بخشی از مقاله
چکیده - در این پژوهش طراحی و ساخت فیلتر تداخلی نوارگذر باریک مبتنی بر روش فابری-پرو با ناحیهی انسدادی وسیع در طول موج 1071 نانومتر گزارش شده است. لایهنشانی در محفظهی خلا با فشاری از مرتبهی 10-6 میلی بار و توسط تفنگ الکترونی صورت گرفت. ضخامت لایهها به روش ضخامتسنجی اپتیکی پایش شد. به منظور ایجاد بخشی از ناحیهی انسدادی بر روی سمت دیگر بستره نیز یک فیلتر تداخلی بلندگذر طراحی و لایه نشانی شد. طیف عبور پوششها به وسیلهی یک طیفسنج دوپرتویی اندازهگیری شد. در پایان یک فیلتر نوارگذر با قلهی عبوری 95 درصد و پهنای نیم بیشینهی 22 نانومتر ساخته شد. فیلتر نهایی بعد از لایهنشانی تمامی آزمونهای محیطی مورد نیاز را طبق استانداردهای مربوطه با موفقیت پشت سر گذاشت.
-1 مقدمه
ساخت فیلترهای تداخلی نوارگذر باریک در زمرهی حساس-ترین و دشوارترین پوششهای اپتیکی میباشند. یکی از روشهای پرکاربرد در طراحی و ساخت انواع فیلترهای نوارگذر، استفاده از روش مبتنی بر سنجهی فابری-پروی لایه نازک است.[1] این فیلترها کاربردهای فراوانی در انواع سامانههای اپتیکی از جمله فاصلهیابهای لیزری کوتاه برد و بلند برد دارند.
فیلترهای نوارگذر عموماً از چهار بخش تشکیل شدهاند. بخش اول یک آینه است که توسط مجموعهای از لایههای با ضریب شکست بالا و پایین ایجاد میشود. هر کدام از لایهها دارای ضخامت اپتیکی یک چارک موج در طول موج طراحی، که همان طول موج مرکزی فیلتر نوارگذر است، میباشند. بخش دوم یک لایهی جداگر1 است که از یک یا چند جفت لایه با ضخامت اپتیکی چارک موج و با همان ضریب شکست تشکیل شده است. بنابراین این لایه دارای ضخامت اپتیکی نیم موج در طول موج نوار عبوری میباشد. بخش سوم نیز مشابه بخش اول یک آینه است.
حال اگر ترکیب آینه، جداگر و آینهی دوم را به عنوان یک حفره2 در نظر بگیریم، میتوان دو یا چند حفره را به ترتیب در کنار هم قرار داد و یک فیلتر با شیب لبهای بیشتر و ناحیهی انسدادی وسیعتر در اطراف نوار عبوری ساخت. این حفرهها باید توسط یک لایهی رابط3 از هم جدا شوند که این همان بخش چهارم است. این لایه نیز دارای ضخامت اپتیکی چارک موج است که باعث حفظ رابطهی فازی صحیح بین حفرهها میشود.[2]
-2 طراحی و ساخت فیلتر
این پژوهش در ادامهی کار قبلی [3] و با چند هدف انجام شده است. کاهش پهنای نیم بیشینهی فیلتر، افزایش ناحیه-ی انسدادی، افزایش تکرارپذیری فرآیند و بهبود ویژگیهای پایداری محیطی فیلتر از جملهی مهمترین اهداف بودند. هدف طراحی و ساخت یک فیلتر نوارگذر باریک در طول موج 1071 نانومتر، قلهی عبوری بیشینه، پهنای نیم بیشینهی کمینه، ناحیهی انسدادی 300 تا 1300 نانومتر و بازتاب بالا در ناحیهی انسدادی میباشد.
بعد از طراحی و بهینهسازیهای مکرر نهایتاً فیلتر نوارگذر را بصورت دوحفرهای طراحی کردیم. برای افزایش ناحیهی انسدادی و کاهش پهنای فیلتر، طراحی را بگونهای انجام دادیم که یکی از حفرهها مادهی با ضریب شکست بالا و دیگری مادهی با ضریب شکست پایین باشد. علاوه بر این، تعداد لایهها و همچنین تعداد چارک موجهای یکی از حفره-ها را افزایش دادیم که منجر به کاهش هر چه بیشتر پهنا و وسیعتر شدن ناحیهی انسدادی شد.
1؛-2 انتخاب مواد و بستره
برای طراحی مجموعه در گام اول نیاز به دو مادهی با ضریب شکست بالا و پایین داشتیم. برای گزینش مواد باید به ویژگیهایی همچون وجود حداکثر اختلاف ضریب شکست بین دو ماده، شفافیت در طول موج ناحیهی عبوری، چسبندگی مناسب دو ماده به یکدیگر و به بستره و داشتن شرایط پایداری محیطی قابل قبول توجه کرد. علاوه بر شرایط فوق، توجه به حساسیت مواد به شرایط انباشت و قابلیت تکرارپذیری آن نیز از نکاتی است که در مرحلهی ساخت بسیار مهم هستند. با احتساب این شرایط و با توجه به تجربیات و مقالات موجود که در این زمینه وجود داشت، از دو مادهی سیلیکا و تیتانیا به ترتیب به عنوان مواد با ضریب شکست بالا و پایین استفاده کردیم.
گام بعدی در مرحلهی طراحی انتخاب بسترهی مناسب بود. در این مرحله با توجه به ناحیهی انسدادی وسیعی که نیاز داشتم، بعد از بررسیهایی که انجام دادیم بسترهی جذبی RG850 شرکت Schott را انتخاب کردیم. این بستره گستره-ی طول موجی فرابنفش تا حدود 800 نانومتر را جذب می-کند و طول موجهای بلندتر از 900 نانومتر را از خود عبور میدهد.
شکل 1 نمودار حاصل از طراحی فیلتر نوارگذر باریک را بر روی دو بسترهی BK7 و RG850 نشان میدهد. همانطور که مشخص است به کمک بسترهی جذبی توانستهایم عبور فیلتر تا طول موج 800 نانومتر را حذف کنیم. علت افت قلهی عبوری فیلتر بر روی بسترهی RG850 این است که بستره-های جذبی در ناحیهی عبوری خود نیز دارای کمی جذب هستند.
واضح است با طراحی بر روی بسترهی جذبی، هنوز هم در بازهی 800 تا 920 نانومتر دارای عبور هستیم. برای حذف این ناحیه ما نیاز به طراحی یک فیلتر بلندگذر داریم که در ناحیهی 800 تا 920 نانومتر دارای عبور کمینه و در ناحیهی نوار عبوری فیلتر نوارگذر دارای عبور بیشینه باشد. از آنجا که طراحی و ساخت فیلتر بلندگذر موضوع این پژوهش نمیباشد، از بیان جزئیات پرهیز میکنیم . این فیلتر باید بر روی سمت دوم بسترهی جذبی لایهنشانی شود. برای نمایش بهتر، طیف حاصل از طراحی فیلتر بلندگذر بر روی BK7 و نتیجهی نهایی حاصل از طراحی دو فیلتر نوارگذر و بلندگذر بر روی بسترهی جذبی به ترتیب در شکلهای 2 و 3 نمایش داده شده است.
2؛-2 پیادهسازی و شبیهسازی طرح
پس از نهایی کردن طرح و بهینهسازیهای مکرر، گام بعدی پیادهسازی و شبیهسازی طیفی فیلتر نوارگذر بر روی نرم افزار سیستم پایشگر اپتیکی است. این مرحله یکی از حساسترین مراحل است. چرا که تعیین صحیح الگوریتم قطع لایهها، تخصیص پارامترهای بهینه برای پایش لایهها، افزایش حداکثری نسبت سیگنال به نویز و کمینه کردن خطاها برای دستیابی به بهترین نتیجه بسیار حیاتی میباشد.
با استفاده از این نرم افزار و تنظیم پارامترهای ورودی این امکان وجود دارد که فرآیند اصلی را قبل از اجرای واقعی بارها شبیهسازی کرده و خطای موجود در هر لایه و تاثیر مجموع این خطاها را بر روی کل فرآیند، مشاهده کنیم. به بیان دیگر ما میتوانیم تاثیر این پارامترها را بر روی طیف شبیهسازی شده مشاهده کنیم و بهینهسازی را تا جایی ادامه میدهیم که بیشترین تطابق بین طیف طراحی و شبیهسازی برقرار شود. بکارگیری سیستم پایشگر اپتیکی در فرآیند لایهنشانی، دقت و تکرار پذیری ساخت فیلتر را بسیار افزایش میدهد و به کاربر این امکان را میدهد تا خطاهای اتفاقی را تا حدود زیادی در لایههای بعدی جبران نماید. لازم به ذکر است که بسیاری از بهینهسازیها پس از اجرای واقعی فرآیند نیاز میشود.
3؛-2 نتایج تجربی
بعد از اتمام مراحل طراحی و شبیهسازی، گام اول برای لایه-نشانی هر مجموعه لایه نازک اپتیکی، لایه نشانی تک لایه-هایی از همان مواد میباشد. این مرحله از کار به منظور استخراج و بهینهسازی شرایط انباشت مواد همچون دما، فشار جزئی اکسیژن و نرخ لایهنشانی و همچنین بررسی پارامترهایی نظیر چسبندگی، تنش و جذب اپتیکی ضروری میباشد.
بعد از این مرحله لایه نشانی طرح اصلی را آغاز کردیم. لایه-نشانی به روش تبخیر فیزیکی در محفظهی خلأ و در حضور فشار جزئی اکسیژن، توسط تفنگ الکترونی انجام پذیرفت. پیش از لایهنشانی، بستره به کمک امواج فراصوت شسته شد و بلافاصله قبل از لایهنشانی به منظور حذف کامل آلودگیها، در محفظهی خلأ در برابر بمباران یونی قرار گرفت. فشار پایهی محفظهی لایهنشانی 5×10-6 میلی بار بود.
