Quality Control of Beam Splitters and Quarter-Wave-Mirrors

Význam tématu

Optické vícevrstvé povlaky nacházejí uplatnění ve výzkumu, telekomunikacích, medicíně i průmyslových a kosmických aplikacích. Přesné měření jejich optických vlastností je klíčové pro návrh, zpětnou analýzu (reverse engineering) a kontrolu kvality složitých multilayer struktur.

Cíle a přehled studie

Studie demonstruje využití spektrofotometru Cary 7000 UMS pro automatizovaná, nezávisle řízená víceúhlová měření odrazu (R) a průchodu (T) UV-Vis-NIR na modelových vrstvách: specializovaném 52vrstevném beam splitteru (BS-AR-Suprasil) a dvou 43vrstevných čtvrtvlnných zrcadlech (HR800-FusedSilica, HR800-Glass). Hlavním cílem je snížit nejistoty v parametrech jednotlivých vrstev a optimalizovat depoziční proces.

Použitá instrumentace

• Cary 7000 Universal Measurement Spectrophotometer (UMS) s motorickým nastavením úhlu dopadu (AOI) a polohy detektoru, možností měření R i T na stejném místě vzorku bez jeho přemístění a automatizovanou polarizací.
• Leybold Optics Helios magnetronové napařovací zařízení pro depozici Nb₂O₅/SiO₂ vrstev.
• Leybold Optics SYRUSPro 710 e-beam vypařovací stroj pro HfO₂/SiO₂ vrstvy.

Použitá metodika

Byla použita kombinace ex-situ víceúhlových měření R a T od 0° do ±85° při krocích 5°, modelování v softwaru OptiLayer a zpětná analýza dat pro určení skutečných optických konstant a fyzikálních tlouštěk vrstev. Výsledky byly porovnávány s in-situ normálně incidentními měřeními během depozice.

Hlavní výsledky a diskuse

U beam splitteru BS-AR-Suprasil dosáhla naměřená spektrální propustnost a odrazivost v okolí 45° velmi dobré shody s teoretickými křivkami (rozdíly menší než šířka spektrálního pásma měření). U čtvrtvlnných zrcadel se identifikoval posun pásma a rozšíření pásma kmitů způsobené chybou kalibrace tlouštěk i indexu lomu vrstvy HfO₂, ovlivněným porozitou a adsorpcí vlhkosti. Model byl korigován náhodnými odchylkami indexu lomu i fyzické tloušťky vrstev, což vedlo k velmi dobrému shodě s ex-situ daty.

Přínosy a praktické využití metody

• Možnost měřit R i T z jednoho bodu vzorku bez přemístění zvyšuje reprodukovatelnost a minimalizuje vliv nerovnoměrnosti povlaku.
• Víceúhlová data výrazně omezují nejednoznačnost reverse engineeringu složitých multilayer struktur.
• Automatizovaná polarizace umožňuje přesné S a P měření pro design obřízených optických prvků.
• Metoda podporuje optimalizaci depozičního procesu pomocí zpětné vazby z in-situ i ex-situ analýzy.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření víceúhlových spektrofotometrů v reálném čase pro aktivní řízení depozičních zařízení, pokročilé modelování inter-vrstvových difuzních zón a začlenění strojového učení pro rychlejší optimalizaci procesů. Uplatnění najdou i v nových materiálových systémech s funkčními nanovrstvami.

Závěr

Cary 7000 UMS prokázal vysokou spolehlivost a přesnost při QA/QC optických povlaků určených pro obličejové a kosmické optické prvky i průmyslové aplikace. Díky automatizované víceúhlové metodě se výrazně zlepšuje zpětná analýza a optimalizace depozičních procesů bez nutnosti manipulace se vzorkem.

Reference

1. A.V. Tikhonravov et al., “Optical characterisation and reverse engineering based on multiangle spectroscopy,” Appl. Opt. 51(2), 245–254 (2012).
2. T.V. Amotchkina et al., “Quality control of oblique incidence optical coatings based on normal incidence measurement data,” Optics Express 21(18), 21508–21522 (2013).
3. D. Ristau et al., “State of the art in deterministic production of optical thin films,” Proc. SPIE 7101, 71010C (2008).
4. H.E. Ehlers et al., “Adaptive manufacturing of high-precision optics based on virtual deposition and hybrid process control techniques,” Chin. Opt. Lett. 8, 62–66 (2010).
5. S.A. Furman and A.V. Tikhonravov, “Basics of Optics of Multilayer Systems,” Editions Frontieres (1992).
6. O. Stenzel et al., “Plasma ion assisted deposition of hafnium dioxide using argon and xenon as process gases,” Opt. Mater. Express 1(2), 278–292 (2011).