بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، عملکرد نابازتابندگی بر بستره SF6 در جهت تابش عمود، در نواحی مریی و تک طول موج 1064 نانومتر ازطریق انباشت یک مجموعه 12 لایه بررسی شده است. برای ایجاد چنین پوششی، با اقتباس از نظریهی تداخل امواج، یک طراحی نرمافزاری انجام پذیرفت و اثر بروز خطاهای تصادفی بر طیف نهایی مورد ارزیابی قرار گرفت. در مرحله بعد، پس از انتخاب مواد، ضخامت چارکموج از طریق انباشت تکلایهها در طول موج 550 نانومتر به دست آمد. سپس نتایج طیفی حاصل از انباشت مجموعه به روش پرتو الکترونی، با طراحی مقایسه شد و اصلاحات لازم انجام پذیرفت.
کلید واژه- لایه نازک، پوشش نابازتابنده ی دوگانه ، بستره SF6 کد 0310 - PACS،.310
-1 مقدمه
هر سطح بسترهی خام SF6 با ضریب شکست 1/81 بیش از %8 نور فرودی را در گسترهی مرئی منعکس می کند بنابراین تراگسیل از قطعه خام این بستره با لحاظ بازتابهای متوالی بین سطوح، کمتر از %86 است. چنین عملکردی به ویژه در سامانههائی که چندین قطعه به صورت متوالی مورد استفاده قرار میگیرد، به افت کارایی منجر خواهد شد. برای کارکرد بهینه، افزایش درصد تراگسیل نور در نواحی طیفی مورد نظر، از اهمیت زیادی برخوردار است. این هدف با الهام از نظریهی تداخل امواج و با انباشت پوشش نابازتابنده بر آورده میشود.[1] پوشش نابازتابنده با تطبیق ضریب شکست بستره و هوا باعث کاهش انعکاس نور میگردد.با وجود پیشرفتهایی که در ساخت حسگرها با دو یا چند ناحیهی حساسیت رخ داده، نیاز به پوشش نابازتابندهی دو یا چندگانه افزایش یافته است.[2] در این پژوهش، پوشش نابازتابنده ی دوگانه که انعکاس در گسترهی 450-730 و تک طولموج 1064 نانومتر را به کمتر از %0/5 میرساند طراحی و ساخته شده است.
-2 طراحی
با مجموعه چندلایه از دو ماده با ضریب شکست بالا و پائین که به صورت یک در میان با ضخامتهای متفاوت بر بستره قرار میگیرند می توان انعکاس کمتر از %0/5 را در دو گستره مورد نظر فراهم آورد.[3] این دو ماده باید در ناحیهی مرئی و مادون قرمز نزدیک شفاف بوده و چسبندگی مناسبی به بستره و یکدیگر داشته باشند. با توجه به این ملزومات، دیاکسید سیلیکون - SiO2 - با ضریب شکست پائین و دیاکسید تیتانیوم - TiO2 - با ضریب شکست بالا با گسترهی شفافیت 0/2-9 و 0/39-12 میکرومتر[4] انتخاب شدند.برای شناخت دقیق ضرایب شکست، به انباشت تک لایههای این دو ماده نیازمندیم. طیف انعکاس تکلایههای انباشته شده بر بستره BK7 در شکل 1 آورده شده است.
با انجام محاسباتی که در قسمت 3 خواهد آمد، ضرایب شکست SiO2 و TiO2 در طول موج 550 نانومتر، به ترتیب 1/46 و 2/32 به دست آمد.با طراحی و بهینهسازی توسط نرم افزار طراحی لایههای نازک، طرح نهایی به صورت مجموعه 12 لایه به دست آمد.در جدول 1، ترتیب و ضخامت لایهها آورده شده است - طرح اول - . طولموج مرجع طراحی، 550 نانومتر و زاویهی تابش، عمود در نظر گرفته شده است. محاسبات نرمافزاری نشان میدهد که با لایهنشانی چنین مجموعهای، نمودار بازتاب از یک سطح بستره SF6 به صورت شکل 2 خواهد بود.به دلیل محدودیتهای سیستم کنترل، بروز خطا در حین لایهنشانی در ضخامت و پکیدگی لایهها به صورت متقارن یا تصادفی اجتنابناپذیر است.[5]
خطاهای متقارن، در لایههای با مواد مشابه، به صورت یکسان رخ میدهند. محقق با تحلیل و مقایسه، این دسته خطاها را شناخته و با تغییر در طراحی، آنها را جبران مینماید. خطاهای تصادفی فاقد نظم قابل شناخت هستند و در هر لایه به یک گونه رخ میدهند. از راههای کاهش این خطاها آن است که طراحی با وجود این خطاها به گونهای انجام شود که ملزومات طیفی همچنان برآورده باشند. طرح بالا این ویژگی را دارا میباشد. شکل 3 تعداد 20 طیف انعکاس نرم افزاری با بروز حداکثر %1 خطای تصادفی در ضخامت لایهها را نشان میدهد. واضح است که با این وجود، انعکاس همه طیفها در ناحیهی مورد نظر، کمتر از %0/5 باقی مانده است.
-3 فرآیند ساخت
لایهنشانی به روش تبخیر فیزیکی در محفظهی خلأ و در 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. خلأ پایهی محفظه در حین لایهنشانی 5×10-6 میلیبار در نظر گرفته شد. ضخامت و نرخ انباشت لایهها توسط کریستال پیزوالکتریک اندازهگیری شدند.گام اول در ساخت یک پوشش اپتیکی، ساخت تکلایهها میباشد. پارامترهای انباشت تک لایههای SiO2 و TiO2 در جدول 2 آورده شده است. با بهینهسازی ضخامت و تکرار لایهنشانی، ضخامت های چارکموج در طول موج 550 نانومتر به دست آمد. این ضخامت برای SiO2 و TiO2 به ترتیب 96 و 61 نانومتر میباشد. با استفاده از رابطهی [6] 1 میتوان ضریب شکست لایه ی نازک را در طول موج بیشینه و یا کمینهی طیف به دست آورد:
که در آن، ns و nf به ترتیب ضرایب شکست بستره و لایه نازک و R درصد انعکاس در بیشینه یا کمینه هستند.با لحاظ ضخامت اپتیکی هر لایه و نیز ضخامت چارک موج مواد، ضخامت فیزیکی هر لایه در مجموعهی 12 لایه به دست آمد و فرآیند لایهنشانی با این ضخامتها انجام پذیرفت. در انجام این پروسه، پارامترهای جدول 2 برای هر ماده دقیقاً لحاظ گردیدند. پس از لایهنشانی، طیف بازتاب توسط یک طیفسنج دو پرتویی اندازهگیری شد. شکل 4 منحنی بازتاب پوشش ساخته شده را نشان می دهد.طیف به دست آمده، شکل کلی مورد نظر را دارد اما با هدف ما که کاهش بازتاب در گسترهی 450-730 و تک طول موج 1064 نانومتر به کمتر %0/5 است فاصله دارد.
با تحلیل و مقایسه، علت اصلی تفاوت طراحی و اجرا، به خطاهای متقارن حین انباشت نسبت داده شد. مشخص شد که ضخامت چارکموج TiO2 و SiO2 لایهنشانی شده به ترتیب %-3 و %6 از مقادیر واقعی فاصله دارد همچنین این تحلیل بیان می کند که پکیدگی لایههای TiO2 و SiO2 از آنچه در طراحی لحاظ شده بود به میزان حدود %5/5، به ترتیب بیشتر و کمتر بوده است.به منظور اصلاح خطاهای فوق، با تغییر پارامتر پکیدگی، طراحی مجدد انجام شد. ضخامتهای اپتیکی این طرح در جدول 1 آورده شده است - طرح دوم - . با اصلاح ضخامتهای چارکموج، ضخامت فیزیکی هر لایه به دست آمد. با انجام فرآیند لایهنشانی طرح جدید، طیف انعکاس اندازهگیری شد.
