Нанесение оптических покрытий

Реферат

на тему: «Нанесение оптических покрытий» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Киев 2010 

Использование металлических деталей  в оптике. 
            Металлы и их сплавы - один их главных конструкционных материалов современной цивилизации. Это определяется прежде всего их высокой прочностью, однородностью и непроницаемостью для жидкостей и газов. Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно менять их свойства в очень широких пределах.  
           В настоящее время все более широкое применение находят детали из металлов в качестве оптических элементов в приборах для аэрофотосъемок, навигации, приборах спецназначения и для изготовления крупногабаритных астрономических зеркал. В частности, в силовой оптике, использующей излучение высокой мощности, применяются оптические элементы из теплопроводных металлов (медь, алюминий и др.). Эффективность таких устройств во многом зависит от качества полирования металлических поверхностей и возможности надежной защиты при создании на них трехмерных оптических структур. Решение поставленной в настоящей работе проблемы позволит создать в том числе голографические оптические элементы на зеркальных металлических подложках для адаптивных лазерных зеркал. 
Первые сведения о применении металлических зеркал (из бронзы или серебра) в быту относятся к третьему тысячелетию до н. э. В бронзовом веке зеркала были известны преимущественно в странах Древнего Востока, в железном веке получили более широкое распространение. Лицевая сторона металлических зеркал была гладко отполирована, обратная - покрыта гравированными либо рельефными узорами или изображениями; форма обычно круглая, с ручкой (у древних греков часто в виде скульптурной фигуры). Стеклянные зеркала (с оловянной или свинцовой подкладкой) появились у римлян в 1 веке н. э.; в начале средних веков они исчезли и снова появились только в 13 веке. В 16 веке была изобретена подводка стеклянных зеркал оловянной амальгамой. С 17 века многообразие форм и типов зеркал (от карманных до огромных трюмо) возрастает; обрамления зеркал становятся более нарядными. Часто зеркала служат отделкой стен и каминов в дворцовых интерьерах эпохи барокко и классицизма. В 20 в. с развитием тенденций функционализма в архитектуре зеркала почти утрачивают декоративную роль и обычно оформляются в соответствии с их бытовым назначением (в простой металлической рамке либо вовче без обрамления). 
            Для изготовления металлических зеркал наибольшее применение находят алюминий, серебро, золото, медь. Высокими коэффициентами отражения обладают гладкие металлические поверхности: алюминиевые - в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах, серебряные - в видимом и инфракрасном, золотые - в инфракрасном. Отражение от любого металла сильно зависит от длины волны света λ: с ее увеличением коэффициент отражения Rλ возрастает для некоторых металлов до 99% и более.  
             В древности в качестве зеркал использовали полированные металлические пластины. С развитием стеклоделия металлические зеркала уступили место стеклянным, отражательной поверхностью которых являлись тонкие слои металлов, нанесенных на стекло. Первоначально небольшие зеркала неправильной формы получали, наливая в стеклянный сферический сосуд расплавленный металл, который, застывая, образовывал отражающий слой (после охлаждения сосуд разрезали). Первые стеклянные зеркала значительных размеров изготовляли нанесением на стекло ртутно-оловянной амальгамы. Впоследствии этот вредный для здоровья работающих способ был заменен химическим серебрением, основанным на способности некоторых соединений, содержащих альдегидную группу, восстанавливать из растворов солей серебро в виде металлической пленки. Наиболее распространенный технологический процесс производства зеркал серебрением состоит из следующих основных операций: удаления с поверхности стекла загрязнений и продуктов коррозии, нанесения центров осаждения серебра, собственно серебрения и нанесения защитных покрытий на отражающий слой. Обычно толщина серебряной пленки колеблется от 0,15 до 0,3 мкм. Для электрохимической защиты отражающего слоя его покрывают медной пленкой, соизмеримой по толщине с серебряной. На медную пленку наносят лакокрасочные материалы - поливинилбутиральные, нитроэпоксидные, эпоксидные эмали, предупреждающие механического повреждения защитного слоя. 3еркала технического назначения изготовляют с отражающими пленками из золота, палладия, платины, свинца, хрома, никеля и др.  
3еркала изготовляют также способами металлизации стекла катодным распылением и испарением в вакууме. Особенное распространение получает термическое испарение алюминия в вакууме при давлении 6,7•10-2-1,3•10-3 Н/м2 (5•10-4-10-5 мм рт. ст.). Испарение алюминия осуществляется со жгутов из вольфрамовой проволоки либо из жаропрочного тигля. Подготовка поверхности стекла к алюминированию выполняется еще более тщательно, чем перед химическим серебрением, и включает обезвоживание и обработку электрическим разрядом при значении вакуума 13,3 Н/м2 (10-1 мм рт. ст.). Толщина алюминиевой пленки для получения зеркал с максимальной отражательной способностью должна составлять не менее 0,12 мкм. Благодаря повышенной химической стойкости алюминированные зеркала иногда используются как поверхности наружного отражения, которые защищаются оптически прозрачными слоями А12О3, SiO2, MgF2, ZnS и др. Обычно же слой алюминия покрывается непрозрачными лакокрасочными материалами, такими же, как и при серебрении. Некоторая неравномерность по спектру и ухудшение отражательной способности алюминированных зеркал по сравнению с посеребренными оправданы значительной экономией серебра при массовом производстве зеркал. 
             Зеркала широко используются в науке и технике. Свойство вогнутых зеркал фокусировать параллельный их оси пучок света используется в телескопах-рефлекторах. На обратном явлении - преобразовании в зеркале пучка света от источника, находящегося в фокусе, в параллельный пучок - основано действие прожектора. 3еркала, применяемые в сочетании с линзами, образуют обширную группу зеркально-линзовых систем. В лазерах зеркала применяют в качестве элементов оптических резонаторов. Отсутствие хроматических аберраций обусловило использование зеркал в монохроматорах (особенно инфракрасного излучения) и многих других приборах.  
             Помимо измерительных и оптических приборов, зеркала применяют и в других областях техники, например в гелиоконцентраторах, гелиоустановках и установках для зонной плавки (действие этих устройств основано на свойстве вогнутых зеркал концентрировать в небольшом объеме энергию излучения). В медицине из зеркал наиболее распространен лобный рефлектор - вогнутое зеркало с отверстием посередине, предназначенное для направления узкого пучка света внутрь глаза, уха, носа, глотки и гортани. 3еркала многообразных конструкций и форм применяют также для исследований в стоматологии, хирургии, гинекологии и т. д. 
             Стремительное развитие в последние годы физики твердого тела , оптики, электроники и лазерной техники поставило перед промышленностью сложные задачи. Необходимость их решения привела к принципиально новому уровню конструкторских и технологических разработок в большинстве областей машиностроения и приборостроения. 
Одной из таких задач в лазерной технике является создание отражающей оптики – металлических зеркал.  
             Со времен Ньютона, впервые применившего металлические зеркала в приборах, и до середины нашего столетия в оптическом приборостроении использовались только два метода создания зеркальной поверхности: механическое полирование и нанесение отражающих пленок на гладкую поверхность. Однако недостатки этих методов оказались столь существенны, что для разработки лазерных систем большой мощности потребовалась новая технология изготовления зеркал. Достижения последних лет в этой области сделали возможным создание лазерных систем, мощность которых измеряется триллионами ватт в импульсном и десятками киловатт в непрерывном режимах работы. 
               Если традиционными материалами для изготовления для изготовления оптических зеркал принято считать стекло и стеклообразные материалы, то металлы, карбиды металлов и другие материалы следует отнести к нетрадиционным материалам для изготовления оптических зеркал, в том числе крупногабаритных. 
             Появление оптических зеркал из материалов, нетрадиционных для оптики в конце 1960-х – 1970-х годов ХХ столетия объясняется следующими обстоятельствами: 
– необходимостью существенного снижения веса оптики для создания космической аппаратуры последующих поколений с более высокими функциональными возможностями, чем предыдущие образцы аппаратуры при тех же весовых характеристиках; 
– созданием мощных лазерных систем и комплексов, в том числе адаптивных, в непрерывном, частотно-импульсном и импульсном режимах работы на длинах волн от рентгеновских до дальних инфракрасных; 
– разработкой ИК-телескопов и систем, работающих в диапазоне температур от 4 до 80 К с целью повышения чувствительности аппаратуры в 10 – 10 раз, что и определяет основное назначение этой оптики. 
            Оптические зеркала из нетрадиционных материалов могут классифицироваться по следующим признакам: области спектра, взаимодействию излучения с оптической поверхностью, воздействию динамических нагрузок, рабочим температурам, по числу оптических поверхностей, условиям работы, конструкции, видам оптических поверхностей и т.д.  
В зависимости от используемой области спектра в приборе оптические зеркала предназначаются для работы в ультрафиолетовой (1-380 нм), видимой (380-780 нм), инфракрасной (780 нм-40 мкм) и субмиллиметровой областях спектра (40 мкм–1мм). 
             Особенности физического взаимодействия излучения с оптической поверхностью зеркал характеризуют их как информационные и силовые. Силовые зеркала, в свою очередь, могут быть охлаждаемые или неохлаждаемые в зависимости от мощности излучения, режима работы и т.п. 
 
 
 

Защитные покрытия 
              Защитные покрытия подразделяют на временные – межоперационные и постоянные. Временные защитные покрытия используют в следующих случаях: 
– при обработке оптических деталей из химически нестойких стекол, влагонестойких кристаллов; 
– при изготовлении и контроле крупногабаритных деталей и деталей сложной конфигурации; 
– при создании заданного рельефа поверхности химическим травлением или ионной обработкой части образца; 
– при сборке отдельных узлов для сохранения чистоты и целостности обработанных поверхностей деталей; 
– при контроле, транспортировании и хранении деталей из химически нестойких стекол и водорастворимых кристаллов. 
Временные защитные покрытия создаются только химическими методами. В качестве пленкообразующих соединений используют растворы высокомолекулярных полимеров в органических растворителях. 
Постоянные защитные покрытия создаются на поверхности линз, призм, окон оптических приборов. По функциональному назначению постоянные защитные покрытия подразделяют на следующие группы: 
– гидрофобные влагостойкие покрытия, повышающие устойчивость деталей в условиях влажной атмосферы; 
– фунгицидные покрытия, повышающие устойчивость к грибообрастанию в условиях влажного тропического климата; 
– абразивостойкие покрытия, повышающие прочность недостаточно твердых интерференционных слоев и некоторых оптических материалов. 
 
              Эксплуатационные характеристики защитных покрытий определяют их способность покрытий противостоять воздействиям окружающей среды в процессе эксплуатации. К ним относятся механическая прочность, а также устойчивость к целому ряду других специальных воздействий. Под механической прочностью покрытия понимают способность выдерживать механические воздействия (протирку, воздействие пыли и др.). Отечественные стандарты различают несколько групп прочности (0-IV группы). Наибольшей механической прочностью (0-I группы) характеризуются слои оксидов металлов. Механическая прочность слоев фторидов, сульфидов, селенидов и целого ряда других соединений относится к I-III группам в зависимости от состава и технологии нанесения. Под влагопрочностью покрытия понимают его способность выдерживать без разрушения и изменения оптических свойств воздействие повышенной влажности (условия тропиков или умеренного климата), воды, атмосферных осадков. Наибольшей влагопрочностью обладают слои оксидов. Наименьшей влагопрочностью характеризуются слои ряда фторидов (например, CaF2, криолит) и других гигроскопических материалов. 
Способность покрытий выдерживать воздействие пониженных и повышенных температур (термопрочность, термоудар) определя¬ется не только составом покрытия, но и его конструкцией. Наибольшей устойчивостью обладают мало напряженные конструкции с хорошей адгезией. Наилучшей адгезией характеризуются слои оксидов металлов. 
                 Известно, что устойчивость покрытий зависит от метода и технологии их нанесения. Наибольшей устойчивостью обладают покрытия, нанесенные ионно-плазменными методами, методами ионного ассистирования и ионного платирования. Нагрев подложки приводит к повышению эксплуатационных характеристик покрытий. Эффективно использование тонких адгезионных и защитных оксидных слоев. Существенное влияние на эксплуатационные параметры покрытия оказывает подготовка поверхности детали перед его нанесением. 
В последние годы получила развитие ионная подполировка поверхности, приводящая к существенному увеличению адгезии покрытий. В целом ряде случаев ионная подполировка поверхности исключает необходимость нагрева детали, что приводит к сокращению продолжительности процесса и повышению воспроизводимости оптических параметров покрытия. В первую очередь это относится к слоям фторидов и сульфидов металлов, а также других малоустойчивых материалов. Количественные характеристики эксплуатационной прочности покрытий и методы их определения регламентируются соответствующими стандартами. 
 
Методы нанесения защитных покрытий. 
           С помощью тонкослойных покрытий можно существенно повысить механическую и химическую устойчивость поверхности (защитные покрытия), изменить ее электрические свойства (токопроводящие покрытия) и т.д. Уровень современного оптического прибора во многом определяется наличием покрытий с необходимыми оптическими или эксплуатационными параметрами. 
Для нанесения покрытий используют различные вакуумные и химические методы и оборудование, выбор которых определяется требованиями к покрытиям и возможностями их производства. 
 
Физические методы нанесения покрытий. 
           Методы термического испарения получили наиболее широкое применение для нанесения покрытий различного назначения и характеризуются высокой производительностью, возможностью контроля и автоматической стабилизации основных технологических параметров в процессе нанесения покрытий, что обеспечивает высокую воспроизводимость их структурных характеристик, состава, оптических и эксплуатационных свойств. Методы позволяют наносить покрытия из пленкообразующих материалов различного состава и природы с широким диапазоном оптических констант в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. 
Так, методом термического испарения стеклообразных сульфидов мышьяка, сурьмы и халькогенидных стекол наносят защитные покрытия на поверхности щелочногалоидных кристаллов. Для устранения потерь света на отражение, связанных с высокими значениями показателя преломления сульфидов, толщина защитного слоя строго регламентируется и составляет λ/2 или кратную ей величину. 
           Метод высокочастотного реактивного распыления металлов (тантала, ниобия, висмута, церия, кремния, алюминия) в кислороде используют для защиты от влаги оптических деталей из нестойких стекол. Эффективность этого метода защиты определяется монолитностью оксидных слоев. Толщина защитных слоев колеблется в пределах 60-120 нм в зависимости от химического состава покрытия. Наиболее перспективны слои диоксида кремния и пятиоксида тантала. Однако потемнение стекол с большим содержанием свинца в процессе обработки и увеличение светорассеяния при интенсивных режимах напыления ограничивают применение этого метода. 
Вакуумным методом получают абразивостойкие покрытия на основе оксидов кремния, алюминия, церия, тантала, ниобия и монооксида кремния. Слои монооксида кремния, полученные резистивным испарением, в 6-8 раз повышают твердость поверхности деталей из органического стекла и являются адгезионным промежуточным покрытием, обеспечивающим получение на поверхности полимерных материалов многослойных интерференционных систем. Плотные непористые слои диоксида кремния, полученные методом катодного распыления кремния в кислороде, используют для защиты не только алюминированных зеркал для УФ-области спектра, но и дифракционных решеток, нарезанных на слоях алюминия. Защита металлических зеркал для ИК-диапазона от воздействия влаги воздуха и механических повреждений осуществляется слоями на основе тантала, ниобия и церия. Покрытия получают методом реактивного ионно-плазменного распыления металлов в кислороде. Эти же покрытия используют для повышения прочности полупроводниковых и халькогенидных интерференционных вакуумных слоев. 
             В последнее время интенсивно разрабатываются условия вакуумного осаждения углерод содержащих алмазоподобных покрытий, отличающихся повышенной твердостью. Наибольшее распространение получили методы распыления графита с помощью ионного пучка или деструкции углеводородов в плазме тлеющего разряда. Углеродсодержащие покрытия используют в качестве защитных слоев для алюминиевых и медных зеркал, оптических волокон, для просветления германия и кремния, как защитные и составляющие слои для диэлектрических покрытий. Они применяются и в качестве селективно поглощающих покрытий для солнечных батарей, а также для ориентации жидких кристаллов. 
               Алмазоподобные покрытия сочетают свойства абразиво- (нулевая группа прочности), влагостойкости и устойчивости к химическим реагентам. Однако технология их нанесения требует дальнейшего совершенствования, так как для них характерно старение во времени и снижение прочности адгезии. 
              Преимуществом ионно-плазменных методов является возможность получения плотных (приближающихся к материалу в массе) слоев при высокой адгезии к подложке, стехиометрических слоев сложных соединений, слоев тугоплавких материалов, которые не удается получить другими методами. Основным ограничением для широкого использования этих методов в оптической технологии являются низкая производительность и высокая энергоемкость. 
               Производительность ионно-плазменных методов может быть повышена за счет использования магнетронной мишени (магнетронное распыление). Принцип действия состоит в воздействии магнитного поля на ионизирующий газ, что приводит к увеличению ионной плотности. Происходит это за счет того, что электроны, находящиеся в плазме (воссоздающие ионы за счет соударений с молекулами газа, т. е. поддерживающие разряд), под действием поля изменяют свои траектории, обвиваясь вокруг линий поля и увеличивая тем самым возможность ионизации за счет соударений. 
 
Химические методы получения защитных покрытий. 
               Широко известным является метод защиты оптических деталей путем нанесения гидрофобных покрытий. Гидрофобные покрытия получают химическими методами: воскованием поверхностного кремнеземистого слоя, модификацией поверхности стекла или покрытия путем прививки кремнийорганических соединений и защитой органическими полимерными пленками. 
              Сущность воскования поверхностного слоя сводится к обработке травленого силикатного стекла в расплавленном пчелином воске или гомогенизированном (доведенном до определенной степени окисления) парафине. Травление силикатных стекол осуществляется разбавленными растворами органических (уксусной) или минеральных (азотной) кислот. В результате травления на поверхности стекла образуется слой кремниевой кислоты. Обработка кремнеземистого слоя в расплавленном воске приводит к резкому повышению устойчивости силикатных стекол по отношению к раз¬рушающему действию водяных паров. Этот способ защиты пригоден только для силикатных стекол. 
              Аналогичного повышения устойчивости стекол с просветляющими (однослойными и двухслойными) покрытиями, в которых внешний слой представляет собой диоксид кремния, можно достичь и обработкой в расплавленном воске. Однако эффективность защиты в этом случае определяется размером пор кремнеземисто¬го слоя, что влечет за собой необходимость применения раствора гидролизованного тетраэтоксисилана определенного срока «созревания» (2 недели) и концентрации (10-12 %). Трудоемкость процесса ограничивает широкое использование этого метода защиты. 
              Фунгицидные защитные покрытия предназначены для защиты поверхностей оптических деталей, находящихся в условиях влаж¬ного тропического климата, от поражения плесневыми грибами. Споры грибов могут попадать в прибор при его изготовлении, упаковке, хранении и эксплуатации. В условиях влажного тропического климата вокруг гиф наблюдается повреждение поверхности стекла в виде пятен травления. Используют несколько фунгицидных защитных покрытий, предохраняющих детали от биологических образований. Защита оптических деталей из стекол, химическая устойчивость которых характеризуется группами А и I, основана на образовании фунгицидной пленки β-метокси-α-ацетоксимеркурсилоксана. Этот вид обработки производят после про¬светления деталей химическими методами или катодным распылением металлов в кислороде. Процесс защиты состоит в обработке просветленного стекла толуольным раствором винилхлорсилана с последующей обработкой метанольным раствором уксуснокислой ртути. 
                 Защита деталей из химически нестойких несиликатных стекол типа СТК, ОФ, ФК и других, а также несиликатных цветных стекол и деталей из кристаллов исландского шпата сводится к обработке в смеси этанольных растворов винилтриэтоксисилана и диметилдиэтоксисилана с последующим нанесением фунгицидного покрытия из метанольного раствора уксуснокислой ртути. 
               Фунгицидное покрытие на поверхности деталей из флюорита, фтористого лития и германия получают путем обработки в растворах фосфорсилоксана ФС-3 и триэтилметакрилоксистанната ТЭМС. Вместо фосфорсилоксана можно использовать фторорганический полимер Ф32Л«В». Все фунгицидные покрытия отличаются высокой гидрофобностью; по механической прочности к истиранию они относятся соответственно к I группе на стеклах, ко II и III группам на флюорите и фтористом литии. 
Сущность нового универсального метода защиты состоит в на¬несении на поверхность деталей одновременно гидрофобного и фунгицидного покрытий из смеси растворов полиорганилсилоксана СКТНВ-6 и оловоорганического биоцида ТЭТС. Этот способ защиты от биообрастаний пригоден для всех марок силикатных, несиликатных цветных и бесцветных стекол, а также для деталей из монокристаллов кремния, германия и флюорита. По механичес¬кой прочности к истиранию оно относится соответственно к I группе на стеклах, ко II группе на кристаллах. Защита оптических деталей из органических стекол (полиметилметакрилата, полистирола, поликарбоната) от биообрастаний осуществляется биоцидом типа ТЭМС. Механическая прочность защитного покрытия соответствует группе П. Фунгицидные покрытия обеспечивают 3-5-кратное увеличение устойчивости оптических приборов к биообрастаниям. 
Вышеназванные гидрофобизаторы не отвечают современным требованиям. Они, обладая достоинствами, имеют недостатки, а именно: применение алкилхлорсиланов связано с рядом трудностей, так как реакция образования защитного покрытия протекает с отщеплением хлористого водорода, который вызывает коррозию материалов, в том числе химически нестойких стекол, и вреден для человека. Создание защитных покрытий на основе алкилалкокси-силанов, гетеросилоксана фосфора и низкомолекулярного каучука марки СКТНВ менее технологично, требуется термообработка стекла с покрытием при 120-200 °С в течение определенного времени в зависимости от состава органосилоксанов. 
            В последние годы в ГОИ разработаны композиции для создания высокоэффективных стабильных гидрофобных, гидрофобно-фунгицидных и гидрофильных (на основе поверхностно-активных веществ, предотвращающих запотевание стекол) покрытий. Гидрофобные (водо- и грязеотталкивающие) покрытия создают путем химической модификации поверхности стекла с использованием полиэтил- или полиметилгидридсилоксанов в индифферентном растворителе, содержащем сшивающий агент, одновременно являющийся и ингибитором коррозии поверхности стекла. Покрытие отверждается при температуре 10-20 °С в течение 60 мин, оно не токсично и экологически безопасно. 
           Гидрофобно-фунгицидное покрытие получают из смеси вышеназванных полисилоксанов и пленкообразующего антисептика на основе оловоорганилсиланов. Эти покрытия предохраняют поверхность стекол и оптических деталей от влаги и биоповреждения в условиях влажного тропического климата. 
           Анализ литературных данных показал, что для защиты отражающих поверхностей деталей из нетрадиционных оптических материалов – металлов, таких как медь, алюминий или их сплавы, необходимо наносить защитные покрытия предохраняющие оптическую поверхность от механических повреждений, от окисления и других воздействий в процессе эксплуатации. Основными критериями при выборе материала защитного покрытия является область его прозрачности в рабочем спектральном диапазоне, механическая прочность и плотность, определяющая стойкость покрытия к климатическим воздействиям. 
             Наиболее перспективным является метод нанесения защитных покрытий ионным распылением мишеней соответствующего состава. 

Литература

• Беленький М.А. Электроосаждение металлических покрытий. М.: Металлургия, 1985г, 289с.

• Вансовская  К.М. Металлические покрытия, нанесенные химическим способом. Л.: Машиностроение, 1985

• Хокинг  М., Васатасри В., Сидки П. Металлические  и керамические покрытия: получение, свойства, применение. М.: Мир, 2000. 518 с.