Диэлектрические покрытия

Диэлектрические зеркала наиболее часто применяют в конструкциях оптических резонаторов. Как правило, они представляют собой многослойные диэлектрические структуры из двух разнородных материалов. Сами материалы покрытий обычно прозрачны для лазерного излучения. Число слоев покрытия с чередующимися показателями преломления , обычно нечетное. Оптическая толщина каждого из слоев равна четверти рабочей длины волны . Крайние слои имеют высокий показатель преломления .Такая комбинация слоев оптической толщины обеспечивает синфазное отражение электромагнитной волны от всех границ раздела сред. В результате суммарная отраженная волна увеличивается по амплитуде, что эквивалентно повышению коэффициента отражения. Принцип работы такого интерференционного покрытия основан на том, что отражение от границы раздела при выходе излучения из менее плотной среды происходит с изменением фазы на , а из более плотной – без скачка фазы. Следовательно, границы воздух ( )- верхний слой ( ) приведет к применению фазы 1-й отраженной волны на . Отражение от границы между первым и вторым слоем произойдет без изменения фазы. Разность хода первой и второй волн, определяемая толщиной слоя приведет к набегу фазы, равному . Граница второго и третьего слоев даст суммарный набег фазы 2 и т.д. Таким образом, волны, отраженные от всех границ раздела, имеют одинаковые фазы колебаний. Коэффициент отражения интерференционного покрытия с ростом числа слоев стремится к единице и достигает у лучших образцов 99,8%. При этом отраженная часть излучения в отличие от металлических зеркал не поглощается, а выносится из резонатора. Максимальный коэффициент отражения реализуется при строгом равенстве оптических толщин слоев четверти длины волны рабочего излучения

, (4.34)

где и - геометрические толщины слоев с высоким и низким показателями преломления.

Для нечетного числа слоев:

. (4.35)

Для четного числа слоев:

, (4.36)

где - показатель преломления определенной среды (для воздуха =1 ); - показатель преломления материала подложки.

С помощью уравнений (4.35, 4.36)определяется число слоев, необходимое для обеспечения Топт. При выборе материалов следует стремиться к минимальному числу слоев, поскольку каждый из них вследствие поглощения и рассеивания излучения, отклонения от оптической толщины вносит дополнительные потери. Подбор материалов для слоев и подложек зеркал производится с учетом их оптических, механических и термических свойств.

Таблица 4.5. Материалы для подложек зеркал

Материал	, мкм	n	Область применения
Стекло К-8	0,3-4	1,5	Видимый диапазон
Кварцевое стекло	0,2-0,25	1,46	Видимый и ближний ИК-диапазоны
Германий	1,7-100	4,0	ИК-диапазоны
Арсенид галлия	1,2-2,0	3,0	-//-
Хлористый натрий	0,3-2,0	1,55	-//-

При прочих равных условиях большие значения коэффициента отражения обеспечиваются в случае использования материалов с сильно различающимися показателями преломления и . Технология получения многослойных покрытий для достижения достаточно сложен. Для подложек лазерных зеркал применяется “глубокая” полировка (в течении нескольких смен при использовании обычных полировочных материалов или несколько часов с использованием субмикронных алмазных паст. Такая полировка обеспечивает удаление дефектного слоя толщиной примерно 10 мкм, образующегося при шлифовке свободным абразивом. Последнее сильно уменьшает светорассеяние, которое особенно вредно для лазеров с небольшим усилением активной среды. Кроме того, после такой обработки значительно повышается лучевая стойкость зеркал. Полируют зеркала до .

Таблица 4.6. Материалы для интерференционных покрытий

Материал	, мкм	n	Область применения
ZnS	0.38-25	2.30	УФ, видимый, ИК-диапазон
MgF2	0.20-10	1.38	-//-
Na3AlF6	0.20-10	1.35	-//-
TiO2	0.25-9	2.40	УФ, видимый, юлижний ИК-диапазоны
HFO2	0.25-9	1.98	УФ, видимый, юлижний ИК-диапазоны
ZrO2	0.25-9	1.97	-//-
ThO2	0.20-11	2.00	-//-
SiO2	0.20-8.0	1.45	-//-
ThF4	0.20-15	1.5	ИК-диапазон
ZnSe	0.60-15	2.5	-//-
BaF2	0.40-11	1.4	Видимый, ИК-диапазон

Суперполировка позволяет получить . Если шероховатость имеет однородную структуру (риски одного направления), то величина поглощения зависит от поляризации падающего излучения. Высота микронеровностей определяет величину коэффициента диффузного рассеяния ( ) зеркала. При нормальном падении света и при <<1.

, (4.37)

где - интенсивность поглощенного излучения;

- падающее излучение.

Покрытия обычно наносят методом термического испарения в вакууме. Для улучшения адгезии и повышения лучевой стойкости покрытий, подложки перед напылением тщательно очищают ионной бомбардировкой и нагревом в вакууме.

Потери на поглощение и рассеяние излучения на зеркалах является лишь частью общих потерь в ООР. Дополнительные потери возникают при пересечении лучом границы двух сред с разными показателями преломления. Например, при прохождении в ТТЛ АЭ и элементов ООР. При нормальном и близком к нему падении излучения на границу раздела сред коэффициент отражения определяется как: и составляет для границы воздух – стекло ~0,4. Для снижения потерь на отражение используют просветляющие покрытия.