«Проектирование систем пленок для многоспектральных широкополосных окон: поиск баланса между повышением пропускания, защитой и совместимостью» 

Все, кто занимается изготовлением окон для оптоэлектронных подвесных модулей, знают по собственному опыту: заказчик часто формулирует технические требования одной фразой: «Полная прозрачность в видимом и длинноволновом инфракрасном диапазонах, возможность работы с лазером, устойчивость к солевому туману и песчаной эрозии, а также сохранение целостности пленки в течение двадцати лет».
Сказать это легко, но при проектировании пленочной системы каждая часть этой фразы противоречит другой.
За последние годы мы получили не менее десятка подобных заказов, и, честно говоря, ни разу не удалось выполнить «все требования». Чаще всего приходилось искать компромисс среди множества ограничивающих условий — этот компромисс, возможно, не является оптимальным решением, но зато самым надежным. Ниже мы собрали некоторые пути, по которым мы шли при проектировании пленочных систем, и некоторые ошибки, которые мы допустили, для справки коллегам.

I. Только после определения подложки появляется отправная точка для проектирования системы пленок
Система пленок не проектируется на пустом месте. Показатель преломления, коэффициент теплового расширения, химическая стойкость и твердость поверхности материала подложки — каждый из этих параметров напрямую определяет, какие пленки можно использовать, а какие — нет.
Сапфир обладает высокой твердостью и хорошей теплопроводностью, но его показатель преломления в инфракрасном диапазоне не так уж низок, поэтому для обеспечения низкого уровня отражения в широком диапазоне частот количество слоев в системе пленок не может быть уменьшено. У шпинеля диапазон пропускания в мультиспектральном режиме шире, но распределение внутренних напряжений в самой подложке менее стабильно, чем у сапфира, поэтому при проектировании системы покрытий необходимо предусматривать больший запас прочности. Сульфид цинка демонстрирует хорошие характеристики в длинноволновом инфракрасном диапазоне, но он слишком мягкий, и при нанесении твёрдого защитного покрытия возникает серьезная проблема несовпадения теплового расширения.
При разработке проекта мы в первую очередь не запускаем программное обеспечение для нанесения покрытий, а тщательно анализируем предоставленный заказчиком полный набор условий эксплуатации — диапазон температур, скорость движения, концентрацию абразива, pH и цикличность солевого тумана, плотность мощности лазера и ширину импульса. Затем, исходя из этих условий, мы просматриваем все возможные комбинации подложек и материалов для покрытий и исключаем те, которые «теоретически возможны, но практически реализовать очень сложно».
Проще говоря, проектирование системы покрытий начинается уже на этапе выбора подложки.

II. Технические ограничения широкополосного антибликового покрытия
Теоретически широкополосное антибликовое покрытие представляет собой не что иное, как наслоение нескольких слоев, позволяющее снизить коэффициент отражения за счет интерференции. Однако при реальной установке на линию нанесения покрытий возникает множество проблем.
Первая проблема — общее количество слоёв. Диапазон от видимого излучения до длинноволнового инфракрасного превышает 10 микрометров, и обычно наносится более десяти, а то и более двадцати слоёв. С увеличением количества слоёв растёт накопленное в пленке напряжение. По результатам наших измерений, на одной и той же подложке напряжение в пленке из более чем десяти слоёв может в несколько раз превышать напряжение в пленке из нескольких слоёв. При высоких напряжениях пленка либо растрескивается, либо отслаивается, либо отрывается от подложки после циклов термических нагрузок. Поэтому при проектировании мы установили для себя внутреннее ограничение: при соблюдении основных оптических характеристик количество слоев должно быть минимальным. Каждый дополнительный слой снижает надёжность.
Вторая проблема — выбор материалов для покрытия. Для широкополосного нанесения покрытий обычно используется всего несколько комбинаций материалов с высоким и низким показателем преломления. Сульфид цинка/фторид иербия, селенид цинка/фторид тория (в настоящее время практически не используется), а также некоторые комбинации оксидов и фторидов. У каждой комбинации есть свои «слабые места» — например, фториды мягкие и чувствительны к влаге; сульфиды и селениды легко окисляются при высоких температурах. По нашему опыту, в длинноволновом инфракрасном диапазоне от фторидов не обойтись, но необходимо обеспечить надлежащую защиту от влаги. Как это сделать? Либо нанести на слой фторида ещё один плотный защитный слой, либо при проектировании системы покрытий предусмотреть смешанную структуру — сменить материал на границе диапазонов: в первой половине использовать оксиды, во второй — фториды, чтобы каждый из них работал в своём диапазоне.
Третья проблема заключается в том, что фактически нанесенное покрытие отличается от расчетного. Кривые, полученные с помощью программного обеспечения для проектирования пленочных систем, выглядят очень красиво, а коэффициент отражения указывается с точностью до двух знаков после запятой. Однако при нанесении на оборудовании возникают погрешности в контроле толщины пленки, колебания температуры подложки и изменения скорости испарения, в результате чего фактические кривые всегда отличаются от расчетных. Наш подход заключается в том, чтобы проводить анализ допусков еще на этапе проектирования системы пленок, ориентируясь не только на идеальную кривую, но и на распределение кривых в пределах отклонения толщины пленки ±3%. Если расчетная кривая идеальна, но анализ допусков не проходит, мы не используем данный вариант системы пленок.

Приведу конкретный пример. В прошлом году мы изготовили широкополосное окно с диапазоном 0,8–12 микрометров. При проектировании мы многократно оптимизировали параметры в программном обеспечении, и кривая получилась очень красивой. Однако после выхода первой партии измеренная пропускаемость в диапазоне 8–10 микрон значительно снизилась; проверка показала, что толщина нескольких слоев, соответствующих этому диапазону, была неточно контролирована. Впоследствии мы скорректировали контрольную длину волны и скорость осаждения, добавили поправочный коэффициент, и только во второй партии удалось восстановить показатели. Подобные ситуации привили нам привычку: первые три партии любой новой системы пленок мы рассматриваем как этап отработки технологического процесса и не учитываем их в сроках поставки.

3. Защитная пленка: твёрдость увеличивается, инфракрасный уменьшается
Внешний слой широкополосных окон обычно представляет собой твёрдую защитную плёнку. Эта мембрана разработана так, чтобы выдерживать эрозию песка, дождь и царапины.
Проблема в том, что выбор материалов для защитных пленок очень узкий. Алмазовоподобная углеродная пленка (DLC) в настоящее время является лучшим выбором для общей производительности — твёрдость может превышать 2000 Vickers, низкий коэффициент трения и хорошая химическая устойчивость. Но у DLC есть фатальная слабость: он поглощает в инфракрасном диапазоне, особенно в длинноволновом инфракрасном диапазоне, с значительным коэффициентом поглощения.
Мы тестировали мембраны DLC с разными процессами, и скорость поглощения в диапазонах 8-12 микрон варьируется от низких однозначных до более чем нескольких десятков процентных пунктов. Чем толще броня, тем сильнее поглощение; Но броня тонкая, а защитный эффект недостаточен. Это типичная проблема «одна сторона поднимается, а другая выигрывает».
Наше решение — решать это по сценарию.
В ситуациях, когда требования к травлению песка не строгие, но пропускная способность чрезвычайно высока, мы делаем пленку DLC тоньше, жертвуя частью её срока службы ради оптической характеристики. Для сценариев с чрезвычайно длинными сроками полёта или крайне суровыми условиями полёта мы были честны с клиентом на этапе проектирования: чтобы выдержать окружающую среду, на сколько процентных пунктов снизится пропускная способность длинных волн в инфракрасном диапазоне? Была ли эта стоимость приемлемой?
Есть ещё технический вариант, который мы пробовали. Вместо однослойного DLC используются многослойные градиентные плёнки — нижний слой является переходным слоем, прикреплённым к основанию, средний — функциональным слоем с возрастающей твёрдостью, а внешний — чистым DLC. Это предотвращает концентрацию напряжения на одном интерфейсе, что приводит к лучшей общей прочности и сцеплению пленки. Предварительные данные тестов на эрозию песка показывают, что срок службы градиентных мембран одинаковой толщины примерно на треть длиннее, чем у однослойных DLC. Эта часть работы всё ещё продолжается; как только будут результаты, я напишу отдельную статью для обсуждения.

4. Особая обработка лазерного канала
В мультиспектральном окне обычно приходится интегрировать один лазерный канал на 1064 нм, который используется для лазерного дальномера или указания целей. Требования к этому каналу сильно отличаются от требований к широкополосному инфракрасному диапазону.
Инфракрасные антиотражающие покрытия стремятся к низкому коэффициенту отражения на широком спектре, а лазерный канал требует высокой прозрачности в одной точке и высокой пороговой мощности повреждения. Еще сложнее то, что обе эти задачи используют одно окно, и покрытие должно удовлетворять оба требования.
Реальная проблема, с которой мы столкнулись, в том, что некоторые материалы покрытий хорошо работают в инфракрасном диапазоне, но имеют значительный коэффициент поглощения на 1064 нм, и лазер может перегреть их. И наоборот, материалы, подходящие для высокой пороговой мощности на 1064 нм, обычно не дают хорошего широкополосного антиотражающего эффекта в инфракрасном диапазоне.
Наш подход — сделать локальное разделение области для лазерного канала. Например, в центральной части окна специально проектируется зона для лазера, с покрытием, отличающимся от покрытия вокруг инфракрасной зоны изображений. Разделенное напыление покрытий технологически сложно — точность маски, обработка переходных зон, контроль толщины слоев — но это наиболее надежное инженерное решение, которое мы нашли.
Для проектов без разделения зон мы как минимум делаем одно: реально измеряем порог лазерного повреждения окна на 1064 нм с помощью метода R-on-1, чтобы определить запас безопасности. Когда заказчик получает эти данные, проектирование системы становится понятным — до какой мощности можно включать лазер, и на какой длительности импульса можно работать.

5. Испытания окружающей среды — это не формальность
Многие покрытия выглядят красиво сразу после нанесения: высокий коэффициент пропускания, чистый слой, вроде всё в порядке. Но как только начинаются испытания окружающей среды, все потенциальные проблемы проявляются.
Испытание на влажность и тепло — это настоящий «детектор лжи» для фтористых покрытий. Коррозионный туман выявляет любые неплотности уплотнений и микропоры в слое. Циклы высокой и низкой температуры проверяют адгезию покрытия к основе и соответствие напряжений. Испытание на абразивное воздействие наглядно показывает, насколько хорошо нанесено DLC-покрытие.
Наша практика такова: для каждого нового окна мы не ограничиваемся выбором «пройдено/не пройдено» в испытаниях, а анализируем тенденцию деградации. В тесте на влажность и тепло каждые 48 часов измеряем коэффициент пропускания и строим кривую; при циклах высоких и низких температур каждые 50 циклов берем партию образцов и проверяем адгезию покрытия. Таким образом, мы получаем не просто «составленное заключение о качестве», а количественную кривую деградации покрытия с течением времени. Эта кривая для заказчика ценнее, чем обычное «сертификат соответствия».