Результаты измерений оптических характеристик монокристаллов[††]

Спектральные зависимости измеренных кристаллов представлены на рисунке 4.5. Как видно из зависимостей, легированные сурьмой кристаллы имеют высокое спектральное пропускание, близкое к теоретическому; ход зависимостей для разных образцов практически совпадает (кривые 2, 3).

Рис. 4.5. Спектральные зависимости исследуемых монокристаллов германия

Результаты измерений величины направленного пропускания и измерения значений рассеяния излучения представлены в таблице 4.4.

Предварительная оценка качества материала по представленным результатам измерений (рисунок 4.5, таблица 4.4) позволяет сделать вывод, что настоящие кристаллы германия по проверенным параметрам удовлетворяют требованиям для заготовок широкого назначения элементов

оптических систем. Спектральные зависимости (характер спектра, высокое интегральное и направленное пропускание), а также низкий уровень рассеяния излучения кристаллов позволяет предварительно рекомендовать материал для любого вида использования в оптических системах: изготовление на их основе плоских изделий (защитных окон), линз для многолинзовых объективов.

Таблица 4.4. Спектральное направленное пропускание и рассеяние излучения

в монокристаллах германия

Результаты дифрактометрического и интерферометрического методов исследования существенного более подробно раскрывают оптические характеристики исследуемых образцов.

4.6, а) и 0150 х 15 мм (рис. 4.6,6). На рисунке 5.6, в приведена

интерферограмма на проход при отражении от плоского

автоколлимационного зеркала для германия 0200 х 18 мм. Характерной особенностью интерферограммы (рис. 4.6, в) является наличие мест

дислокаций волнового фронта (выделенных стрелками) - участков с разветвлениями интерференционных полос. Дислокации волнового фронта могут быть обусловлены структурными нарушениями кристаллической решетки, а также наличием в кристаллах внутренних напряжений, что связано с технологиями их изготовления [226].

Рис. 4.6. Интерферограмма для образцов германия: а - 0200 х 15 мм; б -

0150 х 15 мм; в - 0200 х 18 мм

из

Рис. 4.7. Топограмма распределения неоднородности показателя преломления германия: а) 0200 х 15 мм; неоднородность показателя преломления ∆n = l,07∙l0^⁴± 1,7-IO'⁵; б) 0150 х 15 мм; неоднородность показателя преломления An = 2,94-10 ⁴± 1,7-10^⁵; в) 0200 х 18 мм; неоднородность показателя преломления An = 5,17-1 О'⁴ ± 1,4-10'“

На рисунке 4.7 приведены топограммы распределения неоднородности показателя преломления (An) исследуемых кристаллов, которые показывают наличие существенного различия в величинах An для кристаллов разных размеров и выращенных разными методами. Все картины распределения

неоднородности показателя преломления являются несимметричными относительно центра заготовки. Такое распределение приводит к ухудшению оптических характеристик разрешения объективов (функции передачи модуляции ФПМ) по сравнению с симметричным распределением с тем же самым размахом неоднородности показателя преломления.

Комплексная оценка качества монокристаллов включала дифрактометрическую методику - измерение полихроматической функции передачи модуляции (ФПМ) эталонного объектива дифракционного качества путем установки перед эталонным объективом исследуемых образцов. Таким способом возможно прогнозирование (рекомендация) использования заготовок при создании объективов дифракционного качества. Прогноз проводили по значениям ФПМ, полученным расчетным путем по экспериментальному волновому фронту заготовок на пропускание с учетом влияния поверхностей. В качестве критерия возможности применения заготовок использовалось относительное уменьшение площади под нормированной кривой ФПМ, рассчитанной для системы безаберрационный объектив с дифракционным качеством - исследуемая заготовка по сравнению с площадью под кривой безаберрационного объектива с таким же относительным отверстием. Результаты измерения снижения ФПМ приведены на рисунке 4.8 для безаберрационного объектива и системы объектив - заготовка с фактическим волновым фронтом, прошедшим через заготовку.

Рис. 4.8. ФПМ безаберрационного объектива и системы объектив-образец:

а) 0200 х 15 мм; б) 0150 х 15 мм; в) 0200 х 18 мм

Для образца германия с геометрическими размерами 0200 x15 мм, вырезанного из монокристалла, полученного способом направленной кристаллизации, относительное уменьшение площади под кривой ФПМ системы безаберрационный объектив-заготовка по сравнению с площадью под кривой безаберрационного объектива с таким же относительным отверстием составило 14% (рисунок 4.8, а). Относительное уменьшение площади под кривой ФПМ для образца 0150 х 15 мм из кристалла германия, выращенного способом Чохральского, составило 26% (рисунок 4.8, б).

В практике создания объективов с дифракционным качеством принятое максимально допустимое снижение ФПМ из-за отступлений от требований к материалу оптических деталей, погрешностей их изготовления, сборки и юстировки составляет 25%.

Таким образом, выполненные анализ величины неоднородности показателя преломления и анализ значений снижения ФПМ при использовании исследуемых кристаллов позволяют сделать вывод о существенном различии в оптических характеристиках германия и в особенностях его возможного применения для изготовления оптических деталей. Основываясь на классификации работы [224], заготовка 0200 х 15 мм может быть использована при создании двухлинзового объектива дифракционного качества в спектральном диапазоне 3 ÷ 5 мкм, заготовка 0150 x15 мм может быть рекомендована для создания однолинзового объектива дифракционного качества, а заготовка 0200 х 18 мм не может использоваться при создании объективов в этом спектральном диапазоне. Высокое значение ∆n, наличие дислокаций волнового фронта, приводящих к скачкам фазы волнового фронта и значительному увеличению среднеквадратичной ошибки волнового фронта,

ограничивают применение данной оптической заготовки. Однако практическое применение германия часто находится в области спектра 8-12 мкм, в котором значения снижения ФПМ выражены намного меньше. Опыт показывает, что в данном спектральном диапазоне первые две заготовки могут быть использованы для изготовления линз для объективов без ограничений, а третья заготовка может применяться в качестве защитного окна ИК систем.

Результаты измерений отражают значительное различие в оптическом качестве монокристаллов, выраженное в характере и величине неоднородности показателя преломления, функции передачи модуляции, что накладывает условия на применение заготовок (например, для изготовления защитных окон, однолинзовых или многолинзовых объективов).

В крупногабаритных монокристаллах германия, выращенных разными методами, зафиксирован размах величины неоднородности показателя преломления от l,07∙10^⁴до5,17∙10^⁴ ± l,4∙10'⁵, а соответствующее снижение полихроматической функции передачи модуляции составило от 14 до 83%.

Наличие неоднородностей, снижение качества передачи изображений накладывает дополнительные требования к оптическим заготовкам: выращивание монокристаллов и изготовление на их основе оптических деталей инфракрасных систем (окон и линз) должно сопровождаться комплексом измерений для определения оптического качества материала Стандартные спектральные методы измерения пропускания, направленного пропускания и рассеяния излучения не всегда могут достоверно гарантировать хорошие оптические характеристики германия, обеспечивающие эффективную работу тепловизионных систем, связанных с приемом и передачей изображений.

Оптическая однородность германия является определяющим фактором при изготовлении приборов высокого оптического разрешения. Для определения оптической однородности материала эффективно совместное использование дифрактометрического и интерферометрического методов,

позволяющих разделить симметричные и несимметричные составляющие неоднородности и прогнозировать качество изображения проектируемых оптических систем.

Результаты исследований показали, что выявляемая структура монокристаллов на этапе изготовления заготовок для оптических деталей, а также их электрофизические характеристики не связаны в явном виде со всеми оптическими параметрами германия. Оптические параметры германия, наряду с задаваемым примесным составом, также зависят от особенностей конкретных технологических режимов метода выращивания, например, величины температурных градиентов в кристалле, скорости вытягивания или кристаллизации (для разных методов), скорости охлаждения и от применения дополнительной термобработки. В целом, получаемые в результате исследований значения оптических характеристик, знание структурного совершенства монокристаллов, известные характеристики процессов выращивания монокристаллов позволяют вносить изменения в технологический процесс и корректировать ростовую технологию.

4.4.