Optomechatronika II. Vékonyrétegek - bevonatok Dr. Kovács Gábor BME Mechatronika Optika és Gépészeti Informatika Tanszék http://www.mogi.bme.hu

Optikai bevonatok Optikai tulajdonságok módosítása Transzmisszió növelése Reflexió növelése Polarizációs tulajdonságok módosítása Diffúz reflexió, transzmisszió Szilárdság (karcállóság) növelése Környezeti hatások (nedvesség, savak) kivédése Gyártástechnológia Galvanizálás Diffúziós festés Porlasztás Vákuum gőzölés

Fémrétegek Fémes visszaverődés Kis behatolási mélység Nagy reflexió Komplex törésmutató n=n(1-ik) k:abszorpciós együttható Polarizációs hatások Ibe=IR+IT+IA a réteg vastagságával a reflexió nő, az áteresztés csökken Féligáteresztő tükrök %-os tükrök nyalábosztók

Nyalábosztók Egyszerű nyalábosztó Nyalábosztó kocka Többszörös reflexiók Polarizációs hatások Nyalábosztó kocka Kiegyenlített optikai úthosszak Pontosabb gyártás és szerelés „Polka dot” nyalábosztók

Többsugaras interferencia sE0 Fabry-Pérot interferométer Két nagypontosságú sík felület Egymástól t távolságra, párhuzamosra állítva A felületeken nagy reflexiójú réteg található Tekintsük az első felületet elérő hullámfrontot: A beeső hullám amplitúdója E0 A visszavert hullám amplitúdója rE0 Az áteresztett hullám amplitúdója: sE0 Az abszorpciót elhanyagoljuk: s2+r2=1 A beeső hullám többszörös visszaverődést szenved rE0 E1=s2E0 rsE0 E2=s2r2E0 r2sE0 r3sE0 r4sE0 E3=s2r4E0 r2n-2sE0 En=s2r2n-2E0

Az egyes hullám komponensek fázisai t Két egymás utáni komponens útkülönbsége: D=2l-p l = t / cosQ p = 2 d sinQ =2(t tgQ )sinQ D=2t cosQ A fáziskülönbség: d= 2pD/l = (2p/l ) 2t cosQ Az eredő amplitúdó: ET=E1+E2+E3+…+En= ET=s2E0(1 + r2e-id+ r4e-i2d+…+r2n-2e-i(n-1)d) Az 1/(1-x) = 1+x+x2+… sorfejtéssel: ET=s2E0 / (1- r2e-id) E1=s2E0 p l d q l rsE0

Az áteresztett intenzitás Az intenzitás az amplitúdó alapján: IT=(ET ET*)/2 = s4E02/2/(1+ r4 - 2r2cosd) Behelyettesítve: I0=E02/2 R=r2, T=s4 valamint R=1-T Az intenzitás:

Vékonyrétegek „Vékony” réteg Alkalmazások Vastagsága a fény hullámhossz nagyságrendjébe esik Határfelületei párhuzamosak (konstans vastagság) Hordozóra leválasztott egy vagy több különálló felület Alkalmazások Optikai vékonyrétegek Mikroelektronika (vezetők, szigetelők, diffúzós gátak, mágneses területek stb.) Speciális szenzorok Felületkikészítés (korrózióvédelem, szilárdság, kopásállóság)

Reflexió az optikai felületeken Egy dielektrikum felületén a visszaverődés a törésmutató különbség függvénye (merőleges beesés esetén): Az amplitúdóra: r=(n0-n1)/(n0+n1) Az intenzitásra: R=r2 BK7 üveg esetén: n=1.5168 R=4.2 % felületenként! Szilícium esetén: n=3.5 R=31 % felületenként! Alkalmazzuk a Fabry-Perot interferométernél alkalmazott technikát az áteresztés módosítására

Visszaverődés két felületen s1E0 E1=s1s2E0 r2s12E0 E2=s1s2r1r2E0 t r1E0 E0 E2=s1s2r12r22E0 r1r22s12E0 Két felület : Távolságuk: t A törésmutatók: n0, n1, n2 r1=-(n0-n1)/(n0+n1) r2=(n1-n2)/(n1+n2) A fáziseltolódás d=(2pn1/l) 2 t cosQ Az eredő amplitúdó: ET=E1+E2+E3+…+En= ET=s1s2E0(1+r1r2e-id+…+(r1r2) n-1e-i(n-1)d) Az 1/(1-x) = 1+x+x2+… sorfejtéssel: ET=s1s2E0 / (1- r1r2 e-id)

Az áteresztett intenzitás Az intenzitás az amplitúdó alapján: IT=(ET ET*)/2 Behelyettesítve: I0=E02/2 Az intenzitás: Ha nincs elnyelés A reflexióképesség R=1-T Ahol T= IT/I0 Hogyan lehet 0 reflexiót elérni? Ha cos d = -1 R = (r1+r2 )2 / (1+r1r2 )2

Negyedhullám rétegek A cos d akkor -1 ha n1t = l /4 (negyed hullámhossznyi) Ekkor a teljes reflexió: A reflexió akkor 0: Ha n1=(n0n2)1/2 mértani közép! MgF2 n=1.384