Металлические покрытия

Скачать статью "Оптические покрытия" (PDF, 4135 KB)

Металлические зеркала применяют, когда необходимо высокое отражение в широком спектральном диапазоне. Коэффициент отражения металлических зеркал, в отличие от диэлектрических, мало меняется с изменением поляризации или угла падения света. Основными недостатками металлических зеркал, в сравнении с диэлектрическими, являются несколько меньший коэффициент отражения на заданных длинах волн и существенно меньшая лучевая стойкость.

1. Алюминиевые зеркала
Алюминиевые зеркала остаются наиболее часто используемыми металлическими зеркалами благодаря тому, что обладают неплохим отражением от УФ до дальнего ИК и ТГц диапазона, низкой стоимостью и высокой стойкостью ко внешним воздействиям. При контакте с воздухом алюминий формирует слой оксида Al₂O₃ толщиной несколько нанометров. Слой оптически прозрачен, очень плотен и химически стабилен. Этот слой обеспечивает высочайшую химическую стойкость плёнки алюминия, но не может защитить её от механических воздействий. Если таких воздействий на зеркало не ожидается, можно использовать слой алюминия без защиты. Такие зеркала востребованы, например, внутри научных приборов, когда защитный слой может быть источником нежелательных интерференций или поглощения.

Рис. 1. Спектр отражения плёнки алюминия без защиты.

Но в большинстве случаев требуется дополнительная защита отражающего слоя.

1.1. Алюминий с защитой
1.1.1. Чаще всего используют алюминиевые зеркала с защитным слоем SiO₂ или SiO. Такой слой механически достаточно прочен для большинства применений, но несколько снижает отражение в УФ. Также он обладает некоторым поглощением на 3 мкм (вода) и на 9-11 мкм (Si-O связь).

Рис. 1.1. Спектр отражения плёнки алюминия с защитой (SiO₂).

1.1.2. Поскольку SiO₂, а в ещё большей степени SiO, обладают высоким поглощением на длинах волн короче 250 нм, такие зеркала плохо отражают глубокий УФ. Для зеркал, работающих в диапазоне 200-250 нм, предпочтительнее в качестве защиты использовать слой MgF₂. Он позволяет уменьшить потери на поглощение в защите, но его механическая прочность ниже. Другим важным фактором потерь в ГУФ является рассеяние; для его уменьшения алюминий следует напылять специальным образом.

1.2. Усиленный алюминий
Вместо однослойной защиты можно поверх алюминиевой плёнки напылить многослойную структуру, которая несколько повысит отражение в видимом или ближнем ИК диапазоне. При этом вне диапазона «усиления» отражение будет ниже, чем у обычного алюминия. Лучевая стойкость также останется на уровне «обычного» алюминия.

Рис. 1.2.А. Спектр отражения "усиленного алюминия".




Рис. 1.2.В. Сравнительный спектр отражения плёнок усиленного алюминия, стандартного алюминия и алюминия без защиты.

1.3. Металл-диэлектрические зеркала
Увеличивая количество диэлектрических слоёв поверх плёнки алюминия, можно достичь отражения выше 99% в требуемом спектральном регионе. По сути дела, поверх алюминиевой плёнки создаётся полноценное диэлектрическое зеркало. Достоинством такой конструкции по сравнению с классическим диэлектрическим зеркалом является высокое отражение во всём спектральном диапазоне и меньшая чувствительность конструкции к изменению угла падения и поляризации света. Но лучевая стойкость данных конструкций остаётся низкой, не позволяя применять их в силовой оптике.

Рис. 1.3. Спектр отражения металл-диэлектрического зеркала.

2. Серебряные зеркала
Серебряные зеркала отличаются от алюминиевых более высоким отражением в видимом и ИК-диапазонах, но заметно хуже отражают УФ. В отличие от Al₂O₃, оксид серебра не образует прочную и устойчивую плёнку на поверхности серебра, и не может обеспечить ни механическую, ни химическую защиту металла. Поэтому применение серебряных зеркал без защитного слоя практически невозможно даже тогда, когда зеркало защищено от механических воздействий.

2.1. Серебро с защитой
Защита слоя серебра диэлектрической плёнкой делает структуру механически и химически стойкой.

Рис. 2.1. Спектр отражения плёнки серебра с защитой.

2.2. «Запаянное» серебро
Малейшие поры в защитной плёнке позволяют серебру химически взаимодействовать с воздухом, кислотными газами и водой. При тяжелых нагрузках со стороны окружающей среды, таких, как высокая температура и влажность, высокая промышленная загрязненность воздуха, срок жизни серебряных зеркал может существенно сокращаться. Нанесение дополнительного защитного слоя в специальном дополнительном процессе позволяет «запечатать» поры в защитной плёнке и на краях детали и заметно продлить срок службы изделия. Это может быть особенно важно для оборудования, находящегося в труднодоступных местах. Оптически данное покрытие практически неотличимо от «обычного» серебра с защитой.

3. Золотые зеркала

Золотые зеркала чаще всего применяют в ИК-диапазоне. Для света с длинами волн короче 600 нм отражение от золота весьма низкое. Золото химически нейтрально, поэтому даже без защитного слоя оно практически не взаимодействует с атмосферными газами и водой. Это позволяет использовать золото без защиты в научных инструментах, когда интерференция или линии поглощения в защитных слоях могут быть нежелательны. Но следует помнить, что слой золота крайне мягкий и легко может быть поврежден механически. Для большинства применений золото следует перекрывать оксидной защитной структурой.

3.1. Золото без защиты

Рис. 3.1. Спектр отражения золота без защиты.

3.2. Золото с защитой

Рис. 3.2. Спектр отражения золота с защитой.

3.3. Золотые зеркала для CO₂-лазеров
Обычный защитный слой на золотом зеркале имеет некоторое поглощение на 10.6 мкм, что снижает лучевую стойкость изделия. Специальная конструкция защиты позволяет снизить поглощение и тем самым несколько повысить порог повреждения и коэффициент отражения. Но следует иметь в виду, что при работе с СО₂-лазером в (квази)непрерывном режиме лучевая стойкость будет определяться в первую очередь теплопроводностью подложки и прочими факторами.

Рис. 3.3. Спектр отражения золотых зеркал для CO₂-лазеров.

3.4. ТГц зеркала
Проникающая способность электромагнитного излучения в проводник пропорциональна длине волны. Поэтому для обеспечения высокого отражения в ТГц-диапазоне требуется более толстая металлическая плёнка, чем для работы в видимом и ближнем-среднем ИК-диапазоне. Исследования подтверждают, что некоторые "стандартные" металлические  зеркала демонстрируют падение отражения в терагерцовом диапазоне. Для обеспечения высокого отражения мы наносим достаточно толстый слой металла. Подробнее о продукте смотрите в статье ТГц зеркала.

Следующий график помогает сравнить оптические свойства металлических зеркал, речь о которых шла выше.