أداء وتصميم الأغشية الرقيقة البصرية

تحتاج جميع الأجزاء البصرية تقريبًا إلى استخدام أغشية رقيقة بصرية لتغيير خصائص الإرسال أو الانعكاس في الأنظمة البصرية. على الرغم من أن الأغشية الرقيقة الضوئية منتشرة في كل مكان، فإن العديد من مصممي النظام البصري ليسوا على دراية بالمقايضات في تصميم الأغشية الرقيقة أو يستخدمون أو لا يفهمون خصائص تقنيات ترسيب الأغشية الرقيقة المختلفة. فيما يلي مقدمة تفصيلية لتصميم الأغشية الرقيقة البصرية المهمة وعوامل ترسيب الأغشية الرقيقة البصرية ذات الصلة.

يتكون الفيلم الرقيق البصري من طبقات من المواد ذات معامل انكسار مرتفع ومعامل انكسار منخفض. مبدأ عملها هو استخدام التداخل الضوئي لتعزيز إرسال واحد أو أكثر من الأطوال الموجية أو عكس الاستقطاب أو نقله بشكل تفضيلي لإكمال هذه المهام. تحتوي الطبقات أحيانًا على عشرات الطبقات أو مئات الطبقات وتتكون من العديد من المواد ذات معاملات انكسار مختلفة.

ومع ذلك، فإن المواد المتاحة لمصمم الفيلم ليست غير محدودة، مما يعني أن الطلاء الفعلي يجب أن يتم تصنيعه بمعامل انكسار محدود. بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن لعملية ترسيب الطلاء أن تتحكم بدقة كاملة في سمك ومعامل الانكسار لكل طبقة.

لذلك، يجب على مهندسي التصميم البصري فهم أداء الأغشية الرقيقة الضوئية المختلفة، مثل فعالية الفيلم من حيث التكلفة، وتأثير النفاذية على النظام، والقدرة على التكيف البيئي، والقدرة على مقاومة أضرار الليزر. فيما يلي مقدمة لأداء وتصميم الأغشية الرقيقة الضوئية المختلفة وأنظمة ترسيب الأغشية الرقيقة الضوئية.

طلاء مضاد للانعكاس (AR)

عادةً ما يتم تحديد أداء الطلاء المضاد للانعكاس (AR) من خلال متوسط النفاذية لطول موجي واحد أو مجموعة من الأطوال الموجية، وبالطبع يمكن قياسه أيضًا من خلال الحد الأقصى للانعكاس المتبقي الذي يسمح به المصمم. بالنسبة لمواد بصرية معينة، يكون معامل امتصاص المادة ثابتًا.

قد يكون من المعقول أكثر لبعض المناسبات الخاصة استخدام الحد الأقصى المسموح به للانعكاس المتبقي للقياس. بالنسبة لفيلم AR ذي الطول الموجي الفردي وزاوية الحادث الواحدة، فإنه يمكن الحصول على أداء عالٍ جدًا. على سبيل المثال، على سطح الزجاج البصري، في نطاق الضوء المرئي، من الشائع أن يكون الانعكاس المتبقي لكل سطح أقل من 0.1%.

مع زيادة عدد الطبقات، يتناقص الانعكاس المتبقي على السطح (تزيد النفاذية)، ولكن نطاق العرض الطيفي يتناقص أيضًا. مع زيادة عرض النطاق الترددي الطيفي أو زاوية الحادث، يصبح الحفاظ على الأداء العالي لأفلام الواقع المعزز أكثر صعوبة.

لذلك، كمصمم بصري، من الضروري معرفة ما إذا كان الأداء المحدد هو ذروة النفاذية (الانعكاس المتبقي) أو متوسط النفاذية (الانعكاس المتبقي) في النطاق الطيفي بأكمله أو نطاق زاوية الحادث. خلاف ذلك، خطأ صغير قد يسبب تأثيرا كبيرا.

بالنسبة للزوايا غير الصفرية، خاصة بالنسبة لأفلام AR التي تزيد عن 30 درجة، فإن حالة استقطاب الضوء الساقط لها تأثير كبير على تصميم وأداء الطلاء، ومن الضروري تحديد حالة استقطاب الضوء الساقط. في حالة جميع زوايا الحادث غير الصفرية، يكون للاستقطاب S انعكاسية أعلى على سطح الوسط من الاستقطاب P.

لذلك، إذا كانت هناك مكونات مائلة في النظام وتتطلب نفاذية عالية نسبيًا، فيجب على المصمم البصري استخدام العنصر البصري المقابل. يسمح الهيكل للمكون البصري بمواجهة الضوء المستقطب P.

ومع زيادة زاوية السقوط، يتحول أداء فيلم الواقع المعزز إلى أطوال موجية أقصر. على سبيل المثال، توفر طبقة AR المصممة لإنتاج الحد الأدنى من الانعكاسية عند السقوط الطبيعي أصغرها عند طول موجي أقصر عند زاوية سقوط قدرها 45 درجة. في العدسة ذات نصف القطر الصغير، تكون زاوية السقوط عند المركز 0 درجة، بينما قد تكون زاوية السقوط عند الحافة 70 درجة.

حتى لو كان النظام البصري يستخدم طولًا موجيًا واحدًا، فيجب أن يتمتع فيلم الواقع المعزز بأداء عالٍ في نطاق طيفي واسع. حتى مع زيادة زاوية السقوط، عندما تتغير استجابة الفيلم، فإنه لا يزال بإمكانه الأداء جيدًا عند الطول الموجي الاسمي. في الواقع، بالنسبة للأسطح البصرية ذات نصف القطر الصغير، قد تكون هناك حاجة إلى وسائل أو أدوات خاصة للحفاظ على أداء ثابت. لذلك، هناك حاجة إلى بعض المفاضلات بين تعقيد الفيلم وتكلفته وأدائه.

نظرًا للعدد المحدود من المواد التي يمكنها نقل الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء في وقت واحد، فمن الصعب للغاية تصميم ولوحة فيلم الواقع المعزز الذي يعمل في النطاقين المرئي والأشعة تحت الحمراء في نفس الوقت.

تعد أفلام الواقع المعزز متعددة النطاقات شائعة جدًا في الأنظمة البصرية العسكرية. من السهل نسبيًا تحقيق نفاذية عالية عبر نطاق عريض، ومن السهل نسبيًا تحقيق نفاذية عالية لعدة أطوال موجية محددة، كما سيتم تقليل التكلفة أيضًا. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للتصميم تحليل المتطلبات المحددة للنظام لكل نطاق، وتحديد الأداء العالي نسبيًا لطول موجي واحد، وتخفيف متطلبات النطاقات الأخرى، والتي يمكن أن تحقق أيضًا تأثيرًا مضاعفًا.

فيلم عاكس عالي

يمكن تحقيق الفيلم العاكس العالي بثلاث طرق: الفيلم المعدني، الفيلم المعدني/العازل الكهربائي، والفيلم العازل. تتمثل ميزة الفيلم المعدني في أنه يتمتع بأداء جيد في نطاق طيفي واسع. على سبيل المثال، انعكاس الفيلم العاكس من الألومنيوم في نطاق 400 نانومتر إلى 10 ميكرومتر أكبر من 85%، وانعكاس الفيلم العاكس الذهبي من 2 ميكرومتر إلى الأشعة تحت الحمراء البعيدة أكثر من 99%. يكاد يكون من المستحيل أن تصل جميع الأغشية العازلة إلى هذا المستوى. بالإضافة إلى ذلك، فإن الفرق في الانعكاس بين الاستقطاب S والاستقطاب P للفيلم المعدني العاكس عادة ما يكون أصغر بكثير من الفيلم العازل.

ومع ذلك، فإن ذروة انعكاس الفيلم المعدني العاكس أقل من ذروة انعكاس الفيلم العازل. حتى الفيلم العاكس الذهبي ذو الانعكاس بنسبة 99.5% في نطاق الأشعة تحت الحمراء لا يمكن مقارنته بالفيلم العازل. يمكن أن يوفر الفيلم العازل 99.99% من الطول الموجي الواحد. حتى أعلى انعكاسية. إن الكمية الصغيرة من امتصاص الفيلم المعدني تحد من ذروة انعكاسه، مما يسبب قيودًا مهمة على استخدام الفيلم المعدني، كما أن قدرة الضرر بالليزر ليست جيدة مثل قدرة الفيلم العازل.

المتانة المادية للفيلم المعدني (مقاومة التآكل، الحرارة الرطبة، التعرض للملح) ليست جيدة مثل تلك الموجودة في الفيلم العازل. على سبيل المثال، في الفضة الانعكاسية، لمنع الأكسدة، يجب تغطية سطحها بمادة أخرى، مما يقلل من انعكاسيتها.

بالنسبة لجميع المكونات شديدة الانعكاس ذات الأفلام العازلة، عند تحديد انعكاسية عالية للغاية (> 99.995%)، يجب مراعاة جودة سطح المكون لأن تشتت السطح يصبح العامل الرئيسي الذي يحد من الأداء، ويجب تحديد خشونة السطح البصري، سطح فائق النعومة، هناك حاجة أيضًا إلى تقنيات تلميع واختبار خاصة، وسترتفع التكلفة المقابلة.

فيلم طيفي

يعتمد أداء الفيلم الطيفي إلى حد كبير على بنية العنصر الطيفي. يوجد عمومًا نوعان من هياكل العنصر الطيفي، النوع المكعب أو النوع المسطح. يُفضل الهيكل المكعب للضوء غير المستقطب، والذي يكون بطبيعته أقل حساسية لاستقطاب الإدخال من نوع اللوحة المسطحة.

على العكس من ذلك، يمكن لمقسم شعاع الاستقطاب استخدام الفرق المتأصل بين الاستقطاب S والاستقطاب P في الانعكاس لتحقيق أداء عالٍ جدًا. يتم دائمًا تكوين المستقطبات المسطحة لتعكس الاستقطاب S من خلال الاستقطاب P وعادة ما تعمل بشكل أفضل عندما تكون زاوية بروستر (ينخفض معامل انعكاس الاستقطاب P إلى 0). بالنسبة للأطوال الموجية للضوء المرئي والركائز الزجاجية البصرية، تكون هذه الزاوية أكبر من 56 درجة.

من الأسهل بكثير أن تقوم مقسمات شعاع الاستقطاب المسطحة أو المكعبة الشكل بإزالة الضوء المستقطب S في الشعاع المرسل بدلاً من إبقاء الضوء المستقطب P بعيدًا عن الشعاع المنعكس. وهذا يعني أنه بالنسبة للضوء المرئي، فإن نسبة انقراض الإرسال البالغة 10000:1 لا بأس بها. من الصعب تحقيق نسبة انقراض انعكاس أكبر من 100:1. يجب أن تبقى خصائص الأداء هذه في الاعتبار أثناء عملية تصميم النظام.

في جهاز تقسيم الشعاع، هناك عدة عوامل يمكن أن تسبب تعقيد الطلاء. على سبيل المثال، مع زيادة زاوية الحادث، يصبح الفرق في الانعكاس بين الاستقطاب S والاستقطاب P أكبر، مما يجعل من الصعب توفير المرايا بنفس الأداء لكلا حالتي الاستقطاب. لذلك، من المفيد التعامل مع استقطاب واحد فقط في هذه الحالة.

إذا كان الضوء غير المستقطب أمرًا لا مفر منه، فمن الأفضل تصميم نظام بصري حيث يعمل مقسم الشعاع بزاوية سقوط أصغر لتقليل تأثير تقسيم الشعاع. يعد النطاق الطيفي (عرض النطاق الترددي الطيفي) عاملاً مهمًا أيضًا. بالنسبة للفيلم غير الحساس للاستقطاب في أقصى اليسار، والذي يتجاوز نطاقه الطيفي ±10% من الطول الموجي المركزي (على سبيل المثال، 550 نانومتر ±50 نانومتر) يمثل تحديًا كبيرًا.

من المهم أيضًا كيفية تحديد تفاوتات مقسم الشعاع. على سبيل المثال، هناك فرق كبير بين مقسم الحزمة الذي يجب أن يحافظ على أدائه الاسمي ضمن نطاق حادث قدره 45°±5° ومقسم الحزمة الذي يجب أن يحقق الأداء الاسمي ضمن نفس النطاق.

في الحالة الأولى، يجب أن يفي أداء مقسم الشعاع بنطاق زاوية الحادث لجميع الزوايا التي تتجاوز 40 درجة إلى 50 درجة؛ في الحالة الثانية، يكون أداء مقسم الشعاع راضيًا فقط في نطاق 40 درجة إلى 50 درجة، وسيقوم المستخدم بوضع مكونات مقسم الشعاع في نظامه وتعديلات مائلة لتحقيق الأداء المطلوب. تعد متطلبات مقسم الحزمة في الحالة الأولى أكثر تطلبًا من تلك الموجودة في الحالة الثانية.

إن جهاز تقسيم الشعاع المكعب مصنوع من المنشور عن طريق الترابط واللصق، مما يؤدي إلى حدوث أخطاء في واجهة الموجة، وبالتالي التأثير على الأداء. بالإضافة إلى ذلك، فإن الامتصاص في المادة اللاصقة سوف يسبب التشتت، مما يقلل بشكل كبير من عتبة الضرر بالليزر. (في الوقت الحاضر، تستخدم بعض الشركات المصنعة تقنية الروابط التساهمية المنشطة (ACB) لتجنب تأثير المواد اللاصقة)

الطلب على الأفلام العسكرية

غالبًا ما تشكل الوظائف المحددة التي تتطلبها المتطلبات العسكرية تحديات شديدة للفيلم. على سبيل المثال، تعمل بعض الأنظمة الإلكترونية الضوئية عادةً في نطاقات متعددة الأطياف، والتي تغطي الضوء المرئي (400 نانومتر ~ 600 نانومتر)، وليزر سلامة العين (1.54 ميكرومتر)، والأشعة تحت الحمراء متوسطة الموجة (3 ميكرومتر ~ 5 ميكرومتر)، وما إلى ذلك. هذه الطبقات من الأفلام البصرية غالبًا ما يتم تحديدها أيضًا للعمل في نطاق كبير من زوايا الحادث وتكون غير حساسة للاستقطاب.

من أجل تقليل حجم ووزن النظام، خاصة في الأنظمة المحمولة والمحمولة جواً، قد يقوم المهندسون البصريون بضغط قطر المكونات البصرية، مما يزيد من كثافة طاقة شعاع الليزر. ولذلك، فإن عتبة الضرر بالليزر هي أيضًا إحدى المشكلات التي تحتاج إلى الاهتمام.

من أجل تحقيق وظائف متقدمة، قد تحتاج الأغشية الرقيقة الضوئية إلى إدخال المزيد من الطبقات، مما سيؤدي أيضًا إلى إنتاج أغشية سميكة نسبيًا قد تظهر إجهادًا ميكانيكيًا أعلى. من أجل تقليل الوزن، قد تكون هناك أجزاء ذات نسبة عرض إلى ارتفاع صغيرة نسبيًا في النظام، وسيؤدي إجهاد الفيلم إلى تشويه هذه الأجزاء، وبالتالي زيادة تشويه واجهة الموجة للنظام بأكمله.

يجب على الأنظمة العسكرية أن تتحمل التقلبات الكبيرة في درجات الحرارة، ودرجات الحرارة، والتآكل الناتج عن رذاذ الملح، والدخان، وغير ذلك من الملوثات في الهواء. سوف تمتص بعض الأغشية الماء، إلى جانب التغيرات في درجات الحرارة، وقد يتغير أداء الغشاء. ويمكن ملاحظة أن استقرار الأداء ومتانة الفيلم من العوامل التي يجب أخذها في الاعتبار أيضًا.

حل ترسيب الأغشية الرقيقة البصرية

هناك العديد من تقنيات الترسيب لطلاء الأغشية الرقيقة الضوئية، وعمليات الطلاء المختلفة لها تأثيرات مختلفة على الثبات والمتانة وعتبة تلف الليزر والضغط الداخلي للفيلم. يجب أن يكون لدى المهندسين البصريين فهم أساسي لخصائص تقنيات الترسيب ومزاياها وقيودها.

يعد التبخر الحراري (باستخدام التسخين بالمقاومة أو التسخين بشعاع الإلكترون) الطريقة الأكثر استخدامًا على نطاق واسع. ميزتها هي أن الطريقة لديها نطاق واسع من العمل (من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء البعيدة) ومنخفضة التكلفة. أكبر عيب لهذه الطريقة هو أنها تنتج طبقة مسامية، والتي تمتص الرطوبة بسهولة، وبالتالي تغيير معامل الانكسار الفعال للفيلم، مما يجعل من الصعب الحفاظ على أداء الفيلم المطلوب عند تعرضه لتغيرات درجة الحرارة والرطوبة البيئية.

بالإضافة إلى ذلك، فإن طبقة الغشاء المسامي عرضة لاحتواء العيوب التي تؤدي إلى تدهور جودة السطح، كما أن طبقة غشاء التبخر الحراري لديها أسوأ متانة ميكانيكية بين جميع تقنيات الترسيب.

الترسيب بمساعدة الأيونات (IAD) هو ترقية للترسيب التبخري الحراري. ويستخدم الأيونات المشحونة لضغط كل طبقة من الترسيب. يوفر IAD طبقة رقيقة بصرية أكثر كثافة. تحقق تقنية الترسيب IAD أفضل توازن بين المتانة والأداء، خاصة في نطاق الأشعة تحت الحمراء متوسط الموجة الذي يتراوح من 3 ميكرومتر إلى 5 ميكرومتر.

في الترسيب الأيوني (IBS)، يتم توجيه شعاع من الأيونات عالية الطاقة نحو الهدف (يتكون عادة من معدن أو أكسيد)، ويتم رش ذرات أو جزيئات الهدف بطاقة عالية. ثم تتدفق هذه الجسيمات من المصدر ثم تترسب على الركيزة. تنتج IBS طبقة رقيقة بصرية كثيفة تمامًا، والتي تتجنب امتصاص الفيلم للماء، كما أنها مستقرة جدًا عندما تتغير البيئة.

تتميز المواد التي تم إيداعها بواسطة IBS بخصائص معامل الانكسار القابلة للتكرار، إلى جانب التحكم الدقيق في سمك الفيلم، ويتميز الفيلم بدقة عالية جدًا، ويمكنه دائمًا مطابقة الفيلم الفعلي تمامًا مع توقعات التصميم. وذلك في إنتاج الأفلام متعددة الأطياف. وطبقة الفيلم التي تلبي نطاقًا واسعًا من الزوايا وخصائص الاستقطاب المحددة لها أهمية كبيرة.

بالمقارنة مع الترسيب التبخري، يستخدم IBS نطاقًا محدودًا من المواد، وهو ما لا يمثل مشكلة في النطاقات المرئية والأشعة تحت الحمراء القريبة. وبما أن مواد ZnS والفلورايد غير متوافقة مع القولون العصبي، فإنها تصبح مشكلة في نطاق 3 ميكرومتر إلى 5 ميكرومتر. المشكلة المحتملة في جميع الأغشية الرقيقة الضوئية الكثيفة هي أنها قد تحتوي على ضغوط تؤثر سلبًا على تشويه واجهة الموجة.

باعتبارها شركة رائدة في تصنيع العدسات البصرية بالأشعة تحت الحمراء، طورت QUANHOM بعض الأساليب للتحكم في مثل هذه المشكلات المحتملة. على سبيل المثال، يتم استخدام عملية التلدين بعد الفيلم لتقليل الضغط الداخلي، المحسوب مسبقًا وإنشاء خطأ سطحي عمدًا، ومن ثم يتم تصحيح الضغط الناتج عن الفيلم.

تعتمد العدسات البصرية بالأشعة تحت الحمراء التي تنتجها QUANHOM تصميمًا بصريًا رقيقًا معقولًا وجيدًا، والذي يمكنه تلبية مؤشرات أداء النظام. إذا كان لا يزال لديك بعض الشكوك حول تصميم الأغشية الرقيقة البصرية بعد مراجعة ما ورد أعلاه، فيمكنك الاتصال بنا للحصول على حل شامل.

باعتبارنا شركة مصنعة محترفة للمكونات الكهروميكانيكية الضوئية ، فإننا ملتزمون دائمًا بإنتاج مجموعة متنوعة من عدسات التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء عالية الجودة (بما في ذلك LWIR وMWIR وSWIR). لدينا فريق إنتاج محترف، ونظام صارم لفحص الجودة، ومراقبة الجودة من تصميم المنتج إلى التصدير. وفي الوقت نفسه، سنقدم أيضًا خدمة متكاملة مدروسة وتكنولوجيا حلول فعالة وفقًا للاحتياجات الفعلية للعملاء. إذا كنت مهتمًا بالعدسة الضوئية بالأشعة تحت الحمراء، يرجى الاتصال بنا على الفور!