بخشی از مقاله
چکیده-
با در نظر گرفتن نظریه ي پالایه هاي تراگسیل القایی براي پوششهاي فلز- دي الکتریک، می توان به یک قله ي تراگسیل بسیار بلند در یک تک طول موج دست یافت. در این مقاله با استفاده از رهیافت فوق و با استفاده از مواد جدید، ابتدا تک لایه هاي چارك موجی تمام دي الکتریک در طول موج 808 نانومتر طراحی و ساخته شدند. پس از بهینه سازي شرایط انباشت و محاسبه ي تعداد لایه ها و ضخامت لایه ي جور کننده، مجموعه ي برایند طراحی شد. سر انجام با بهینه سازي اپتیکی ضخامت لایه ها، پالایه ي نوار گذر باریک با پهناي عبور 25 نانومترو قله ي تراگسیل حدود %75 با باند قطع وسیع ساخته شد.
-1 مقدمه
پالایه هاي تراگسیلی نوار گذر براي بسیاري از کاربردها مورد نیازند و دانش لایه هاي نازك سالهاست که در جهت گسترش صنعت پالایه هاي تراگسیلی به کار رفته است.
پالایه هاي فابري پرو با دو سطح بازتابگر، که توسط یک جداساز از یکدیگر جدا شده اند، یک مثال کاربردي از این نوع است. به کارگیري پالایه هاي یک یا چند حفره اي اجازه دسترسی به باند گذار مناسب و بهینه را به ما می دهد.
پالایه هاي فابري پروي تمام دي الکتریک، در مقایسه با نوع فلز دي الکتریک، اصلاحاتی در پهناي باند عبور و قله ي تراگسیل ایجاد می کنند، ولی این نوع از پالایه ها باند قطع بسیار محدودي در خارج از ناحیه تراگسیل دارند2]و.[1 در واقع تابش در طرفین باند گذار بازتاب می شود ولی اندکی دورتر از قله ي تراگسیل، باندهاي گذار دوباره ظاهر می شوند. پالایه هاي تراگسیل القایی می توانند هنگامی که به پالایه هاي تراگسیل نوار گذر متغیر نیاز داریم، - مانند طیف سنج هاي با اندازه ي کوچک - [4] خصوصاًو وقتی که یک گستره ي عملکرد وسیع - 400-1000 nm - مورد نظر است، مفید باشند.
اگر لازم باشد که در طول سطح لایه ي پوشیده شده، باند گذار تغییر کند، ضخامت لایه می بایست تغییر کند، بنابر این بهتر است که حتی الامکان تعداد لایه هاي پوشیده شده را کاهش دهیم. یک پوشش فلز دي الکتریک که با حدود بیست لایه نشانی قابل دستیابی است قادر است یک باند تراگسیل باریک با باند قطع وسیعی را به طور موفقیت آمیزي تولید کند. چنین پالایه اي داراي طول موج مرکزي با قله ي تراگسیل بالاتر از %75 و پهناي گذار بسیار باریک - 25nm - است.
-2 طرح اصلی
تکنیک طراحی پالایه هاي فلز- دي الکتریک بیش از پنجاه سال پیش با معرفی مفهوم پتانسیل تراگسیل ابداع شد
پتانسیل تراگسیل یک لایه میزان بیشینه تراگسیل آن لایه را هنگامی که بازتاب سطح جلویی به صفر می رسد، نشان می دهد.[1] اگر یک لایه ي فلزي با ضخامت خاص در نظر گرفته شود، بیشینه تراگسیل القایی آن با اضافه کردن یک پوشش دي الکتریک روي سطح آن که بازتاب سطح را به صفر می رساند، بدست می آید. تراگسیل تنها توسط جذب فلز محدود می شود و با افزایش ضخامت فلز کاهش می یابد.
هنگامی که ضخامت لایه ي فلزي انتخاب شد، آرایشی از لایه هاي نازك دي الکتریک که بهترین تطابق را هم با بستره و هم با محیط ایجاد می کند، باید محاسبه شود. این تطابق در گستره ي کوچکی از طول موجها کارآیی دارد. پالایه هایی که به این روش طراحی می شوند به پالایه هاي تراگسیل القایی معروفند.
تراگسیل یک پالایه ي تراگسیل القایی نوعی با یک لایه 50 نانومتري از فلز نقره که توسط دو مجموعه 8 لایه- اي دي الکتریک در طرفین، با بستره و محیط تطابق پیدا کرده است - در مجموع 17 لایه - ، در شکل -1 - الف - نشان داده شده است. در این طراحی هیچ گونه جذب و پاشندگی براي لایه ها در نظر گرفته نشده است. اگر پاشندگی ضریب شکست اندازه گیري شده، در همه لایه ها در نظر گرفته شود و سپس تطابق مجموعه دوباره محاسبه شود، آنگاه عملکرد پالایه به صورت آنچه در شکل - –1 ب - نشان داده شده است خواهد شد. در این طرح جدید تعداد لایه ها براي بهینه شدن تراگسیل و باند قطع به 21 لایه افزایش پیدا کرده است. ضخامت فلز در 50 نانومتر ثابت نگه داشته شده است.
شکل :1 عملکرد اپتیکی یک پالایه ي تراگسیلی القایی الف -
پالایه 17 لایه اي بدون در نظر گرفتن پاشندگی ب - پالایه 21 لایه اي با در نظر گرفتن پاشندگی ضریب شکست مواد فلزي و دي الکتریک.
در این پالایه انتخاب فلز بستگی به گستره ي طول موجی مورد علاقه دارد و هر چه نسبت - k/n بخش موهومی ضریب شکست به بخش حقیقی آن - بزرگتر باشد کارآیی آن بهتر است.[3] از این رو نقره بهترین انتخاب براي ناحیه ي مرئی و به ویژه فروسرخ نزدیک است. براي کاهش پهناي عبور، لایه ي فلزي ضخیم تري باید استفاده کرد و یا از بیش از یک لایه ي فلزي، باید بهره گرفت. در مورد اول کارآیی سیستم شبیه شکل - -2الف - است، در مورد دوم - دو لایه نقره - باند قطع چنانچه در شکل - -2 ب - نشان داده شده است، بهبود می یابد ولی یک انحراف در سمت طول موجهاي بلند ایجاد می شود.
شکل :2 پالایه هاي تراگسیل القایی الف - پالایه 21 لایه اي با یک لایه ي نقره 60 نانومتري ب - پالایه 19 لایه اي با دو لایه ي نقره ي 40 نانومتري افزایش بیشتر لایه هاي فلزي بیشینه عبور - حاصلضرب تراگسیل تک تک لایه ها - را کاهش می دهد و شکل باند عبور نیز تحت تأثیر قرار گرفته و بدتر می شود.
در این پژوهش از دي اکسید هافنیوم - - nH =1/95 و اکسید سیلیسیوم - - nL =1/45 به ترتیب به عنوان مواد دي الکتریک با ضریب شکست بالا و پایین استفاده شده است. برتري اصلی این مواد که تاکنون در ساخت پالایه هاي نوارگذر فلز دي الکتریک به کار نرفته اند، چسبندگی بسیار خوب، استحکام لایه ها و بهم پکیدگی آنهاست که در مجموع منجر به افزایش آستانه ي آسیب لیزري پالایه و در نتیجه ارتقا کیفیت پوشش اپتیکی می گردد.[3] در ضمن خوشرفتاري این مواد در ناحیه مرئی و فرو سرخ نزدیک امکان استفاده از آنها در ساخت پالایه هاي متغیر، بدون نیاز به بهینه سازي زیاد در هر طول موج را، به ما می دهد.
عملکرد متفاوت پالایه ها مربوط به خواص متفاوت مواد و تعداد مختلف لایه ها است. شکل - -1ب - به وضوح اثر افزایش لایه هاي دي الکتریک در بهبود عملکرد پالایه بدون هیچگونه کاهش در قله ي تراگسیل را نشان می دهد.
ساختار اساسی تمام پالایه هاي تراگسیل القایی که در اینجا نشان داده شده- اند، از محاسبات تحلیلی بدست آمده
است.
ساختار شکل -1 - ب - به صورت Glass / LHHLHLHLHL′AgL′HLHLHLHLH / Glass
ساختار -2 - ب - به صورت Glass / HLHLHLHL′AgL′′AgL′HLHLHLH / Glass
شکل :3 آرایش لایه هاي نازك اپتیکی در پالایه تراگسیل القایی با تک لایه نقره.
آوردن خواص اپتیکی مناسب در دماي محیط، انجام شد. با توجه به تجربیات پیشین[6-8] و با در نظر گرفتن عواملی نظیر فشار، دماي بستره و آهنگ لایه نشانی براي هر یک از لایه ها و نیز به منظور بررسی تکرار پذیري، لایه ها چندین بار ساخته شدند. از این رو ویژگیهایی همچون ضریب شکست، همگنی و جذب اپتیکی لایه ها با اندازه گیري بازتاب آنها توسط دستگاه طیف سنج دو پرتوي Shimadzu به دست آمد.
شکل - - 3 ترتیب قرار گرفتن لایه هاي مختلف را براي حالتی که تنها از یک لایه فلزي استفاده شده است، به صورت نمادین نشان می دهد. ضخامت لایه هاي چارك موجی H و L به ترتیب 103/6 و140 نانومتر در نظر گرفته شد. این مقادیر با توجه به ضریب شکست لایه ها در شرایط خاص لایه نشانی در آزمایشگاه، به دست آمده است.
-3 ساخت مجموعه
براي ساخت پالایه ابتدا در جهت بهینه سازي آن، شرایط انباشت با لایه نشانی تک لایه- ها بررسی شد. لایه ها ي دي الکتریک با انباشت به روش پرتو الکترونی و لایه ي فلزي به روش تبخیر حرارتی و هر دو توسط دستگاه لایه نشانی Balzers 760 در صنایع اپتیک اصفهان ساخته شدند.
فرآیند کنترل ضخامت لایه ها در حین ساخت به روش اپتیکی و با اندازه گیري مداوم پارامتر nd که n ضریب شکست لایه و d ضخامت فیزیکی آن است، در هنگام لایه نشانی صورت گرفت. در این روش فرمان قطع لایه نشانی هنگامی صادر می شود که ضخامت اپتیکی لایه ي در حال پوشش دهی برابر یک چهارم طول موج مرجع باشد - . - nd = λ/4 در واقع هنگامی که بازتاب لایه به مقدار بیشینه یا کمینه ي خود می رسد، لایه نشانی قطع می شود.
برتري عمده- ي این روش آن است که هرگاه خطایی در اندازه گیري ضریب شکست صورت گیرد، این خطا به طور خودکار با تغییر ضخامت فیزیکی لایه در حین لایه نشانی جبران می شود. با توجه به حساسیت بسیار زیاد پالایه هاي نوار گذر تداخلی به خطاهاي حین ساخت به ویژه ضخامت فیزیکی لایه، این شیوه رهیافت موثري در بهینه سازي پالایه به شمار می رود. کنترل اپتیکی ضخامت لایه ها توسط دستگاه GSM 420 که بخشی از دستگاه Balzers می باشد صورت گرفت.
پالایه ي ساخته شده ي نهایی با لایه ي فلزي 60nm در شکل -2 - الف - آمده است.
