 |
پوشش ضد انعکاس با چند لایه
معرفی
پوشش ضد انعکاس مجموعه ای از لایه های نازک و شفاف است که برای کاهش انعکاس روی سطح یک دستگاه نوری مانند لنز اعمال می شود. این کاهش نور منعکس شده منجر به افزایش کارایی سیستم نوری و به حداقل رساندن نور سرگردان می شود که در بسیاری از کاربردهای تصویربرداری مهم است. همچنین می‌توان از پوشش‌های ضد انعکاس بر روی سطوح عینک استفاده کرد تا تابش خیره‌کننده را کاهش دهد و چشم‌های عینک را بیشتر نمایان کند.
ساده ترین نمونه پوشش ضد انعکاس، یک لایه طول موج یک چهارم، یک لایه دی الکتریک منفرد با ضخامت برابر یک چهارم طول موج نور فرودی است. اگر ضریب شکست فیلم برابر با میانگین هندسی ضریب شکست هوا ( n0 ) و بستر ( nS ) باشد، این لایه می تواند ضریب انعکاس را به صفر برساند. برای هوا (1.0) و زیرلایه شیشه معمولی (1.5) این ضریب شکست بهینه sqrt ((1.0) (1.5)) یا تقریباً 1.22 خواهد بود .
به طور معمول هیچ ماده ای با ضریب شکست که ضریب انعکاس آن دقیقاً صفر باشد وجود ندارد. یکی دیگر از اشکالات لایه یک چهارم طول موج این است که در حالی که می تواند از بازتاب نور در یک طول موج جلوگیری کند، مقدار قابل توجهی از تابش را در هر طول موج نزدیک دیگری منعکس می کند. بازتاب لایه یک چهارم طول موج نیز به شدت به زاویه تابش نور بستگی دارد.
یک جایگزین استفاده از پوششی است که از چندین لایه تشکیل شده است. در مقایسه با پوشش‌های تک لایه، پوشش چند لایه احتمال بیشتری دارد که ضریب انعکاس را در یک باند طول موج کاهش دهد و می‌تواند با استفاده از طیف گسترده‌تری از مواد واقعی تولید شود.
در این آموزش، بازتاب دو پوشش چند لایه مختلف در یک محدوده طیفی گسترده مقایسه می شود: یک پوشش یک چهارم (دو لایه) و یک پوشش یک چهارم نیمه (سه لایه). نشان داده شده است که پوشش ربع و نیم چهارم دارای بازتاب کمتری در اکثر طیف مرئی است.
تعریف مدل
شکل 1 هندسه ساده استفاده شده در این مدل را نشان می دهد. این شامل یک جعبه با یک مرز داخلی است که حوزه هوا و بستر را از هم جدا می کند. این مرز همچنین جایی است که ویژگی های فیلم دی الکتریک نازک اضافه می شود.
فلش قرمز (فعال شده در ویژگی ناپیوستگی مواد ) حسی را نشان می دهد که در آن لایه های نازک دی الکتریک روی هم چیده شده اند. آخرین لایه نازک دی الکتریک در مدل ساز نشان دهنده بالاترین لایه نازک در مدل است.
شکل 1: هندسه مورد استفاده برای مدل سازی پوشش های ضد انعکاس چند لایه.
پوشش های ضد انعکاس ساده برای به حداقل رساندن بازتاب در یک طول موج خلاء مشخص، λ 0 طراحی شده اند . پوشش های پیچیده تر می توانند بازتاب را در یک باند نسبتاً بزرگ طول موج با استفاده از لایه های نازک متعدد با خواص مواد مختلف به حداقل برسانند.
در این آموزش دو نوع مختلف پوشش ضد انعکاس چند لایه بررسی شده است. اولی یک پوشش یک چهارم با دو لایه با ضریب شکست متفاوت بر روی سطح یک بستر شیشه ای است. نام “پوشش یک چهارم” از این واقعیت ناشی می شود که هر لایه دارای ضخامت λ 0 /(4 n ) است که n ضریب شکست لایه است.
از نظر تئوری، یک پوشش یک چهارم می تواند بازتاب را در طول موج مشخص شده به صفر برساند. با این حال، به دلیل اینکه مواد واقعی با ضریب شکست ایده آل به ندرت در دسترس هستند، بازتاب صفر معمولاً به دست نمی آید.
در این مثال، بستر از شیشه تشکیل شده است ( ns = 1.5 ) و اولین لایه دی الکتریک نازک از فلوراید منیزیم، MgF 2 ( n 1 = 1.38 ) ساخته شده است. عبارت زیر را می توان برای تعیین ضریب شکست بهینه برای لایه دوم، n 2 استفاده کرد ، به طوری که بازتاب را می توان به صفر کاهش داد:
که در آن ضریب شکست هوا، n a ، 1 در نظر گرفته می شود .
با استفاده از این عبارت مقدار بهینه n 2 برابر با 1.69 است . از جدول 1 ، فلوراید سریم، CeF 3 ، دارای ضریب شکست نزدیک به این مقدار، 1.63 است . با استفاده از این ماده می توان به حداقل بازتاب کمتر از 1% دست یافت.
مواد | ضریب شکست |
فلوراید منیزیم (MgF 2 ) | 1.38 |
دی اکسید سیلیکون (SiO 2 ) | 1.46 |
سریم فلوراید (CeF 3 ) | 1.63 |
اکسید زیرکونیوم (ZrO 2 ) | 2.2 |
سیلیکون (Si) | 3.5 |
بازتاب به عنوان تابعی از طول موج خلاء در شکل 2 نشان داده شده است . یک اشکال قابل توجه پوشش دو لایه این است که بازتاب فقط در یک نوار باریک در اطراف یک طول موج به طور قابل توجهی کاهش می یابد.
شکل 2: بازتاب پوشش یک چهارم.
بازتاب را می توان در طیف وسیع تری از طول موج ها با استفاده از یک فیلم دی الکتریک با سه لایه یا بیشتر کاهش داد. نمونه ای از پوشش سه لایه، پوشش ربع و نیم چهارم است که در آن یک لایه نازک به ضخامت λ / 2 بین دو لایه با طول موج یک چهارم قرار می گیرد.
نتایج و بحث
شکل 3 انعکاس فیلم های یک چهارم و یک چهارم و نیم چهارم را مقایسه می کند. از آنجایی که از ضریب شکست مواد واقعی استفاده می شود، بازتاب پوشش یک چهارم به صفر کاهش نمی یابد. فیلم ربع و نیم ربع بازتاب کمی بیشتر در مرکز باند نشان می‌دهد، اما بازتاب در محدوده طیفی بسیار وسیع‌تری کمتر از 1% باقی می‌ماند.
شکل 3: پاسخ بازتابی برای پیکربندی پوشش یک چهارم و یک چهارم و نیم چهارم.
مسیر کتابخانه برنامه: Ray_Optics_Module/Prisms_and_Coatings/antireflective_coating_multilayer
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard روی  2D کلیک کنید . |
2 | در درخت Select Physics ، Optics>Ray Optics>Geometrical Optics (gop) را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، مطالعات پیش‌فرض برای واسط‌های فیزیک انتخاب شده > ردیابی پرتو را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | ارزش | شرح |
n_air | 1 | 1 | ضریب شکست هوا |
n_glass | 1.5 | 1.5 | ضریب شکست شیشه |
n_CeF3 | 1.63 | 1.63 | ضریب شکست CeF3 |
n_MgF2 | 1.38 | 1.38 | ضریب شکست MgF2 |
n_ZrO2 | 2.2 | 2.2 | ضریب شکست ZrO2 |
lam0 | 550[nm] | 5.5E-7m | طول موج خلاء |
هندسه 1
مربع 1 (مربع 1)
1 | در نوار ابزار هندسه ، روی  مربع کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مربع ، برای گسترش بخش لایه ها کلیک کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام لایه | ضخامت (متر) |
لایه 1 | 0.5 |
4 |  روی Build All Objects کلیک کنید . |
مواد
مواد 1 (mat1)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Materials راست کلیک کرده و Blank Material را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Material ، قسمت Material Contents را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
ضریب شکست، قسمت واقعی | n_iso ; nii = n_iso، nij = | n_air | 1 | ضریب شکست |
مواد 2 (mat2)
1 | روی Materials کلیک راست کرده و Blank Material را انتخاب کنید . |
2 | فقط دامنه 1 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای Material ، قسمت Material Contents را پیدا کنید . |
4 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
ضریب شکست، قسمت واقعی | n_iso ; nii = n_iso، nij = | n_glass | 1 | ضریب شکست |
اپتیک هندسی (GOP)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Geometrical Optics (gop) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای اپتیک هندسی ، بخش محاسبه شدت را پیدا کنید . |
3 | از فهرست محاسبه شدت ، محاسبه شدت و توان را انتخاب کنید . |
4 | بخش Ray Release and Propagation را پیدا کنید . از لیست توزیع طول موج پرتوهای آزاد شده ، Polychromatic را انتخاب کنید ، طول موج خلاء را مشخص کنید . |
5 | در قسمت متنی Maximum number of secondary rays 0 را تایپ کنید . |
با استفاده از دو ویژگی فیلم دی الکتریک نازک، پوشش ضد انعکاس یک چهارم را تنظیم کنید .
نمایش مرز نرمال در پنجره Graphics مفید است زیرا این نشان دهنده ترتیب چینش لایه های نازک است. فلش در جهت دور از بستر است، بنابراین اولین لایه ای که در Model Builder ظاهر می شود در مجاورت زیرلایه و آخرین لایه ای که ظاهر می شود مجاور حوزه هوا است.
ناپیوستگی مواد 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)> Geometrical Optics (gop) روی Material Discontinuity 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ناپیوستگی مواد ، بخش تنظیمات پیشرفته را پیدا کنید . |
3 | تیک Show boundary normal را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Coatings را پیدا کنید . از لایه های دی الکتریک نازک در لیست مرزی ، افزودن لایه ها به سطح را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Rays to Release را پیدا کنید . از لیست Release reflected rays ، هرگز را انتخاب کنید . هنوز هم می توان بازتاب پوشش را بر اساس شدت پرتوهای ارسالی تجزیه و تحلیل کرد، حتی اگر هیچ پرتوی بازتابی در مرز منتشر نشود. |
فیلم دی الکتریک نازک 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Attributes کلیک کنید و Thin Dielectric Film را انتخاب کنید . |
لایه اول (مستقیم با زیرلایه شیشه) لایه CeF 3 با ضریب شکست 1.63 است. ضخامت یک چهارم طول موج در این ماده تنظیم شده است.
2 | در پنجره تنظیمات فیلم دی الکتریک نازک ، بخش ویژگی های فیلم را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن n ، n_CeF3 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن t ، lam0/(4*n_CeF3) را تایپ کنید . |
ناپیوستگی مواد 1
در پنجره Model Builder ، روی Material Discontinuity 1 کلیک کنید .
فیلم دی الکتریک نازک 2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Attributes کلیک کنید و Thin Dielectric Film را انتخاب کنید . |
لایه دوم (در بالای لایه 1) لایه MgF 2 با ضریب شکست 1.38 است. ضخامت این لایه نیز روی یک چهارم طول موج تنظیم شده است.
2 | در پنجره تنظیمات فیلم دی الکتریک نازک ، بخش ویژگی های فیلم را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن n ، n_MgF2 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن t ، lam0/(4*n_MgF2) را تایپ کنید . |
در مرحله بعد، ویژگی Release From Grid را تنظیم کنید تا تعدادی پرتو با طول موج های مختلف از 400 نانومتر تا 800 نانومتر منتشر کند.
انتشار از گرید 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Global کلیک کنید و Release from Grid را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتشار از شبکه ، بخش مختصات اولیه را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن q x، 0 ، 0.5 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن q y، 0 ، 1 را تایپ کنید . |
5 | قسمت Ray Direction Vector را پیدا کنید . بردار L 0 را به صورت مشخص کنید |
0 | ایکس |
-1 | y |
6 | قسمت خلاء طول موج را پیدا کنید . از لیست تابع توزیع ، فهرست مقادیر را انتخاب کنید . |
7 |  روی Range کلیک کنید . |
8 | در کادر محاوره‌ای Range ، تعداد مقادیر را از لیست روش ورود انتخاب کنید . |
9 | در قسمت متن شروع ، 400[nm] را تایپ کنید . |
10 | در قسمت متن توقف ، 800[nm] را تایپ کنید . |
11 | در قسمت متنی Number of values عدد 100 را تایپ کنید . |
12 | روی Replace کلیک کنید . |
یک مرحله مطالعه Ray Tracing را برای محاسبه مسیرهای پرتو تا حداکثر طول مسیر نوری 1.1 متر تنظیم کنید .
مطالعه 1
مرحله 1: ردیابی اشعه
1 | در پنجره Model Builder ، در مطالعه 1 ، روی Step 1: Ray Tracing کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ردیابی پرتو ، بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 | از لیست مشخصات مرحله زمان ، تعیین حداکثر طول مسیر را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت متن Lengths ، range(0,0.01,1.1) را تایپ کنید . |
5 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
انعکاس
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، Reflectance را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست Dataset ، Ray 1 را انتخاب کنید . |
4 | از لیست انتخاب زمان ، آخرین را انتخاب کنید . |
5 | برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . از لیست نوع عنوان ، دستی را انتخاب کنید . |
6 | در قسمت متن عنوان ، Reflectance of Multilayer Films را تایپ کنید . |
7 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
8 | چک باکس x-axis label را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، طول موج Vacuum (nm) را تایپ کنید . |
9 | کادر بررسی برچسب محور y را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، Reflectance (%) را تایپ کنید . |
اشعه 1
1 | در نوار ابزار Reflectance ، روی  More Plots کلیک کنید و Ray را انتخاب کنید . |
درصد بازتاب را رسم کنید.
2 | در پنجره تنظیمات برای Ray ، بخش y-Axis Data را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Expression ، 100*(gop.relg1.Q0-gop.Q)/gop.relg1.Q0 را تایپ کنید . |
4 | قسمت x-Axis Data را پیدا کنید . از لیست Parameter ، Expression را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن Expression ، gop.lambda0 را تایپ کنید . |
6 | از لیست واحد ، nm را انتخاب کنید . |
7 | برای گسترش بخش Legends کلیک کنید . تیک Show legends را انتخاب کنید . |
8 | از فهرست Legends ، Manual را انتخاب کنید . |
9 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
ربع ربع |
10 | در نوار ابزار Reflectance ، روی  Plot کلیک کنید . نمودار باید مانند شکل 2 باشد . |
در مرحله بعد، برای شبیه سازی یک چهارم و نیم لایه، یکی دیگر از ویژگی های Thin Dielectric Film اضافه کنید . ماده لایه میانی اکسید زیرکونیوم، ZrO 2 با ضریب شکست 2.2 انتخاب شده است. ضخامت را روی نصف طول موج مشخص شده تنظیم کنید.
اپتیک هندسی (GOP)
ناپیوستگی مواد 1
در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)> Geometrical Optics (gop) روی Material Discontinuity 1 کلیک کنید .
فیلم دی الکتریک نازک 3
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Attributes کلیک کنید و Thin Dielectric Film را انتخاب کنید . |
این لایه بین دو لایه نازک دیگر قرار می گیرد، بنابراین گره آن باید در Model Builder جابجا شود.
2 | روی Thin Dielectric Film 3 کلیک راست کرده و Move Up را انتخاب کنید . |
3 | در پنجره تنظیمات فیلم دی الکتریک نازک ، بخش ویژگی های فیلم را پیدا کنید . |
4 | در قسمت متن n ، n_ZrO2 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن t ، lam0/(2*n_ZrO2) را تایپ کنید . |
یک مطالعه دیگر اضافه کنید تا بتوان این دو فیلم را با هم مقایسه کرد.
اضافه کردن مطالعه
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study باز شود . |
2 | به پنجره Add Study بروید . |
3 | زیربخش مطالعات را پیدا کنید . در درخت انتخاب مطالعه ، مطالعات پیش‌فرض برای واسط‌های فیزیک انتخاب شده > ردیابی پرتو را انتخاب کنید . |
4 | روی Add Study در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study بسته شود . |
مطالعه 2
مرحله 1: ردیابی اشعه
1 | در پنجره تنظیمات برای ردیابی پرتو ، بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
2 | از لیست مشخصات مرحله زمان ، تعیین حداکثر طول مسیر را انتخاب کنید . |
3 | در قسمت متن Lengths ، range(0,0.01,1.1) را تایپ کنید . |
4 | از لیست وضعیت توقف ، بدون پرتوهای فعال باقی مانده را انتخاب کنید . |
5 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
پرتو 2
1 | در پنجره Model Builder ، در Results>Reflectance روی Ray 1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Ray ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست Dataset ، Ray 2 را انتخاب کنید . |
4 | از لیست انتخاب زمان ، آخرین را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Legends را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
ربع-نیم-ربع |
6 | در نوار ابزار Reflectance ، روی  Plot کلیک کنید . نتیجه را با شکل 3 مقایسه کنید . |
