Просветление оптики

3.3. Различные случаи падения и отражения света

Математическое описание прохождения полем границы раздела двух сред имеет большое значение при проектировании оптических систем, где встречается ряд практически важных частных случаев. Ниже рассматриваются эти случаи, а также пример применения формул Френеля (параграф 3.2) при создании средств, уменьшающих потери света на отражение.

3.3.1. Нормальное падение

При нормальном падении . Тогда коэффициент отражения определяется так:
(3.3.1)

Исходя из выражения (3.2.12), получим коэффициент пропускания:
(3.3.2)

Если граница раздела сред – стекло-воздух, то , то есть при нормальном падении света на стекло отражается около 4% энергии.

3.3.2. Угол Брюстера

Из выражения (3.2.13) следует, что при угле падения таком, что , коэффициент отражения параллельно поляризованного света . Следовательно, при определенном угле падения свет при параллельной поляризации совсем не отражается, а отражается только ортогонально поляризованный свет (рис.3.3.1).

Угол, при котором происходит полная поляризация при отражении, называется углом Брюстера:

(3.3.3)

Рис.3.3.1. Угол Брюстера.

Можно наглядно показать различия зависимостей коэффициентов отражения света от границы раздела двух сред для двух случаев поляризации. Для этого строится график зависимости и от угла падения (рис.3.3.2). Индекс обозначает такое состояние поляризации света, при котором электрический вектор перпендикулярен плоскости падения (), а – состояние поляризации, при котором электрический вектор лежит в плоскости падения (). График показывает, что граница раздела двух сред оказывает наиболее сильное влияние на поляризацию падающего света для углов падения, близких к углу Брюстера. Это явление используется при создании специальных преобразователей светового поля – поляризаторов.

Рис.3.3.2. График зависимости коэффициентов отражения
для TM и TE поляризованного света от угла падения.

3.3.3. Просветление оптики. Тонкие пленки

При прохождении света через сложные оптические системы с большим количеством оптических деталей на каждой поверхности теряется около 4% света. В результате через систему может пройти всего 20% светового потока. Применение тонкослойных пленок для ослабления френелевского отражения называется просветлением оптики. Просветляющие покрытия могут уменьшить отражение в 3-4 раза.

Принцип действия просветляющих покрытий основан на явлении интерференции. На поверхность оптической детали наносят тонкую пленку, показатель преломления которой меньше показателя преломления стекла . Луч, отраженный от поверхности пленки, и луч, отраженный от границы пленка-стекло когерентны. Можно подобрать толщину пленки так, чтобы при интерференции они погасили бы друг друга, усиливая, таким образом, проходящий свет (рис.3.3.3).

Рис.3.3.3. Просветление оптики.

Подробности Категория: П

ПРОСВЕТЛЕНИЕ ОБЪЕКТИВА — уменьшение потерь на отражение света от линз путем создания на их поверхности тончайшей пленки с показателем преломления, отличным от показателя преломления стекла, из которого изготовлены линзы.

Световые потери в объективе складываются из потерь на отражение от поверхности стекла, граничащей с воздухом, и потерь на поглощение в толщине самого стекла. Ввиду большой прозрачности оптического стекла потери на поглощение в стекле в видимой части спектра составляют не более 1-2% на сантиметр толщины стекла, тогда как на отражение от каждой поверхности теряется от 4 до 6,5%, что при сложной конструкции объектива с большим количеством отдельно стоящих линз приводит к потере от 20 до 60% падающего на объектив света. Отражаясь последовательно от нескольких поверхностей и не участвуя в образовании изображения, этот свет засвечивает изображение, образуя на нем общий фон или отдельные локализованные пятна. Если объектив имеет N поверхностей линз, граничащих с воздухом, то число отражений составляет: k=N(N-1)/2.

Например, в объективе «Ортагоз», имеющем четыре отдельно стоящие линзы с восемью поверхностями, число отражений составляет: k=N(N-1)/2=28

Значительно понижая коэффициент отражения, просветляющая пленка сокращает потери света на поверхностях линз и тем самым уменьшает рассеянный свет.

В результате этого увеличивается контрастная способность объектива, т. е. широта яркостей изображения приближается к широте яркостей снимаемого объекта.

Вместе с тем просветление несколько повышает физическую светосил у объектива.

Уменьшение коэффициента отражения происходит вследствие интерференции отраженного от передней поверхности пленки пучка света с пучком, отраженным от задней поверхности пленки.

Подбирая толщину пленки и ее показатель преломления, можно совершенно уничтожить отражение для определенной длины волны и сильно уменьшить для остальных длин волн. Для этого необходимо, чтобы показатель преломления просветляющей пленки составлял квадратный корень из показателя преломления стекла линзы n пл =√n ст и чтобы толщина пленки равнялась 1/4 длины волны того света, полное уничтожение которого требуется: d=λ/4.

Выбирая для среднего самого яркого участка спектра λ= 0,556 µ, получаем для толщины пленки: d=0.556/4=0.139µ, т. е. толщина просветляющей пленки примерно в 1000 раз меньше толщины кинопленки. При этом полностью устраняется отражение света с длиной волны 0,556 µ и значительно ослабляется свет соседних участков спектра; от этого пленка приобретает интерференционную окраску, откуда и происходит название «голубая оптика».

Хотя просветляющее действие тонких пленок было твердо установлено около 60 лет назад, промышленное применение его стало возможным сравнительно недавно, после проведения научно-исследовательской и технической работы, проделанной в ГОИ академиком И. В. Гребенщиковым и его учениками.

Существующие в настоящее время промышленные способы просветления делятся на физические и химические. При химическом способе просветления пленка образуется на поверхности стекла за счет изменения структуры тончайшего поверхностного слоя самого стекла под действием химических реагентов, выщелачивающих стекло. Составляя одно целое со стеклом, просветляющая пленка прочно держится и не боится повреждения. Недостатком химического способа является зависимость просветляющего действия от состава стекла. В табл. приведены коэффициенты отражения различных сортов оптического стекла до и после химического просветления.

Таблица . Уменьшение коэффициента зеркального отражения при химическом просветлении

Тип стекла	Марка стекла	Показатель преломления nD	Коэффициент отражения (в %)
до просветления	после просветления
Крон	К8	i,5163	4,18	2,5
Баритовый крон	БКЗ	1,5467	4,61	2,5
Легкий флинт	ЛФ5	1 ,5749	4,96	1,9
Тяжелый крон	ТК6	1,6126	5,4 7	1,8
Флинт	ФЗ	1,6199	5,59	1,6
Тяжелый флинт	ТФ1	1 ,6475	5,98	1,2

При физическом способе просветления на стеклянную деталь наносится пленка из другого прозрачного вещества посредством распыления его при испарении в вакууме.

Физическое просветление дает значительное снижение коэффициента отражения и вследствие того, что показатель преломления полученной пористой пленки может быть низким, а сорт стекла почти не влияет на степень просветления. В следующей табл. приведены коэффициенты зеркального отражения для нескольких сортов оптического стекла до и после физического просветления.

Таблица. Уменьшение коэффициента зеркального отражения при физическом просветлении

Тип стекла	Марка стекла	Показатель преломления nD	Коэффициент отражения (в %)
до просветления	после просветления
Крон	К2	1,5004	4,0	0,2
Баритовый крон	К8	1 ,5163	4. 18	0,3
Легкий флинт	БК8	1 ,5467	4,6	0,2
Тяжелый крон	ЛФ5	1,5749	4,96	0,5
Флинт	Т Кб	1,6126	5,47	0,4
Тяжелый флинт	ТФЗ	1, 7172	7,0	0,4

Высокое эффективное снижение коэффициента отражения является достоинством физического способа, получившего всеобщее признание, несмотря на непрочность наносимого этим способом просветляющего слоя.

На рис. приведены кривые пропускания света сложным фотографическим объективом до и после физического просветления. Из рисунка видно, что пропускание возросло примерно с 60 до 90%, т. е. в 1,5 раза увеличилась прозрачность объектива и несколько изменилась спектральная характеристика пропускания за счет преимущественного пропускания в средней части спектра около λ=556 µ, для которой просветление наибольшее.

Следует указать, что разница между просветленным и непросветленным объективом сказывается заметно лишь при съемке в условиях неблагоприятного освещения, когда в поле зрения попадают яркие предметы, например при съемке против ярко освещенных окон.

Просветленный объектив требует бережного обращения и особенно боится масляных пятен. Попавшее на такую поверхность масляное пятно расползается по слою и, заполняя поры, понижает просветляющее действие.

Рис. Кривые пропускания просветленного (сверху) и непросветленного (снизу) объективов

В Советском Союзе в настоящее время все фотографические объективы выпускаются просветленными.

Скачать статью «Оптические покрытия» (PDF, 4135 KB)

Материалами для оптических покрытий в данном диапазоне выступают, как правило, оксиды и фторид магния. Они формируют плотные прочные плёнки, устойчивые к механическим и климатическим воздействиям, обладающие крайне низким поглощением и невысоким рассеянием. Поэтому покрытия для данного спектрального диапазона, как правило, проявляют высокую эксплуатационную и лучевую стойкость. Использование ионного ассистирования даёт дополнительный выигрыш в стойкости получаемых конструкций.
При изготовлении покрытий мы не ограничиваем себя стандартным набором конструкций, а стараемся максимально удовлетворить ТЗ заказчика. Приводимые ниже примеры наших работ демонстрируют, но не исчерпывают наши возможности. Обращайтесь, и мы приложим все усилия для максимально полного решения именно Вашей задачи.
1. Просветляющие покрытия
2. Высокоотражающие покрытия
3. Делительные покрытия

1. Просветляющие покрытия
1.1. Четвертьволновое просветляющее покрытие – плёнка MgF2
Возможно, самое простое интерференционное просветляющее покрытие состоит из одного слоя фторида магния (MgF2). Так как плёнка MgF2 имеет очень низкий показатель преломления (приблизительно 1.38 на длине волны 550 нм), нанесение четвертьволновой плёнки на любое оптическое стекло позволяет заметно уменьшить остаточное отражение. Так, для К8 (показатель преломления 1.52)– с 4.1% до 1.2%. На высокопреломляющих стёклах и сапфире эффект от применения данной плёнки ещё выше, отражение на центральной длине волны опускается ниже 0.5% при 7-9% отражении от изделия без покрытия. Левее и правее центральной длины волны отражение плавно растёт, оставаясь во всём спектре ниже, чем отражение от детали без покрытия. Так, центрованная на 550 нм плёнка обеспечивает приемлемое просветление во всём видимом диапазоне. Для стекла К8 интегральные потери на отражение на 400-800 нм уменьшаются примерно вдвое на каждой поверхности, для высокопреломляющих стёкол – в 10 раз.
Важным достоинством данного покрытия является его высочайшая в своём классе механическая и химическая стойкость.

Рис. 1.1. Сравнение отражения от поверхностей К8 и сапфира с пленкой MgF2 и без.

1.2. V-образное просветляющее покрытие на одну длину волны
Обозначение «V-образное» происходит от V-образной формы кривой остаточного отражения (в противоположность плёнке MgF2, когда кривая отражения похожа на очень пологую «U»). V-образные просветляющие покрытия состоят, как правило, из двух неравнотолщинных слоёв оксидов с высоким и низким показателем преломления. Варьируя толщины и показатели преломления слоёв, можно достичь чрезвычайно низких потерь на заданной длине волны. Обычно такие покрытия конструируют для линий генерации лазера. Конструкция оптимизируется под рабочий угол падения света.

Стандартное значение остаточного отражения от каждой поверхности для V-образного покрытия менее 0.25%. Достижение величины ≤0.15% также возможно по специальному запросу.

В отличие от однослойного просветления MgF2, данная структура может быть оптимизирована для получения указанного отражения на стёклах практически всех марок и большинстве кристаллов.

Рис. 1.2.A. Остаточное отражение от изделия из К8 с V-образным просветлением на 633 нм при нормальном падении.
Рис. 1.2.B. Остаточное отражение от изделия из К8 с V-образным просветлением на 1064 нм при нормальном падении.
Рис. 1.2.C. Остаточное отражение от изделия из К8 с V-образным просветлением на 1550 нм при нормальном падении.

Следует, однако, помнить, что вне узкого рабочего диапазона отражение от данной структуры окажется выше, чем от стекла без покрытия.

Рис. 1.2.D. Отражение от детали с V-образным просветлением в сравнении с отражением от непросветленного К8. Угол падения 30 градусов, поляризация (s+p)/2.

1.3. Двухполосные W-образные просветляющие покрытия
Двухполосные просветляющие многослойные покрытия требуются, когда оптические компоненты должны обеспечивать очень высокое пропускание на двух различных длинах волн. Например, когда необходимо с высокой эффективностью обеспечить прохождение через оптический элемент фундаментальной длины волны генерации лазера и второй гармоники. Наличие двух «провалов» в спектре остаточного отражения такого покрытия делает его похожим на букву W, что и даёт название данному семейству покрытий. Конструктивно такие покрытия состоят, как правило, из 4 слоёв, сформированных тремя материалами с различными показателями преломления.

Рис. 1.3.А. Остаточное отражение от поверхности К8 с W-type просветлением для 1064 и 532 нм, угол падения ноль градусов.
Рис. 1.3.В. Просветление W-type для 532 и 1064 нм, угол падения ноль градусов.

1.4. Широкополосное просветляющее покрытие
Для обеспечения низкого отражения в широком спектральном диапазоне используются структуры из трёх-шести слоёв, состоящие, как правило, из трех и более материалов с разными показателями преломления.

Рис. 1.4.A. Остаточное отражение от изделия из ТФ-9 с широкополосным просветляющим покрытием на 400-700 нм, нормальное падение.
Рис. 1.4.B. Остаточное отражение от изделия из К8 с широкополосным просветляющим покрытием на 1.2-2мкм, угол падения 45 градусов, (s+p)/2.

2. Высокоотражающие покрытия
2.1. Диэлектрические зеркала
Высокоотражающие (зеркальные) покрытия состоят из достаточного количества пар равнотолщинных слоев диэлектрических материалов. Толщина слоёв и количество пар определяется исходя из условия получения требуемого отражения на центральной рабочей длине волны и при рабочем угле падения. Ширина зоны отражения определяется отношением показателей преломления используемых диэлектриков и составляет, как правило, около 10-12% от рабочей длины волны. Чаще всего такие зеркала создаются для работы с лазерами, когда требуется высокое отражение на одной длине волны и высокая лучевая стойкость. Отражение от таких конструкций в рабочем диапазоне превышает 99% (типичное для металлов значение не превышает 95%), а лучевая стойкость составляет несколько Джоулей на см2 (против 0.3 Дж/см2 у металлов). Эти покрытия, как правило, конструируются для угла падения 0 или 45 градусов, но могут быть оптимизированы под почти любой другой угол. Например, для наших внеосевых параболических зеркал диэлектрические конструкции оптимизируются под рабочий угол падения, равный половине внеосевого угла параболы.

Рис. 2.1.A. Высокоотражающее диэлектрическое зеркало на 1064 нм, угол падения ноль градусов.
Рис. 2.1.B. Диэлектрическое зеркало на 750-850 нм, угол падения 22.5 градуса. Показано остаточное пропускание. Поляризация (s+p)/2.
Рис. 2.1.C. Диэлектрическое зеркало на 2.1 мкм, угол падения 45 градусов, (s+p)/2.

2.2. Высокоотражающее покрытие на две длины волны
Конструкция, полученная в результате последовательного нанесения на одну подложку двух диэлектрических зеркал, будет обладать высоким отражением на двух длинах волн, хотя её лучевая стойкость заметно снизится. Такие зеркала удобно использовать, когда в системе используются два лазера или лазер и его гармоника. Типичная задача: канализация рабочего силового луча 1064 нм и пилотного визуализирующего 633 нм.

Рис. 2.2. Зеркало на две длины волны для высокоотражающего покрытия.

Также смотрите раздел Металл-диэлектрические зеркала.
2.3. Широкополосные высокоотражающие покрытия
Напыляя на одну подложку два диэлектрических зеркала, центрованных на две близкие длины волны, можно получить изделие с широким ровным спектром отражения. Такие покрытия востребованы для работы с перестраиваемыми лазерами (например, Ti:Sa), особенно при больших углах падения, а также для изделий, обеспечивающих высокое отражение в широком диапазоне рабочих углов.

Широкополосные высокоотражающие покрытия могут также быть металлическими, металл-диэлектрическими.
3. Делительные покрытия
3.1. «Холодные/горячие» зеркала и отрезающие фильтры
Классическое диэлектрическое зеркало помимо основной зоны отражения обладает побочными максимумами, находящимися по спектру как левее, так и правее рабочей длины волны.

Рис. 3.1.А. Диэлектрическое зеркало и побочные максимумы отражения.

Варьируя некоторые слои «классического» пакета, мы можем, практически не меняя отражение в рабочей спектральной области, перераспределить эти побочные максимумы, подавив их либо в коротковолновой, либо в длинноволновой области. Таким способом можно обеспечить достаточно высокое пропускание в зоне слева или справа от основной зеркальной области. В зависимости от того, в коротковолновой или длинноволновой зоне мы подавили побочные пики, такие конструкции называют холодными или горячими зеркалами. Чаще всего «горячие» зеркала отражают инфракрасное излучение, пропуская видимое. Такие зеркала применяются в проекционных системах для уменьшения тепловой нагрузки.

Такая же конструкция позволяет создать отрезающий фильтр и защитить фотоприёмник от нежелательного излучения.

3.2. Конструкции для сведения/разделения лучей
Конструкции для сведения/разделения лучей близки к «холодным/горячим» зеркалам и позволяют сводить лучи работающих на разных длинах волн лазеров.
3.3. Поляризационные делители
При угле падения, отличном от нулевого, отражение для S-поляризации становится значительно выше, чем для P-поляризации. Также, зона высокого отражения для P-поляризации сужается значительно быстрее, чем для S. Этот эффект позволяет создавать конструкции, всё ещё хорошо отражающие S-поляризацию, но уже хорошо пропускающие P.

3.4. Выходные лазерные зеркала
Чтобы получить «глухое» диэлектрическое зеркало, необходимо напылить достаточное количество пар плёнок с высоким и низким показателями преломления. При меньшем числе пар отражение будет ниже, зато часть света будет проходить через зеркало. Такие конструкции практически не поглощают свет, а потери на рассеяние в них минимальны. Подбирая количество пар, а также толщину и материал последнего слоя, можно добиться практически любого соотношения пропускания и отражения. Такие конструкции идеально подходят для работы в качестве выходных зеркал в лазерных резонаторах, выводя из резонатора максимально возможную мощность и поддерживая в нём стоячую волну.

Рис. 3.4. Светоделительное покрытие R=(50 ±1)% на 1064 нм, угол падения 0°.

3.5. Широкополосные частично-отражающие (светоделительные) покрытия
Аналогично изготавливаются частично-отражающие покрытия для широкополосных применений. Типичным приложением можно назвать делитель луча, направляющий часть света от объекта в окуляр, а остальную энергию на фотоприемник. Другой пример – делитель энергии в интерферометре белого света.

Рис. 3.5. Светоделительное покрытие на 1.5-3.5 мкм, (s+p)/2, 45°. Подложка – кварц КИ.

3.6. ТГц делители
Диэлектрические зеркала могут быть использованы для решения задачи разделения сгенерированного ТГц-излучения и остаточного излучения титан-сапфирового лазера накачки. Для этого зеркало должно состоять из прозрачных в ТГц-диапазоне материалов, нанесённых на прозрачную в терагерцах подложку(как правило, это кремний или кристаллический кварц). Подробнее читайте в разделе ТГц-спектроделители.

123456

При прохождении световой волны через линзы на каждой из поверхностей линзы световой поток частично отражается. В сложных оптических системах, где много линз или призм проходящий световой поток значительно уменьшается, кроме того, появляются блики. В перископах подводных лодок отражается до 50% входящего в них света. Для устранения этих дефектов оптических систем применяется прием, который называется просветлением оптики. Сущность приема заключается в том, что оптические поверхности покрываются тонкими пленками, создающими интерференционные явления. В просветленной оптике для устранения отражения света на каждую свободную поверхность линзы наносится тонкая пленка вещества с показателем преломления иным, чем у линзы. Толщина пленки подбирается так, чтобы волны отраженные от обеих ее поверхностей, погашали друг друга. Особенно хороший результат достигается в том случае, когда показатель преломления пленки удовлетворяет условию

(7.7)

Где nпл- показатель преломления пленки, который должен быть меньше показателя преломления линзы, — показатель преломления среды, в которой находится оптическая система, — показатель преломления линзы.

Соотношение (7.7) показывает, что диэлектрическая пленка, нанесенная на линзу, должна иметь показатель преломления меньше показателя преломления линзы и больше показателя преломления среды, в этом случае теряется половина длины волны на нижней и верхней отражающей поверхности. Разность хода отраженных световых волн от верхней поверхности пленки и от линзы определяется

,

для нормально падающих лучей

Назначение пленки заключается в гашении отраженного света, поэтому должно выполняться условие минимума

Отсюда определяем толщину просветляющей пленки

(7.8)

Условие (7.8) предъявляет очень жесткие условия к толщине просветляющей пленки, так как если она будет равна

, то присутствие покровного слоя наоборот увеличит коэффициент отражения света.

При соблюдении условий (7.7) и (7.8) отражение света не происходит, и световой поток проходит сквозь оптическую поверхность без потерь.

Толщина просветляющей пленки, найденная по формуле (7.8) будет действительна лишь для вполне определенной длины волны, а белый свет содержит все длины волн видимого диапазона. Однако, при m=0

можно подобрать однослойные пленки, оказывающие хорошее просветляющее действие почти на весь видимый участок спектра. Обычно просветление проводят для средней ( желто-зеленой) области видимого света, подбирая такой диэлектрик, показатель преломления которого удовлетворяет условию (7.7). Для краев видимого спектра ( красный и фиолетовый свет) коэффициент отражения заметно отличается от нуля. Именно поэтому просветленные объективы кажутся в отраженном свете пурпурными, что соответствует смешению красного и фиолетового цветов. Для того, чтобы не происходило отражение света от оптических поверхностей в широком диапазоне длин волн и углов падения, применяются многослойные просветляющие покрытия.

Просветляющее покрытие образуется на поверхности линзы путем ее химической обработки (протравление в кислоте) или путем нанесения пленок фторидов при испарении в вакууме.