بخشی از مقاله
چکیده
جذب پرتو لیزر در لایه نشانی هاي چند لایه، با شدت میدان الکتریکی متناسب است. کاهش شدت میدان الکتریکی، منجر به افزایش آستانه تخریب لیزري می گردد. می توان شدت میدان الکتریکی را با تغییر طراحی لایه ها، کاهش داد. در این مقاله به بررسی اثر کاهش شدت میدان الکتریکی در بالا بردن آستانه تخریب لیزري چند لایه ها می پردازیم.
مقدمه
لایه نشانی اپتیکی براي لیزر، با توجه به سیستم لیزر باید داراي ویژگی هاي مختلفی باشد. یکی از شرط هاي معمول آن آستانه تخریب بالاست، که به فاکتورهایی از قبیل ویژگی هاي اپتیکی، مکانیکی، دمایی و ساختاري لایه نشانی بستگی دارد. اکثر این ویژگی ها تحت تأثیر فرآیند نشست است. یکی از معایب لایه نشانی براي لیزرهاي توان بالا، وجود نقاط جذب در لایه ها است. وقتی لایه هاي دي الکتریک تحت تأثیر تابش پرتو لیزري با توان
بالا قرار می گیرند، احتمال تخریب آنها بستگی به مقدار جذب انرژي فرودي دارد، که مقدار جذب نیز بستگی به توزیع دامنه میدان الکتریکی دارد. از آنجا که شدت میدان الکتریکی می تواند باعث تخریب فیلم ها توسط اثر ژول یا فرآیند یونیزاسیون شود، بنابراین میدان الکتریکی در لایه نازك باید مینیمم شود.[1] براي بالا بردن آستانه تخریب، جذب در لایه ها باید پائین باشدو شدت میدان الکتریکی مینیمم شود. چون جذب متنا سب است با n|E|2 ، بنابراین در لایه با ضریب شکست بالا، توزیع انرژي بیشتر از لایه با ضریب شکست پائین با همان دامنه میدان الکتریکی است[2]، در نتیجه لایه هایی با ضریب شکست بالا در مقایسه با لایه هایی با ضریب شکست پائین، داراي آستانه تخریب پائین تري می باشند.
طراحی لایه ها
یک آینه دي الکتریک ساده شامل 2m+1 لایه است، که به طور یک در میان از موادي با ضریب شکست بالا و ضریب شکست پائین - به ترتیبnH و - nL تشکیلهمگیشده اند، که داراي ضخامت اپتیکی یک چهارم موج می باشند، یعنی کل لایه ها 2m+1 ؛ - زیرلایه - - H L - m H - هوا - m به اندازه اي است که مقدار بازتاب لازم بدست آید. تخریب هنگامی روي می دهد که شدت میدان الکتریکی به نقطه بحرانی در ضعیف ترین نقطه می رسد.[3] مطالعات نشان داده است که یک لایه نازك SiO2 داراي آستانه تخریب بالاتري نسبت به موادي با ضریب شکست بالا مثل TiO2 و ZrO2 ، است.همچنین آزمایش ها نشان داده است که براي پالس هاي کوتاه تابشی، تخریب در چند لایه هايمیدانTiO2 وSiO2، با شدت الکتریکی در لایه هاي TiO2براي تعیین می شود.[3] بنابراین افزایش آستانه تخریب، قله میدان الکتریکی را از لایه هايTiO2 به سمت لایه هاي مقاوم ترSiO2 شیفت می دهند. بدین منظور، می توان ضخامت چند لایه بالایی را از حالت یک چهارم موج خارج نمود، بطوریکه لایه TiO2 نازك تر و لایه SiO2 ضخیم تر شود.[3] براي حل مشکل میدان الکتریکی و توزیع جذب، ابتدا میدان را در هر مرز بر حسب میدان در مرزقبلی محاسبه می کنیم. اگر میدان هاي الکتریکی و مغناطیسی بر روي زیر لایه ،Es وHs ، معلوم باشند، می توان میدان هاي الکتریکی و مغناطیسی در هر مرز را بدست آورد: [4]
و δ j 2πn j d j / λشیفت فاز در لایهj ام ، nj وd j به ترتیب ضریب شکست وضخامت هر لایه است. Y رسانایی ظاهري است که به صورت نسبت میان میدان هاي مغناطیسی والکتریکی تعریف می شود:
براي بررسی اثرتوزیع میدان الکتریکی بر آستانه تخریب لیزري،طراحی لایه هاي با بازتاب بالا در طول موج1064nm آینه لیزر Nd:YAGصورت گرفت. شکل 1 که توسط برنامه بدست آمده است، نمودار شدت میدان الکتریکی براي 13 لایه دي الکتریک یک چهارم موجTiO2 وSiO2 را نشان می دهد، که در آن بیشترین میدان الکتریکی در فصل مشترك لایه ها وهمچنین در لایه هایی که بیشتر نز دیک به مرز هوا می باشند روي می دهد.
شکل :1 نمودا شدت میدان الکتریکی براي 13 لایه TiO2 وSiO2
شکل 2، نمودار شدت میدان الکتریکی براي 15 لایهTiO2 و SiO2 را نشان می دهد، که در آن دو لایه آخرداراي ضخامت یک چهارم موج نمی باشند. یعنی SiO2 داراي ضخامتی بیشتراز یک چهارم موج و TiO2 داراي ضخامتی کمتر از یک چهارم موج است.
شکل :2 نمودا شدت میدان الکتریکی براي 15 لایهTiO2 وSiO2
همان طور که در شکل مشخص است با اضافه شدن دو لایه ، شدت میدان الکتریکی در مادة با ضریب شکست بالا که با رنگ تیره در نمودار نشان داده شده است، در مقایسه با نمودار شکل 1 کاهش یافته است.
نتایج آزمایش
لایه نشانی در خلأ 10-5Torr و در دماي 200oc توسط دستگاه لایه نشانی بالزر 760 به روش PVD1 انجام می شود. لایه نازك نشست یافته برروي زیرلایه با دماي بالا در مقایسه با زیر لایه با دماي پائین، متراکم تر است، بنابراین رطوبت به راحتی در آن نفوذ نمی کند، وچسبندگی لایه ها افزایش می یابد. زیرلایه
BK-7 با ضریب شکست n=1.5 است. استفاده از فیلم هایی که داراي ضریب شکست هایی با اختلاف زیاد می باشند، تعداد لایه هاي لازم براي رسیدن به ماکزیمم بازتاب را مینیمم می نماید. لایه اول داراي ضریب شکست بالا TiO2 با ضریب شکست 2.25 - با خلوص - 99.99%ولایه دوم با ضریب شکست پائین SiO2 n=1.46 - ،با خلوص - 99.99% و لایه سوم داراي ضریب شکست بالا یعنی TiO2 است، به همین ترتیب الگوي ضریب شکست بالا وضریب شکست پائین را تکرار میکنیم تا به بازتاب مطلوب برسیم. پس از انجام مراحل ساخت، نمونه توسط دستگاه Varian-Cary 500 مورد طیف سنجی قرار میگیرد . شکل - ٣ -
نمودار R بر حسب λ براي ١٣ لایه، که توسط طیف سنج بدست آمده است را نشان می دهد.
شکل : 3 نمودار بازتاب بر حسب طول موج براي 13 لایهTiO2 وSiO2
شکل - - 4 نمودار R بر حسب λ براي 15 لایه را نشان می دهد، که در آن دو لایه آخر با ضخامتی متفاوت از یک چهارم موج لایه نشانی شده اند.
شکل : 4 نمودار بازتاب بر حسب طول موج براي 15 لایهTiO2 وSiO2
با تغییر ضخامت دو لایه آخر از حالت استاندارد یک چهارم موج، مقاومت تخریب تا 30% نسبت به حالت مرسوم یک چهارم موج افزایش یافت.
نتیجه گیري
در لایه نشانی هاي چند لایه براي سیستم هاي لیزر با توان بالا،توزیع میدان الکتریکی داراي اهمیت زیادي است. احتمال تخریب لایه ها به مقدار جذب انرژي فرودي بستگی دارد،
