microbik.ru
1 2 3


Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский Государственный университет

информационных технологий, механики и оптики

На правах рукописи
ГУБАНОВА

Людмила Александровна

Градиентные интерференционные системы

Специальность 05.11.07 –

Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург

2008
Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном университете информационных технологий, механики и оптики


Научный консультант:


доктор технический наук, профессор

Путилин Эдуард Степанович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

Евгений Николаевич Котликов




доктор технический наук, профессор

Дёмин Анатолий Владимирович




доктор технический наук, профессор

Сокольский Михаил Наумович













Ведущая организация:

ФГУП НТК ГОИ им. С.И.Вавилова







Защита состоится “15” апреля 2008 года в 15.30 часов

на заседании специализированного совета Д212.227.01 при Санкт-Петербургском Государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190031, г. Санкт-Петербург, переулок Гривцова, д.14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики
Автореферат разослан “15” марта 2008 г.


Учёный секретарь

специализированного совета Д212.227.01

Кандидат технических наук, доцент Красавцев В.М.
Общая характеристика работы.
Актуальность работы:
Градиентные многослойные диэлектрические лазерные зеркала являются одним из наиболее удобных и простых средств управления пространственным профилем лазерного излучения и могут быть использованы в лазерных системах различного назначения. Для решения прикладных задач, связанных с обеспечением заданного распределения поля на выходе лазера, используют градиентные зеркала с переменным по радиусу коэффициентом отражения, а также так называемые градиентные фазовые корректоры, размещённые внутри резонатора. В настоящее время внутрирезонаторные градиентные фазовые корректоры применяют, в том числе, и для компенсации линейных и нелинейных фазовых искажений лазерных мод, возникающих в процессе генерации лазера. Однако, в литературе значительно менее детально обсуждаются факторы, связанные с влиянием погрешностей экспериментальной реализации градиентных многослойных оптических покрытий вакуумным испарением на точность распределения коэффициента отражения и распределения толщины градиентных пленкообразующих слоев по поверхности оптического компонента. Дополнительного рассмотрения требует также задача математического моделирования процессов, протекающих в камерах вакуумных установок при изготовлении градиентных многослойных оптических компонентов.

При создании устройств волоконно-оптической связи основной проблемой является разделение каналов связи. Для разделения каналов связи используется спектральное разделение опорного лазерного или светодиодного излучения. Спектральная ширина используемого излучения составляет от нескольких до десятков нанометров. Для выделения из него, например, пятидесяти каналов необходимо выделить спектральный интервал шириной от нескольких десятых до одного нанометра. В настоящее время для этого используются узкополосные диэлектрические светофильтры с соответствующей полушириной. Основным недостатком таких светофильтров является их нестабильность в процессе эксплуатации, что приводит к периодическому или постоянному ухудшению светопропускания волоконно-оптических систем.

При широкозональном спектральном исследовании поверхности Земли, необходимом при проведении сельскохозяйственных работ, геологических изысканий, прогнозировании чрезвычайных ситуаций техногенного и природного характера в качестве необходимого устройства используются элементы, позволяющие получить спектральное разложение отражённого светового сигнала. В качестве таких элементов используется сканирующие спектрофотометры. Эти спектрофотометры могут использовать механические, электрооптические и иные способы разложения излучения в спектр. Однако, наиболее перспективным при создании устройств разделения каналов связи является использование клиновых фильтров, использование же клиновых фильтров совместно с ПЗС матрицей, регистрирующей излучение соответствующего спектрального диапазона позволит создать малогабаритные спектрофотометры. Все вышеперечисленное и определяет актуальность работы.

Целью данной работы является: разработка и исследование методов формирования тонких интерференционных слоёв с заданным распределением коэффициента отражения (пропускания) по поверхности оптического элемента, позволяющие формировать энергетические и фазовые характеристики отражённого и прошедшего излучения.

Достижение указанной цели невозможно без решения следующих задач:

  • разработки методов создания градиентных слоёв путём испарения плёнкообразующего вещества в вакууме с использованием диафрагм различной формы;

  • определения факторов, влияющих на распределение толщины формируемого покрытия;

  • определения параметров, влияющих на характер распределения коэффициента отражения по поверхности оптического элемента;

  • анализа влияния структуры многослойной диэлектрической системы на характер распределения энергетических и фазовых характеристик градиентного покрытия по поверхности оптического элемента;

  • анализа параметров, определяющих форму отражённого от градиентного покрытия волнового фронта;

  • синтеза условий получения градиентных покрытий с заданными свойствами методом термического испарения плёнкообразующих веществ в вакууме.

Объект исследования. Многослойные диэлектрические и металлодиэлектрические системы, формирующие энергетические и фазовые характеристики отражённого и прошедшего светового излучения.

Предмет исследования. Процессы формирования многослойных диэлектрических и металлодиэлектрических градиентных систем, создающих отражённое и (или) прошедшее излучение с заданными характеристиками.

Методы исследования: Для решения поставленной задачи были использованы основные положения теоретических моделей, описывающих: энергетические и фазовые характеристики многослойных систем, образованных слоями из поглощающих и непоглощающих материалов, эмиссионные характеристики испарителей, влияние формы приёмной поверхности и формы диафрагмы на характер распределения толщины слоя по поверхности оптической детали. Для создания градиентных слоёв с заданным распределением толщины или коэффициента отражения по поверхности оптической детали была разработана программа синтеза, позволяющая определить условия изготовления градиентного покрытия с использованием данного вида диафрагм.

Научная новизна работы состоит в обосновании возможности формирования градиентных тонких слоёв при испарении плёнкообразующих материалов в вакууме, в решении научной проблемы формирования амплитудных и фазовых характеристик отраженного и (или) прошедшего излучения. Предложен метод формирования градиентных тонких слоёв металлов и диэлектриков при испарении из малого поверхностного испарителя на подложки, вращающиеся или совершающие планетарное вращение с использованием диафрагм или экранов простейшей формы, размещаемых между испарителем и подложками.

Показано что:

  • заданное распределение толщины слоя по поверхности оптической детали может быть получено при его формировании в вакууме методом термического испарения с помощью диафрагм (экранов) простейшей формы, путём корректировки эмиссионных характеристик испарителей;

  • характер распределения толщины слоя по поверхности оптического элемента определяется радиусом испарителя (или его удалением от оси вращения деталей, в случае малого поверхностного испарителя), расстоянием от плоскости, в которой расположен испаритель, до плоскости расположения детали, радиусом диафрагмы (экрана), расстоянием от оси вращения до центра диафрагмы; расстоянием от края диафрагмы до оси вращения деталей для диафрагм в виде полуплоскости, расстоянием между плоскостями, в которых расположены диафрагмы и испаритель, формой приёмной поверхности оптического элемента поверхности;

  • характер распределения коэффициента отражения по поверхности оптического элемента определяется не только распределением геометрической толщины слоя, но и показателем преломления материала, из которого изготовлен этот слой, максимальной оптической толщиной слоя, структурой покрытия (количеством слоёв с переменной и постоянной толщиной, а так же их показателями преломления).

Установлено влияние характера распределения толщины слоя, показателя преломления материала, из которого он формируется, максимальной толщины слоя, структуры покрытия на форму волнового фронта отражённого (прошедшего) излучения;

Продемонстрирована возможность синтеза условий необходимых для получения заданного распределения коэффициента отражения (пропускания) по поверхности оптического элемента в стандартных вакуумных установках;

Экспериментально показано, что для получения слоёв, распределение толщины которых по поверхности оптического заранее заданно, необходимо использовать разработанную универсальную технологическую оснастку, разработанную для промышленных вакуумных установок типа ВУ.

Практическая значимость работы заключается в том, что проведённые исследования позволили:

  • Рассчитать условия формирования лазерных зеркал с заданным распределением коэффициента отражения по поверхности оптического элемента.

  • Определить степень влияния радиуса диафрагмы, её расположения относительно детали и испарителя, скорости изменения радиуса диафрагмы и её положения относительно плоскости испарителя на характер распределения толщины слоя по поверхности оптического элемента.

  • Синтезировать и реализовать:

  • лазерные диэлектрические зеркала с заданным распределением коэффициента отражения по поверхности оптического элемента;

  • оттенители (фильтры переменной плотности) с заданным распределением коэффициента пропускания по поверхности оптического элемента;

  • клиновые интерференционные светофильтры с заданным распределением длины волны максимального пропускания по поверхности оптического элемента;

  • Разработать условия создания равномерного покрытия на больших площадях с помощью использования диафрагм простейшей формы.

  • Разработать конструкции подложкодержателей, позволяющие одновременно изготавливать несколько лазерных зеркал с заданным распределением коэффициента отражения по поверхности оптического элемента.

  • Спроектировать и реализовать универсальную технологическую оснастку для изготовления градиентных диэлектрических лазерных зеркал различного диаметра.

  • Определить:

-условия изготовления оптических элементов с разными осесимметричными распределениями коэффициента отражения по их поверхности.

-условия осаждения клиновых интерференционных светофильтров с заданным распределением пропускания по поверхности оптического элемента

Результаты работы и её выводы в настоящее время реализованы на кафедре оптических технологий СПбГУИТМО, в ЗАО УНП «Лазерный центр ИТМО», в ФИООЛИСе, в Белорусско-японском исследовательском центре.

Отдельные результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе на кафедре – в курсе лекций по дисциплинам «Технология оптических покрытий», «Специальные вопросы оптической технологии», «Перспективные оптические технологии», «Оптика тонких плёнок» в курсовом и дипломном проектировании.

Материалы диссертационной работы могут быть использованы в любых организациях, занимающихся разработкой, изготовлением и эксплуатацией оптических элементов, в том числе и для силовой оптики.

Защищаемые положения:

Толщина слоя формируемого покрытия определяется формой, характером перемещения используемых диафрагм, формой поверхности, расположением и способом перемещения оптического элемента относительно испарителя при формировании покрытий методом термического испарения материалов в вакууме;

Энергетические и фазовые характеристики отражённого и прошедшего излучения, формируемые интерференционными системами, определяются градиентными слоями с заданным распределением толщины слоёв по поверхности оптического элемента;

Процесс формирования тонких слоёв с управляемым коэффициентом отражения по поверхности подложки градиентных при испарении плёнкообразующих материалов в вакууме на подложках, вращающихся или совершающих планетарное вращение с использованием простейших диафрагм (экранов), размещённых между испарителем и подложками.

Критерий определения условий осаждения градиентных слоёв с заданным распределением коэффициента отражения по поверхности оптического элемента,

Результаты экспериментального исследования оптических характеристик градиентных покрытий.

Публикации Основные материалы диссертации отражены в 70 научных работах, в том числе 2 монографии, 1 авторское свидетельство, 28 статей, 49 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях. 2 работы выполнены в личном авторстве, доля автора в остальных работах от 25% до 75%. В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК для докторских диссертаций 18 статей: 1 статья в личном авторстве, 17 в соавторстве с долей автора от 33% до 50%

Личный вклад автора.

В диссертации излагаются результаты, вклад в которые автора был существенным на всех этапах, включая постановку задачи, проведение теоретического исследования и непосредственное участие в экспериментах и при изготовлении и исследовании параметров промышленных образцов.

Апробация работы: Результаты работы обсуждались на научно-технических конференциях: Методы изготовления и контроля асферических поверхностей – М.ЦНШ Информации 1990, The 9 th meeting on оptical engeneering in Israel. Oct.1994, "Прикладная оптика-94". С-Петербург, 1994, V международной конференции «Лазерные технологии ‘95», Techn. Digest jf 8-th Laser Optics Conference, S. - Peterburg, Международной конференции “Прикладная оптика-96”, V Петербургской семинар-выставке "Лазеры для биологии и медицины", С.-Петербург, октябрь, 1997, VI Международной конференции "Лазерные технологии-98". Шатура, 1998, Конференции "Прикладная оптика-98", Международной конференции "220 лет геодезическому образованию в России" 1999, РНПК Оптика — ФЦП «Интеграция». Санкт-Петербург, 1999, Международной конференции « Прикладная оптика -2000». Тезисы докладов. Санкт-Петербург, с. 19, 2000г., конференции к 100 –летию СПбГИТМО(ТУ), Санкт-Петербург.2000, на Российская научно-практической конференции «Оптика и научное приборостроение – 2000 ФЦП «Интеграция» Санкт-Петербург.2000, на Всероссийской научно-технической дистанционной конференции "Электроника", Москва, ноябрь 2001г, IV международной научно-технической конференции «Электроника и информатика -2002» Зеленоград, 2002, V Международной конференции ПРИКЛАДНАЯ ОПТИКА, Санкт-Петербург октябрь 2002, II Всероссийская научно-техническая дистанционная конференция «Электроника» МГИЭТ (ТУ) Москва 2003, VI Международная конференция «Прикладная оптика» Санкт- Петербург, октябрь 2004, Международная конференция «Прикладная оптика - 2006», Санкт-Петербург, 16-20 октября 2006, Москва, Международный форум «Оптика - 2007», 23-25 октября 2007.


следующая страница >>