بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله چگونگی طراحی و ساخت فیلتر Induced Transmission مورد بررسی قرار گرفت. این طراحی ها شامل چند لایه دي الکتریک از مواد SiO2،MgF2، ZrO2و TiO2همراه با یک یا دو لایه فلز نقره می باشد. نتایج تجربی به دست آمده از لایه نشانی یکی از این طراحی ها موید ساخت فیلتري با عبور 40 درصد در طول موج 532 نانومتر می باشد.
-1 مقدمه
امروزه فیلترهاي تداخلی Narrow Band به طور وسیعی در ابزارهاي اپتیکی از قبیل تلسکوپ ها، ابزار پزشکی و ضخامت سنج هاي اپتیکی به کار می روند. این نوع فیلترها از عبور بالایی در یک طول موج مشخص برخوردارند و در بقیه نقاط طیف، عبور بسیار پایینی دارند. همچنین داراي نیم پهناي باند - FWHM - مشخصی می باشند. بیشترین میزان عبور در این فیلترها توسط فیلم هاي تداخلی دي الکتریک غیر جاذب ایجاد می شود . پهن کردن باند عبوري نیز با افزایش تعداد لایه ها حاصل می شود که انجام این کار از لحاظ تکنیکی بسیار مشکل می باشد. یکی از روش هاي حل این مشکل به کار بردن یک لایه فلزي و ایجاد فیلتري با تراگسیلی القایی - Induced Transmission - می باشد.
تراگسیلی القایی می تواند به صورت کاهش جذب لایه فلزي تعریف شود که این به دلیل قرار گرفتن آن در منحنی الگوي موج ایستاده در رزوناتور فابري پرو و افزایش پاشندگی می باشد.
-2 تئوري و آزمایش
براي طراحی فیلتر Induced Transmission به روش زیر عمل می کنیم. ابتدا ثابت هاي اپتیکی لایه فلزي در طول موج مربوطه را به دست می آوریم. به این صورت که لایه فلزي را با ضریب شکست مختلط n −ik در نظر می گیریم. سپس αو β را به صورت زیر تعریف می نماییم.
در ادامه ضخامت لایه فلزي را انتخاب کرده و ادمیتانس لایه هاي هماهنگ کننده بین لایه فلزي و زیر لایه و محیط فرودي را به دست می آوریم. سپس مجموعه لایه هاي دي الکتریکی که این ادمیتانس ها را می سازند، طراحی می کنیم. اگر ادمیتانس مورد نظر را به صورت Y=X+iZ در نظر بگیریم، مقادیر X و Z از روابط زیر به دست می آیند:
n f در اینجا می تواند ماده اي با ضریب شکست کم یا زیاد nH , nL باشد.اکنون بر اساس توضیحات بالا کار طراحی را براي طول موج 532 نانومتر بر روي زیر لایه شیشه - BK7 - انجام می دهیم . در شروع کار از دو ماده TiO2 و MgF2 به عنوان موادي با ضرایب شکست زیاد و کم - nH , n L استفاده کرده و طراحی را به
صورت Glass - HL - ^2HL′AgL′ - HL - ^2H Air انجام می دهیم .
این طراحی توسط نرم افزار Essential Macleod انجام گرفت. این طراحی شامل 12 لایه دي الکتریک همراه با یک لایه نقره - Ag - می باشد.H و L لایه هاي ربع موج از مواد TiO2 و MgF2 در طول موج 532 نانومتر می باشند و L′ لایه هماهنگ کننده از جنس MgF2 می باشد. ضخامت لایه نقره 72 نانومتر و ضخامت لایه هاي تناوبی TiO2 و MgF2 به ترتیب 57 و 96 نانومتر می باشند. همچنین ضخامت لایه هاي MgF2 هماهنگ کننده 169 نانومتر می باشد. همان طور که از شکل پیداست میزان عبور در طول موج 532 نانومتر به % 54 می رسد.
در طراحی دوم از مواد ZrO2 و SiO2 که اختلاف ضریب شکست کمتري نسبت به حالت قبلی دارند استفاده می کنیم. ضخامت لایه هاي تناوبی ZrO2 و SiO2 را به ترتیب برابر 66 و 90 نانومتر انتخاب می کنیم. ضخامت لایه هماهنگ کننده SiO2 هم 160 نانومتر انتخاب شده است.
شکل -1 منحنی عبور طراحی 13 لایه اي از مواد TiO2 و MgF2
فرمول قرار گیري لایه ها مشابه حالت قبلی است.مشاهده می شود که بازتاب تا
67 % بالا می رود ولی بازتاب آشکاري تا حد % 10 هم در طول موج 400 نانومتر داریم.
شکل-2 نمودار عبور طراحی 13 لایه اي از مواد ZrO2 وSiO2
اکنون سه طراحی انجام شده را مورد مقایسه قرار می دهیم.
همانطور که در شکل 4 ملاحظه می شود، طراحی دوم از میزان عبور بالاتري نسبت به طراحی هاي 1و 3 برخوردار است . نیم پهناي باند این طراحی 23 نانومتر می باشد. طراحی 3 با دو لایه فلز از عبور کمتر و نیم پهناي باند بیشتري نسبت به طراحی 2 برخوردار است - در حد 26/5 نانومتر - . همچنین منحنی عبور تیز نیست و در 550 نانومتر هم قله کوچکی داریم. در بین این سه طراحی، منحنی 1 - طراحی - 1 با وجود اینکه از عبور پایین تري برخوردار است ولی نیم پهناي باند کمتري - در حد 14/5 نانومتر - نیز دارد و به حالت Narrow Band نزدیک تر است.
شکل -4 مقایسه طراحی هاي انجام شده براي ساخت فیلتر 532 نانومتر
در طراحی سوم از دو لایه نقره با ضخامت هاي یکسان 50 نانومتر استفاده گردید . طراحی لایه ها به صورت Glass - HL - ^2HL′AgL′′AgL′ - HL - ^2H Air می باشد.در اینجا ضخامت L′′ دو برابر ضخامت لایه هماهنگ کننده می باشد. همچنین ضخامت لایه هايZrO2 و SiO2 ، 67 و 91 نانومتر انتخاب شد.
شکل-3 طیف عبوري ناشی از به کار بردن دو لایه نقره در طراحی گونه که از شکل پیداست میزان بازتاب به 62% می رسد، البته بازتابی در حد 3/5% در طول موج 1071 نانومتر نیز داریم.
با توجه به مطالب گفته شده در ادامه کار طراحی اول را به صورت تجربی مورد بررسی قرار می دهیم. این لایه نشانی در دستگاه Balzers BAK760 انجام شد. روش لایه نشانی PVD با استفاده از E-gun - تفنگ الکترونی - می باشد Rate لایه نشانی مواد TiO2و MgF2 به ترتیب 0/1 nm/s و 0/5 در نظر گرفته شد. ضخامت لایه ها نیز توسط ضخامت سنج کریستال کوارتز کنترل شد. فشار در حین لایه نشانی در حدف 1.5 ×10−5 torr بود.
بعد از انجام لایه نشانی طیف عبور مربوطه توسط اسپکتروفتومتر مدل Cary 500 گرفته شد. نتیجه را در شکل 5 ملاحظه می کنید.میزان عبور این فیلتر در 532 نانومتر 40% می باشد که نسبت به حالت تئوري کاهش یافته، همچنین FWHM آن نیز در حد20 نانومتر می باشد. از آنجایی که در پروسه تجربی کار یعنی انجام لایه نشانی، پارامترهاي لایه نشانی از قبیل فشار خلا و دماي زیر لایه، در Packing Density و در نتیجه ضریب شکست مواد لایه نشانی شده تاثیر گذاشته و آن را نسبت به حالت تئوري تغییر می دهند
