کاربردهای نظامی لایه های نازک اپتیکی ایجاد شده در شرایط خلاء

تجهیزات اپتیکی تقریبا در سرتاسر حوزه نظامی کاربرد دارند. از سیستم های بینایی و تعیین کننده هدف روی زمین و استفاده شده توسط سیستم های هدایت شونده و هواپیماهای بدون سرنشین گرفته تا سیستم های نظارت و شناسایی مورد استفاده در ماهواره هایی که در مدار زمین حرکت می کنند، می توان کاربرد سامانه های اپتیکی را مشاهده کرد. این سیستم های اپتیکی معمولا در شرایط سخت و متغیر دمایی و رطوبتی و در تماس با مواد ساینده و خورنده مثل شن و نمک قرار می گیرند. استفاده از پوشش های ایجاد شده توسط روش های مختلف لایه نشانی مورد نیاز قطعی تمام این سیستم ها است. این پوشش ها باید علاوه بر حفظ فیزیکی قطعات حساس و سنسورها در برابر شرایط تنش زا به گونه ای باشند که این امکان را فراهم آورند تا قطعات و سنسورها بتوانند عملکرد اصلی خود را (که برای آن طراحی شده اند) به صورت مناسب ارائه دهند. با توجه به استفاده نظامی از این تجهیزات، تمام این وظایف در شرایطی اتفاق میافتند که عدم کارکرد مناسب و آسیب دیدگی یک قطعه می تواند منجر به شکست در صحنه نبرد و تحمیل خسارات غیر قابل پیش بینی شود.

لایه نشانی تبخیر حرارتی

لایه نشانی

لایه های نازک اپتیکی متشکل از یک یا چند لایه نانومتری تا چند میکرومتری از مواد گوناگون با ضریب شکستهای متفاوت هستند. برای دستیابی به عملکرد مناسب آنها، فرایند لایه نشانی لایه ها باید به گونه ای باشد که تناوب، ضخامت و شاخص بازتاب لایه ها به درستی و دقت مناسب پیاده سازی شوند. فرایندهایی که معمولا در ساخت لایه های نازک اپتیکی استفاده می شوند عبارتند از: مگنترون اسپاترینگ ، تبخیر حرارتی که مکانیزم های فیزیکی هستند (PVD) و فرایند های کم فشار بخار شیمیایی (LPCVD). هر کدام از روش‌های لایه نشانی ذکر شده مزایای منحصر به فردی دارند به گونه ای که هیجکدام از این روش ها به تنهایی برای ساخت تمام قطعات و سنسورها مناسب نمی باشند. در بیشتر کاربردهای نظامی پارامترهای کلیدی وجود دارند که برای انجام مناسب لایه نشانی باید مد نظر قرار بگیرند. اول از همه میزان سختی لایه ایجاد شده است. در مواردی که نیاز به تمیز کردن مکرر قطعه و قرار گرفتن در معرض خوردگی مطرح باشد نیاز به ایجاد پوشش‌های سخت بر روی آخرین لایه ایجاد شده می باشد که استفاده از روش تبخیر حرارتی روش مناسبی برای ایجاد پوشش های سخت نمی باشد.

رسوب دهی بخار فیزیکی

CVD چیست؟

لایه نازک ایجاد شده با روش تبخیر حرارتی از نظر انسجام و چگالی نسبت به لایه نازک ایجاد شده با روش اسپاترینگ کم چگالی تر است. چگالی بیشتر یا به عبارت بهتر تخلخل کمتر موجب می شود که تحت رطوبت زیاد، مولکولهای آب کمتری بتوانند در ساختار لایه نفوذ کنند. جذب رطوبت موجب تغییر ضریب شکست لایه نازک و شیفت نمودار عملکرد آن به سمت طول موج های بلندتر می شود. به این پدیده شیفت خیس/خشک (wet/dry shift) می گویند. این پدیده برای پوشش های با پهنای باند زیاد مثل پوشش های ضد انعکاس (Anti-reflection Coatings) مشکلی ایجاد نمی کند اما در مورد پوشش های با پهنای باند کم مثل فیلترهای میان گذر و ناچ فیلترها (که تنها یک طول موج در پرتوی لیزر را بازتاب می کنند و باقی را عبور می دهند) اثرات چشمگیری به جا می گذارد. این ها همه پوشش هایی هستند که در صنایع نظامی کاربردهای فراوانی در ساخت سامانه های هدف گیر، سنسورهای تصویر برداری چند بعدی و آشکار کننده های پادکنش دارند.

دوربین نظامی

در مورد پوشش هایی که در رنج طیفی مادون قرمز متوسط تا بلند کار می کنند مثل موادی که بیشتر در اپتیک نظامی DSI به کار برده می شوند، پدیده شیفت خیس/خشک (wet/dry shift) تاثیر چندانی ندارد و از هر سه روش لایه نشانی ذکر شده می توان استفاده کرد.

مطلب مهم دیگر، تنش های داخلی لایه های نازک ایجاد شده است. پوشش های ایجاد شده چند لایه، معمولا دچار تنش های فشاری میشوند تا تنش های کششی. به طور کلی هر چه تنش فشاری بیشتر باشد دوام پوشش ایجاد شده بیشتر خواهد بود مگر در مواقعی که آنقدر این تنش زیاد باشد که چسبندگی به زیرلایه را تحت تاثیر قرار دهد که در این هنگام برای پوشش های با ضخامت بیشتر مشکل ایجاد می شود. روش تبخیر حرارتی نسبت به دو روش دیگر فرایندی با انرژی کمتر است و لایه هایی که با این روش لایه نشانی می شوند دارای کمترین تنش هستند.

اسپاترینگ چیست؟

اسپاترکوترها

زبری سطح و خاصیت پراکندگی نوری حجم (Bulk Scattering) پوشش ایجاد شده از دیگر ویژگی هایی هستند که باید مورد توجه قرار گیرند. پراکندگی موجب نشتی نور شده و بازده اپتیکی را کاهش داده و باعث کاهش کنتراست تصویر و نرخ سیگنال به نویز (Signal –to-noise ratio) می شود.

در مورد زبری سطح، لایه نازک ایجاد شده با روش اسپاترینگ دارای زبری سطح بیشتری نسبت به لایه نازک ایجاد شده با روش تبخیر حرارتی است.

با افزایش لایه ها در یک پوشش چند لایه، تلرانس قابل قبول برای ضخامت و ضریب شکست نوری لایه ها کمتر می شود وبرای رسیدن به اعداد قابل قبول باید از تجهیزات پیشرفته تری استفاده کرد که این امر موجب افزایش هزینه های تولید این لایه ها میشود. بدیهی است که هدف از تعیین یک پوشش مشخص، انجام شدن وظایف و کارایی های در نظر گرفته شده برای آن پوشش است اما در این میان هزینه ها نیز باید در نظر گرفته شوند. دو پارامتر کلیدی در ساخت فیلترهای با پهنای باند محدود که اغلب در حوزه نظامی به کار می روند طول موج مرکزی (center wavelength (CWL)) و عرض کامل در نیم توان (full-width at half-maximum (FWHM)) است که در لایه نشانی ها باید مد نظر قرار گیرند. یکی دیگر از پارامترهای کلیدی عملکرد مناسب پوشش ها در کاربردهای نظامی مسدود کردن گروهی از طول موج هاست ((OBB) out of band blocking) . برای فیلترهای طول موج مادون قرمز میانی و مادون قرمز بلند که برای کاربردهای نظامی استفاده می شوند، تلرانس طول موج مرکزی (CWL) و نقطه نیم توان ( half-power point (HPP)) معمولا ۰.۵ درصد مقدار طول موج است ولی برای ساخت فیلترهای دقیق تر با تلرانس کمتر هزینه ها افزایش می یابد. به طور مشابه شیب ۲% یا بیشتر قابل قبول است اما برای شیب های بیشتر هزینه های افزایش می یابد. در نتیجه اگر فاصله بین طول موج هایی که باید عبور داده شوند یا بازتاب شوند، زیاد باشد نیازی به اعمال محدودیت های سختگیرانه در فرایند ساخت لایه ها که منجر به افزایش هزینه ها می شود نمی باشد، لازم به ذکر است مسدود کردن گروهی از طول موج ها (OBB) نیز از مواردی است که هزینه بر است. در بیشتر سیستم های نظامی چیزی که واقعا مورد نیاز است مسدود کردن (بلاک کردن) تنها طول موج های کلیدی و یا دسته کوچکی از طول موج هاست. که در نظر گرفتن این موارد موجب ساده شدن فرایند ساخت و کاهش هزینه ها می شود.

پارامترهای مختلف عملکرد فیلترهای میان گذر

ویژگی دیگری که در پوشش های اپتیکی مورد بحث مطرح است، مسطح بودن (flatness) است. تمام فروشندگان ابزار آلات اپتیکی میزان نامی مسطح بودن را قبل از لایه نشانی مشخص می کنند. تنش های مکانیکی ذاتی در پوشش های اپتیکی (که معمولا چگال تر و سخت تر هستند) می توانند میزان مسطح بودن نامی سطح را تا چندین برابر کاهش دهند. علاوه بر این وقتی صحبت از مسطح بودن می شود پارامترهای مهم دیگری هم هستند که باید در نظر گرفته شوند. اول اینکه اگر پوشش اپتیکی قرار است که فقط در فرایند انتقال امواج اپتیکی استفاده شود، میزان مسطح بودن نباید به عنوان یک از پارمترهای اصلی مورد توجه قرار گیرد و به جای آن مشخصه مربوطه به میزان اعوجاج جبهه موج انتقالی است که در عبور یا بازتاب امواج اپتیکی کمتر به تنش های مکانیکی لایه نشانی حساس است، در ضمن مسطح بودن سطح لایه ایجاد شده به نوع پوشش هم مرتبط است. این مساله زمانی بیشتر حس می شود که دو لایه از مواد مختلف با ضخامت های متفاوت در دو طرف یک لایه نازک اپتیکی قرار گیرند که به علت افزایش تنش های مکانیکی، موجب کاهش چشمگیر مسطح بودن سطح می شود.

به طور کلی می توان گفت اپتیک نظامی نقاط مشترک فراوانی با اپتیک تجاری دارد اما در شرایط محیطی و عملکرد یکسان، الزامات برنامه های نظامی بسیار دقیق تر و نشانه گیری و برخورد دقیق به هدف بسیار حیاتی و ضروری تر است. با دستیابی به دانش اینکه تاثیر کدامیک از پارمترهای لایه نشانی بر مشخصه های لایه های ایجاد شده چقدر است و از چه روش لایه نشانی باید استفاده کرد تا بهترین عملکرد حاصل شود، می توان هزینه های مربوط به لایه نشانی را در ساخت سامانه های اپتیکی با کاربردنظامی تا حد زیادی کاهش داد.