تجاری سازی ساختار نانو بافتی ضد بازتاب برای افزاره اپتیک لیزری

ساختار نانوبافتی ضد بازتاب[۱] کارایی اپتیکی بالا، جذب سطحی کم و مقاومت بالا در مقابل آسیبهای لیزری دارند. این موضوع سبب پایداری طولانی مدت باریکه می­شود.
در بیشتر سیستم­های اپتیکی، بازتاب از افزاره های اپتیکی فرستنده برای عملکرد سیستم مضر است. با بهینه کردن سطح فرستنده این بازتا­ب­ها قابل حذف هستند. یک تکنولوژی بسیار مناسب برای تهیه سطوح ضد بازتاب در طول موج ­های لیزری، پوشش دهی اپتیکی فیلم نازک[۲] است. این پوشش شامل لایه ­های نازک و متناوبی از مواد است که روی سطح لنز لایه نشانی شده اند. ویژگی ماده و ضخامت دقیق هر لایه، مشخصات ضد بازتابی لایه فیلم نازک نهایی را تعیین می­کند.  
با وجود محبوبیت این لایه ­ها، محدودیت­های تجربی تجهیزات ساخت فیلم نازک و مواد مورد استفاده، طراح اپتیکی را ناچار می­کند که افزاره مورد نظر تنها برای یک یا دو طول موج لیزری بهینه شود و برای سایر طول موج ­های نزدیک به طول موج لیزر بازتابندگی بالایی داشته باشد.
نانوساختارهای ضد بازتاب تصادفی[۳] (RAR) چنین محدودیت­های کاربردی را ندارند و می­توانند برای بازتابهای بسیار اندک حول یک محدوده طول موجی وسیع بکار گرفته شوند. این تکنیک میتواند توسط طراح سیستم لیزر با جایگزین کردن پنجره­ ها و لنزهای لایه نشانی شده رایج و گران قیمت با طرحهای خاص برای پوشش دادن محدوده وسیعی از طول موج های لیزری بکار گرفته شود.
از زمانی که ویلسون و هاتلی قابلیت­ها و مزایای ساختار سطح ضد بازتاب “چشم حشرات[۴]” را در سال ۱۹۸۲ بیان کردند، کمیته فوتونیک به دنبال این است که افزاره های اپتیکی ضد بازتابی با چنین خاصیتی تجاری شوند. در حالیکه چندین سازمان تحقیقاتی جزئیات مزایای ساختار نانو بافت ضد بازتاب چشم حشرات را ارائه کرده ­اند، توانمندی تولید این صفحات با قیمت کم و در حجم بالا در حال بررسی است.
شرکت TelAztec  (برلینگتون، MA) در حال توسعه و آزمایش تعداد زیادی ساختارهای نانوبافت AR، شامل طراحی آنها از بافتهای پریودیک (از جمله طراحی ساختارهای چشم حشره، هیبرید و ساختار زیرطول موجی) تا بافتهای RAR با توزیعی تصادفی از آرایه های نانو مقیاس است. این شرکت نحوه تولید ساختارها را به صورت طرح ارائه کرده است (شکل ۱).

در حالیکه بافتهای پریودیک نیاز به مرحله لیتوگرافی بعد از مرحله حکاکی دارند، بافت RAR تنها در یک مرحله در چرخه حکاکی پلاسمای خشک تولید می­شود و این مساله هزینه و زمان ناشی از فرآیند لیتوگرافی را حذف می­کند. فرآیند ساخت و شکل دهی RAR در حال حاضر در نقطه ­ای است که از نظر کیفی و طول عمر در دریچه ها و لنزهای لیزر بخصوص لیزرهای پیوسته توان بالا و لیزرهای پالسی صنعتی و پزشکی، جواب داده است.

کارآیی و عملکرد نانو بافت RAR

نانو بافتهای AR تصادفی مشابه بافت­های چشم حشره هستند که در نتیجه عبور نور از میان آنها چگالی ماده (ضریب شکست) به صورت تدریجی تغییر میکند. چگالی، ابعاد و ارتفاع بافتهای RAR میزان موثر بودن بافت مورد نظر در حذف نور بازتابی را نشان می­دهند.

برخلاف پوششهای تداخلی فیلم نازک، اثر گرادیان ضریب شکست در طراحی بافت RAR، زمانیکه زاویه پذیرش ۶۰ درجه و فراتر باشد عملکرد این بافت را در پهنای باند وسیع و با اتلاف بسیار کم امکانپذیر میسازد. برای مثال، پنجره­ ها یا لنزهای لیزر بافت RAR پهن باند رایج (برای مثال Corning ۷۹۸۰ grade 0A high-purity fused silica) برای اتلاف بازتاب کمتر از ۰٫۱ درصد حول محدوده طیفی ۵۳۲ تا ۱۱۰۰ نانومتر یا به طور مشابه برای محدوده ۲۶۶ تا ۵۳۲ نانومتر با کمترین اتلاف در زاویه تابش ۴۵ درجه طراحی شده ­اند.
با افزایش توان لیزر در کاربرد­های مختلفی مثل برش، ذوب، پزشکی، سنسورها و دفاعی-نظامی، نیاز به سطح AR با طول عمر زیاد و آستانه تخریب بالا برای طراحان اپتیکی بسیار اهمیت پیدا کرده است.
یکی از راهبردهای بسیار مهم برای افزایش آستانه تخریب در برابر لیزر و افزایش طول عمر افزاره های اپتیک لیزری، کاهش جذب ذاتی از سطح است که با پوشش دهی ضد بازتاب فیلم نازک دی الکتریک[۵]  (TFARCs)حاصل می­شود. اگر چه TFARCs میتواند برای کمینه کردن جذب طراحی شود، اندازه ­گیری جذب سطحی فیلم نازک لایه ­نشانی شده نشان میدهد که سطح دارای نقاط تیز جذبی است. این نقاط تیز مربوط به نقاط داغ هستند که سبب تخریب و آسیب به سطح فیلم نازک می­شوند.
در مقابل، از آنجایی که هیچ ماده ناهمسانی در فرآیند ساخت نانوبافت RAR استفاده نمی­شود، تست جذب نشان می­دهد که هیچ جذبی در سطح بافت RAR رخ نمی­دهد. این موضوع حرارت سطح را کاهش می­دهد و در نتیجه افزاره اپتیکی با پوشش RAR  نسبت به نمونه­های TFARC در دماهای پایینتری می­تواند عمل ­کند. این خاصیت سبب کاهش لنزشدگی حرارتی شده و پایداری طولانی مدت باریکه با RAR را نتیجه می­دهد. با وجود این مزایای چشمگیر، نتایج تست تخریب لیزرهای پالسی و پیوسته نشان داده است که سطح آستانه تخریب لیزری در افزاره اپتیکی با پوشش RAR به مراتب بالاتر از پوشش دهی AR فیلم نازک پنجره لیزرهای توان بالا است (شکل ۲).

دسترس پذیری RAR
علیرغم اینکه افزاره اپتیکی با پوشش RAR مزایای زیادی نسبت به لایه­ نشانی فیلم نازک دارد، تا مدتی پیش، این بافتها در دسترس نبودند. در حال حاضر با توجه به تکنولوژی موجود، انعطاف پذیری و قدرت تکنولوژی RAR، این بافت از ابعاد کوچک تا حجم مورد نظر گسترده شده است.

افزاره اپتیکی با پوشش RAR دارای مزیت قابل توجهی در ارائه بازتابندگی کم در محدوده گسترده ای از طول موج است و این اجازه را میدهد تا بافت RAR به عنوان یک پوشش ضد بازتاب برای چند طول موج لیزر به طور همزمان عمل کند. به عنوان مثال، جریان سیتومتر به طور معمول چندین لیزر را با محدوده های طول موجی از NUV تا NIR پوشش میدهد. پوشش دهی AR فیلم نازک که برای طیف گسترده ­ای از طول موج­ های جریان سیتومتری طراحی شده است، برای داشتن عملکرد قابل قبول در این گستره وسیع، باید سازش­های قابل توجهی در حداکثر بازتاب یا زاویه تابش داشته باشند. به احتمال زیاد، یک طراحی پوشش منحصر به فرد برای هر طول موج ضروری است.

از طرف دیگر، یک بافت مجزای RAR می­تواند برای محدوده کاملی از طول موج استفاده شود. به علاوه ذات پهنای باند وسیع پوشش دهی RAR این اطمینان را می­دهد که یک افزاره در طول موج مورد نظر در دسترس است. این موضوع تنظیم طول موج را حین طراحی سیستم اپتیکی لیزری ساده می­کند. در مقایسه با پوشش دهی فیلم نازک سابق، منابع طراحی اضافی برای هر طول موج نیاز نیست.  
افزاره اپتیکی با پوشش RAR در فاز ساخت سیستم­های اپتیکی نیز مزایایی دارد. یک بافت RAR با وجود اینکه می­تواند چندین طول موج را پوشش دهد، نیازی به فرآیند تولید جداگانه برای هر طول موج ندارد. بعلاوه مدت زمان لازم برای ساخت بافت RAR به مراتب کمتر از زمان مورد نیاز برای لایه نشانی یک فیلم نازک است.