−1175 нмпредложен и реализован оригинальный способ определения температурных зависимостей скорости звука и разности показателей преломления в акустооптических двулучепреломляющих материалах. Измерены температурные зависимости скорости звука и разности показателей преломления в кристалле молибдата кальцияпредложен и реализован способ компенсации влияния температурных изменений на точность установки длины волны акустооптического спектрофотометрапредложена схема акустооптического спектрофотометра, включающая в себя узел с вращающейся призмой. На основании предложенной схемы разработана система оптического контроля, позволяющая вести мониторинг процесса нанесения покрытий по спектрам отражения или пропускания вращающихся деталей.

Практическая ценность Полученные в диссертационной работе результаты реализованы в разработанных и выпускаемых в НИИ «Полюс» акустооптических спектрофотометрах.

1. Замена акустооптического фильтра со звукопроводом из молибдата кальция на фильтр со звукопроводом из кварца в выпускаемом в НИИ «Полюс» технологическом акустооптическом спектрофотометре АОЭ-ЗЗ позволила увеличить долговременную стабильность фотометрического сигнала более чем в три раза.

2. Создан настольный одноканальный спектрофотометр АОБ-ЗЭО, предназначенный для контроля спектральных характеристик оптических покрытий на крупногабаритных деталях.

3. Создан специализированный настольный спектрофотометр АОБ-ЗЗЦ предназначенный для контроля спектральных характеристик оптических элементов квантовой электроники и оптических приборов. В опорном канале спектрофотометра помещен репер длин волн, позволяющий компенсировать температурное смещение длины волны настройки АОФ и обеспечить установку длины волны с абсолютной погрешностью ±0,05 нм и стабильностью ±0,013 нм, что меньше полуширины аппаратной функции прибора.

4. Предложенная в работе система оптического контроля на основе акустооптического спектрофотометра с узлом вращающейся призмы была реализована в установке для нанесения покрытий на защитные экраны для мониторов компьютеров.

5. Предложенный и продемонстрированный на примере молибдата кальция метод измерения температурных зависимостей скорости звука и двулучепреломления может быть использован для определения этих параметров для других акустооптических двулучепреломляющих материалов.

Апробация работы Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на постоянно действующем научно-техническом семинаре «Электровакуумная техника и технология» (1997, 1998, 2000, 2001 г. г.), научно-технических семинарах отдела 650 ФГУП НИИ.

Полюс" им. М. Ф. Стельмаха (1995;2002 г. г.) и на XIV научной конференции МФТИ (секция квантовой электроники).

Работа «Температурные эффекты в акустооптических спектрофотометрах» была удостоена Первого места в конкурсе на звание «Лучший молодой специалист предприятия» 2001 года, ежегодно проводимом во ФГУП НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха.

Защищаемые положения На защиту выносятся следующие положения:

1. Исследованные в работе акустооптические спектрофотометры могут найти широкое применение в квантовой электронике, оптическом и оптико-электронном приборостроении для контроля процесса нанесения оптических и лазерных диэлектрических покрытий, контроля спектральных характеристик готовых изделий квантовой электроники, создания систем спектрофотометрического контроля в реальном масштабе времени, в том числе по спектрам отражения и пропускания движущихся и вращающихся деталей.

2. Для коллинеарных акустооптических фильтров из молибдата кальция изменение скорости звука при изменении температуры примерно в 4,5 раза больше влияет на смещение длины волны настройки АОФ, чем изменение величины двулучепреломления кристалла: температурный коэффициент скорости звука /?=-(5,6 ± 3,3)х10″ 6 К" 1, а температурный коэффициент двулучепреломления у = - (1,2 ± 0.7)*10 «5 К» 1.

3. Компенсация температурной зависимости длины волны настройки акустооптического спектрофотометра может быть реализована путем введения автоматически вычисляемой поправки в зависимость длины волны настройки от частоты управляющего высокочастотного сигнала. Для определения величины поправки в качестве репера длины волны можно использовать линии поглощения неодима в кристалле алюмоиттриевого граната, размещаемого в специальном оптическом канале акустооптического спектрофотометра. Создание спектрофотометров с репером длин волн в опорном канале позволяет компенсировать температурное смещение длины волны настройки АОФ и обеспечить установку длины волны с точностью ±0,05 нм и стабильностью ±0,013 нм.

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Виленский A.B., Лысой Б. Г., Чередниченко О. Б. Температурные зависимости скорости звука и двулучепреломления кристаллов молибдата кальция — Лазерные новости, 2001, 1−2, 50−53.

2. Виленский A.B., Лысой Б. Г., Чередниченко О. Б. Компенсация температурного дрейфа длины волны настройки акустооптического спектрофотометра — Квантовая электроника, 2002, 32, № 3, 232−234.

3. Виленский A.B., Лысой Б. Г., Чередниченко О. Б. Система оптического контроля для вакуумных установок барабанного типа -" Труды семинара «Электровакуумная техника и технология» (за 1997/1998 гг.)", Москва, 1999, с. 119.

4. Виленский A.B., Лысой Б. Г. Метод определения температурных зависимостей скорости звука и двулучепреломления в одноосных акустооптических кристаллах — XLV научная конференция МФТИ, Труды конференции, 4. V, Москва-Долгопрудный, 2002, 70−71. 5. Acousto-Optic Spectrophotometers Have 10s Dynamic RangeEurophotonics, 2001, April/May, 56.

Структура диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав, основных результатов и выводов, списка использованной в работе литературы и приложений. Основной материал изложен на 91 стр. текста, проиллюстрирован 34 стр. с рисунками и дополнен списком литературы из 43 наименований.

Основные результаты и выводы.

1)На основе проведенных исследований были созданы акустооптические спектрофотометры, которые применяются как в системах оптического контроля процессов нанесения оптических покрытий в вакуумных камерах в реальном масштабе времени, так и в качестве настольных спектрофотометров для контроля спектров пропускания и отражения и готовых оптических деталей, что особенно актуально при изготовлении оптических элементов квантовой электроники и оптико-электронного приборостроения.

Разработанные при нашем непосредственном участии и выпускаемые акустооптические спектрофотометры [23] нашли применение на промышленных предприятиях и в исследовательских лабораториях, как в нашей стране, так и за рубежом.

2) Спектральную зависимость величины относительного температурного смещения длины волны настройки акустооптического спектрофотометра в первом приближении можно описать следующей эмпирической формулой (Л) = а*Х +Ь, где для кварца, а = 0 и Ь = 2,9><10″ 5 К" 1, а для молибдата кальция, а = 7*10″ 8 (нм*К)" 1 и Ь = 2,13×10″ 5 К" 1. Погрешность определения? по этим коэффициентам и формуле не превышает ±3×10″ 7 К" 1.

Величина относительного температурного смещения длины волны настройки АОФ из кварца примерно в 3 раза меньше, чем в акустооптических фильтрах из молибдата кальция.

Следовательно, в спектрофотометрах, в конструкции которых не предусмотрена компенсация температурного дрейфа длины волны настройки, во всем рабочем спектральном диапазоне целесообразней использовать кварцевые фильтры, т.к. суммарная погрешность спектрофотометра на кварцевых фильтрах может быть в несколько раз ниже фотометрической погрешности, вносимой саморазогревом звукопровода АОФ из молибдата кальция в процессе работы спектрофотометра.

3) Относительное температурное смещение линии поглощения неодима в алюмоиттриевом гранате на длине волны 795,5 нм вблизи комнатной температуры составляет %Аиг~ -(2,7±-0,1)х10″ 6 К" 1, что на порядок меньше, чем относительное температурное смещение длины волны настройки для кварцевых АОФ и почти в 30 раз меньше, чем для АОФ из молибдата кальция.

4) Создание спектрофотометров с репером длин волн в опорном канале позволяет компенсировать температурное смещение длины волны настройки АОФ и обеспечить установку длины волны с точностью ±0,05 нм и стабильностью ±0,013 нм.

Таким образом, для снижения влияния изменений температуры на точность настройки длины волны в настольных акустооптических спектрофотометрах целесообразно использовать схему с опорным каналом. В качестве репера длин волн в опорном канале удобно использовать кристалл алюмоиттриевого граната с ионами неодима, имеющими ряд узких линий поглощения с относительно стабильным спектральным положением.

В спектрофотометрах с компенсацией температурного дрейфа длины волны настройки в спектральном поддиапазоне 720- 1175 нм предпочтительно использовать акустооптические фильтры из молибдата кальция, которые позволяют получить большую фотометрическую точность за счет увеличения отношения сигнал/шум благодаря большей эффективности преобразования и лучшему контрасту.

5) Экспериментально получены температурные коэффициенты для скорости звука /?=-(5,6 ± 3,3)*10~5 К" 1 и двулучепреломления у— (1,2 ± 0.7)*10 «5 К» 1 в кристаллах молибдата кальция.

Следовательно, для акустооптических фильтров из молибдата кальция изменение скорости звука при изменении температуры примерно в 4,5 раза больше влияет на смещение длины волны настройки АОФ, чем изменение величины двулучепреломления кристалла.

6) Предложенный акустооптический метод позволяет с высокой точностью (до 0,5 м/с) определять скорость звука в акустооптических кристаллах.

При необходимости, этот метод можно использовать для уточнения величины скорости звука.

7) Акустооптические спектрофотометры с оптомеханическим узлом вращающейся призмы позволяют в процессе вакуумного напыления тонкопленочных оптических покрытий контролировать толщину слоев непосредственно по спектрам отражения и пропускания вращающихся деталей.

Системами спектрофотометрического контроля на основе скоростных акустооптических спектрофотометров могут оснащаться вакуумные напылительные установки, в которых невозможно вести контроль по неподвижно закрепленному образцу — «свидетелю» .