بخشی از مقاله
چکیده - در این پژوهش طراحی و ساخت پرتو شکاف مکعبی مرئی- لیزری گزارش شده است. پیش از لایه نشانی طراحی و شبیه سازی توسط نرم افزار انجام شد. لایه نشانی به روش تبخیر فیزیکی در خلا با استفاده از تفنگ الکترونی انجام شد و با لایه نشانی تک لایه ها بهترین شرایط انباشت و ضریب شکست مواد به دست آمد. مجموعه ی لایه نازک 21 لایه ای بر وتر منشور لایه نشانی گردید و پس از چسباندن منشورها به یکدیگر با به کار بردن طیف سنج دو پرتویی از پرتوشکاف طیف سنجی شد. طیف عبور نهایی مقدار 92% برای طول موج لیزری و 30% را برای بازه ی طول موجی مرئی نشان داد.
-1 مقدمه
پرتوشکافها ابزارهای اپتیکی هستند که کاربردهای گستردهای در ساخت انواع ابزارها و سامانههای اپتیکی و الکترواپتیکی دارند. این ابزارها میتوانند به صورت تیغهای یا مکعبی1 ساخته شوند که هر یک ویژگیهای خاص خود را دارند.[1] پرتو شکافهای مکعبی یکی از اجزای بسیار پرکاربرد در سامانههای اپتیکی میباشند. این پرتوشکافها از دو منشور متساویالوجوه کاملاً مشابه ساخته میشوند که از سمت وتر به یکدیگر چسبانده میشوند بنابراین قطعهی نهایی به شکل یک مکعب خواهد بود. پیش از آنکه منشورها به یکدیگر چسبانده شوند باید پوششهای لایه نازک مورد نیاز بر روی آنها لایهنشانی شود.
پوشش پرتوشکاف که اصلیترین پوشش در ساخت این قطعه است و در حقیقت کار اصلی را انجام میدهد بر روی وتر یکی از منشورها لایه-نشانی میشود و وتر منشور دوم بدون پوشش باقی میماند. بسته به نوع سامانهی مورد استفاده ممکن است هر دو ساق هر دو منشور - چهار وجه مکعب - با پوشش نابازتابندهی خاصی لایهنشانی شود یا تنها دو یا سه وجه لایهنشانی گردند. در هر حال تمام لایهنشانیها باید پیش از چسباندن دو منشور به یکدیگر انجام شوند. نمودار طرحوار پرتوشکاف مکعبی موردنظر این پژوهش در شکل - 1 - نشان داده شده است.
-2 طراحی مجموعه
پرتوشکافهای مکعبی تفاوت ویژهای با دیگر لایههای نازک اپتیکی دارند و آن باعث میشود که کار طراحی و ساخت آنها دشوارتر گردد. این تفاوت به این دلیل است که برخلاف سایر پوششهای اپتیکی در این نوع پرتوشکافها مجموعهی لایه نازک با هوا ارتباط ندارد. در حقیقت در پوششهای دیگر، لایههای نازک به ترتیب بر بستره لایهنشانی میشوند و در پایان آخرین لایه در معرض هوا خواهد بود.
اما در پرتوشکافهای مکعبی منشورها به یکدیگر چسبانده میشوند و بنابراین هنگامی که قطعهی نهایی مورد استفاده قرار می-گیرد پوشش پرتوشکاف محصور بین دو محیط با ضریب شکست مساوی است - در اینجا شیشه اپتیکیBAK4 با ضریب شکست - 1/57 و از آنجا که کارکرد مجموعهی لایه نازک به شدت به ضریب شکست بستره و محیط فرودی وابسته است، طراحی و ساخت این پرتوشکافها دشوار می-شود 1]و. [4 لازم به ذکر است که ضریب شکست چسبهای مخصوص چسباندن قطعات اپتیکی پس از خشک شدن برابر شیشههای اپتیکی میباشد. بنابراین میتوان با تقریب بسیار خوبی مجموعهی لایه نازک را محصور بین دو محیط شیشه-ای در نظر گرفت.
1؛-2 گزینش مواد مناسب لایه نشانی
پیش از آنکه طراحی انجام شود باید مواد مناسب برای لایه-نشانی برگزیده شود تا بر اساس ثوابت اپتیکی آن طراحی مجموعه انجام شود. نخستین شرط برای گزینش مواد، شفافیت در طول موجهای مرئی و طول موج لیزری 1550 نانومتر است. همچنین این مواد باید چسبندگی مناسبی به بستره و به یکدیگر داشته باشند و در شرایط محیطی مورد استفاده از مقاومت قابل قبولی برخوردار باشند.
اختلاف ضریب شکست بین دو ماده پارامتر مهمی در تعیین پهنای ناحیهی بازتاب بالا و میزان بازتاب در گسترهی مرئی و عبور در طول موج لیزری است1]و.[2 با توجه به ملزومات ذکر شده مواد اکسید سیلیسیوم به عنوان مادهی با ضریب شکست پایین و اکسید تیتانیوم به عنوان مادهی با ضریب شکست بالا انتخاب شدند.
2؛-2 شبیه سازی نرم افزاری
نخستین گام برای ساخت هر پوشش اپتیکی یک طراحی دقیق و قابل اجرا میباشد که به نحو مناسبی شبیه سازی شده باشد. یک طراحی خوب هم نتیجهی اجرایی خوبی دربر خواهد داشت و هم زمان و هزینهی ساخت را کاهش می-دهد. در پوششهایی مانند این نوع پرتوشکافها که تعداد لایهها معمولاً زیاد است اهمیت هزینه و زمان بیشتر نمایان میشود چرا که طراحی نه چندان خوب، تعداد اجراهای آزمایشی را تا رسیدن به نتیجهی مطلوب زیاد میکند و این یعنی افزایش زمان و هزینه.[4] نرم افزار مورد استفاده برای طراحی لایههای نازک اپتیکی، نرمافزار Essential Macleod است که در زمرهی نرمافزارهای کم نظیر طراحی میباشد.
هدف از این پژوهش طراحی و ساخت یک پرتوشکاف مکعبی مرئی- لیزری است بطوریکه بازهی طول موجی مرئی را در پرتوی بازتابی و تک طول موج لیزری 1550 نانومتر را در پرتوی عبوری از یکدیگر جدا کند. میزان بازتابش بازهی مرئی دست کم70 درصد و عبور طول موج لیزری دست کم90 درصد مورد نظر میباشد.
از آنجا که این پرتوشکاف در دو بازهی طول موجی کار می-کند طراحی آن قطعاً با لایههای غیرچارک موج خواهد بود و بهترین راه تعریف یک هدف2 و سپس بهینهسازی آن توسط الگوریتمهای موجود در نرم افزار است.
برای طراحی چنین پرتوشکافی باید تعداد زیادی مجموعهی لایه نازک طراحی و بهینهسازی نمود و پس از مقایسهی آنها بهترین مورد را برگزید.[5] آنچه که در نهایت به عنوان بهترین طراحی به آن دست پیدا کردیم یک مجموعهی 21 لایهای است. طیف عبور این مجموعه که توسط نرم افزار ارائه شده، در شکل - 2 - آورده شده است.
-3 ساخت مجموعه
در این پژوهش لایهنشانی به روش تبخیر فیزیکی در محفظهی خلأ و در حضور فشار جزئی اکسیژن، توسط تفنگ الکترونی انجام پذیرفت. قبل از لایهنشانی، قطعات به کمک امواج فراصوت شستشو شدند و بلافاصله قبل از لایهنشانی به منظور حذف کامل آلودگیها، در محفظهی خلأ در معرض بمباران یونی قرار گرفتند. فشار پایهی محفظهی لایهنشانی 10؛5×6 میلیبار در نظر گرفته شد. ضخامت و نرخ انباشت لایهها با به کاربردن کریستال پیزوالکتریک اندازهگیری شدند.
1؛-3 لایه نشانی تک لایهها
همانطور که میدانیم در لایهنشانی به روش فیزیکی شرایط لایهنشانی بر ثوابت اپتیکی و ویژگیهای محیطی مجموعه لایه نازک نهایی بسیار موثر است. همچنین پارامترهای دیگری نظیر هندسهی دستگاه لایهنشانی یا نوع مواد اولیهی مورد استفاده نیز بر این موارد تاثیر دارند.[2] بدین ترتیب، به منظور دستیابی به بهترین شرایط انباشت و مقدار ضریب شکست دقیق لایهها پیش از آغاز به لایهنشانی مجموعه، تک لایههایی از هر یک از مواد لایهنشانی شد. با چندین بار بهینهسازی و لایهنشانی مجدد تک لایهها، بهترین شرایط انباشت به دست آمد که در جدول - 1 - آورده شده است.
