شکل1: آینه‌های کریستالی ، هر کدام حاوی یک روکش نیمه‌هادی با قطر 5 میلی‌متر (با یک سطح تخت کوچک برای اهداف جهت‎گیری) به یک بستر سیلیس گداخته با قطر 16 میلی‌متر متصل شده‌است.

آینه‌های کریستالی

آینه‌های کریستالی آینه‌های چند لایه‌ای هستند که حداقل قسمت‌های بازتابنده آن‌ها از مواد اپتیکی تک کریستالی (به‌طور معمول از نیمه‌هادی‌ها) تشکیل شده‌است. اصل اساسی عملکرد آن‌ها معمولاً بازتابش از توزیع براگ یا به ‌طور کلی یک روکش تداخلی اپتیکی است: ساختار آینه شامل یک توالی از لایه‌های اپتیکی نازک شفاف است و به‌ طور معمول از دو ماده متناوب دارای ضریب ‌شکست مختلف تشکیل شده است. بازتاب فرنل حاصل از یک فصل مشترک تکی بین دو ماده بسیار ضعیف است، اما بازتاب‌های چندگانه به‌طور همدوس جمع می‌شوند، به‌طوری‌که بازتابش کلی از دستگاه‌های آینه‎ای به‌دست می‌آید. در بعضی موارد، بازتاب (بازتابندگی) بسیار نزدیک به 100%است، بنابراین می‌توان این آینه‌های براگ را ابرآینه نامید.

آینه‌های دی‌الکتریک نیز بر اصل عملکردی مشابهی پایه‌گذاری می‌شوند، فقط این ‌که آن‌ها براساس مواد لایه‌ای دی‌الکتریک ساخته شده‌اند، که معمولا بجای تک کریستالی، آمورف[1] هستند. آینه‌های اندوده‌ شده با فلز به‌عنوان آینه‌های کریستالی در نظر گرفته نمی‌شوند، زیرا ساختار تک‌کریستالی ندارند.

.

ساخت آینه‌های کریستالی

آینه‌های نیمه‌هادی کریستالی را می‌توان با روش‌های اپیتاکسیال[2] مانند اپیتاکسی پرتوی مولکولی (MBE) یا رسوب بخار شیمیایی فلز – آلی (MOCVD) تولید کرد. برای به‌دست آوردن لایه‌های کاملا تک‌ کریستال، استفاده از یک بستر تک کریستالی الزامی است: این الگوی رشد ساختار را در یک منطقه بزرگ، جایی که رشد خود سازمان‌یافته امکان‌پذیر نیست، تعریف می‌کند.

آرسناید گالیوم (GaAs)، ماده نیمه‌ هادی رایج برای بستر است و آلومینیوم گالیم آرسناید () یک ماده لایه‌ای مناسب است. این ماده حاوی گالیم متغیر x است که بر ضریب شکست و همچنین انرژی گپ باند در حدود ثابت شبکه (مقدار کوچکی است) تأثیر می‌گذارد. یک آینه براگ ممکن است حتی از GaA و AlA ساخته شود، اما به‌ هر حال مقدار کمی گالیوم، مثلا 10٪، اغلب برای کاهش تمایل به اکسیداسیون در هوای محیط در ترکیب آن در نظر گرفته می‌شود. یکی دیگر از مواد معمول بستر، فسفید ایندیوم (InP) است که اغلب در مدارهای فوتونیکی[3] استفاده می‌شود. چنین مواد نیمه ‌هادی در لیزر دایودها و سایر لیزرهای نیمه ‌هادی نیز کاربرد زیادی دارند. آینه‌های نیمه ‌هادی براگ بیشتر در لیزرهای نیمه ‌هادی گسیلنده از سطح از قبیل لیزرهای گسیلنده سطحی کاواک عمودی (VCSEL)[4] و لیزرهای گسیلنده سطحی کاواک خارجی عمودی (VECSELs)[5] و همچنین در آینه‌های جاذب اشباع شونده نیمه‌هادی (SESAMs)[6] استفاده می‌شود. با این وجود می‌توان از آینه‌های نیمه رسانای کریستالی نیز به‌عنوان قطعات جداگانه استفاده کرد.

همچنین نشان داده شده ‌است که چند لایه GaP / AlGaP را می‌توان روی سیلیکان تک‌کریستالی رشد داد. در مقایسه با آینه‌های مبتنی بر GaAs، مزیت این روش آن‌ است که می‌توان آینه‌های بسیار بزرگتری را تولید کرد، زیرا بسترهای سیلیکانی با کیفیت بالا با قطر بزرگ (گاهی اوقات> 400 میلی‌متر) به‌راحتی در دسترس هستند. با این‌حال، فناوری ساخت آینه‌های سیلیکان GaP / AlGaP / هنوز به ‌اندازه آینه‌های مبتنی بر GaAs پیشرفته نیست.

برای کاربردهای عمومی اپتیک، به ‌ویژه برای آینه‌ کاواک‌های با اتلاف کم، بستر نیمه ‌هادی زیر یک آینه چند لایه‌ای کریستالی ممکن است یک اختلال محسوب شود، که می‌تواند در اثر جذب نور عبوری یا مشکلات تولید پوشش ضد بازتابش قوی در قسمت زیرین ایجاد شده باشد. همچنین، آینه اندوده ‌شده اغلب در بسترهای منحنی مثل آینه‌های یک تشدیدگر اپتیکی پایدار مورد نیاز است، که این ساختار با روش‌های رشد اپیتاکسیال سازگار نیست. بنابراین، تکنیک‌هایی برای از بین بردن ساختار آینه واقعی از بستر نیمه‌هادی و اتصال اپتیکی آن به برخی از بسترهای شفاف دیگر وجود دارد. به‌طور معمول از یک ماده دی‌الکتریک مانند سیلیس گداخته یا سافایر گسترش یافته ‌استفاده می‌شود. با این روش حتی اتصال اپتیکی با کیفیت بالا با یک ماده بستر با انحنای کم نیز امکان‌پذیر است، بنابراین می‌توان آینه‌های کانونی کننده یا واگرا را ایجاد کرد، که دستیابی به آن با یک بستر تک‌کریستال دشوار است. علاوه ‌بر این، این روش برای گسترش انتخاب آینه‌های کریستالی روی بسترهایی با هندسه‌ها و مواد مختلف بسیار سودمند است.

یک اثر جانبی مثبت روش ساخت ذکر شده که شامل حذف بستر و پیوند اپتیکی می‌باشد، این است که چگالی نقص ساختار لایه رشد یافته، تمایل دارد که به‌ طور قابل توجهی در کنار بستر باشد. بنابراین، پس از انتقال ساختار آینه به بستر میزبان نهایی، کیفیت اپتیکی آینه به‌دست آمده حتی بیشتر هم می‌تواند باشد.

دستیابی به قابلیت بازتابندگی

برای تولید آینه‌های براگ با بازتاب بسیار بالا، ترکیبی از اختلاف ضریب‌ شکست با کیفیت مواد بالای لایه‌های نیمه‌هادی تک‌ کریستال رشد یافته به ‌صورت اپیتاکسی، مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش  در برخی از مناطق طول موج، دارای بازتاب بسیار بالایی است و به تولید ابرآینه می‌انجامد. البته بهترین ابرآینه‌ها با مواد دی‌الکتریک ساخته می‌شوند.

بیشترین قابلیت بازتابندگی در ناحیه‌ای اتفاق می‌افتد که کمترین جذب وجود داشته باشد، مثلا طول موج‌هایی بالاتر از طول موج شکاف انرژی، این ویژگی را دارند. علاوه بر این اتلاف ناشی از پراکندگی نیز باید حداقل باشد. دو دسته مهم از آینه‌ها که بازتابندگی خاص دارند به این ترتیب هستند:

• ابرآینه‎‌ اپتیکی که عموماً یک آینه براگ (به‌طور معمول یک آینه دی‌الکتریک) است که برای بازتاب بسیار بالا مثلا %9999/99 بهینه شده ‌است. این بدان معنی است که بازتاب از دست رفته زیر ppm1 است. دو آینه با بازتاب بسیار زیاد، یک تداخل‌سنج فابری پرو با ظرافت بزرگ‌تر از 3 میلیون و افزایش میدان قوی درون کاواک را تشکیل می‌دهند. فاکتور Qیک کاواک ابرآینه می‌تواند بالای  باشد.

ابرآینه‌ها غالبا آینه‌های دی‌الکتریکی هستند که با لایه‌های توسط پراکنش پرتو یونی ساخته شده‌اند. در این رده آینه‌‌های کریستالی با پیک بازتاب بیش از %9997/99 وجود دارند. ابرآینه‌ها را می‌توان در آزمایش‌های اپتیک کوانتومی مشخص و برای برخی اندازه‌گیری‌هایی با دقت بسیار بالا، به‌عنوان مثال در تداخل‌سنج‌های با ظرافت بسیار زیاد یا ژیروسکوپ‌های اپتیکی استفاده کرد. اصطلاح ابرآینه در بازتاب‌دهنده‌های اشعه ایکس و نوترون نیز متداول است.

• آینه‌های بازتابی متغیر یا آینه‌های با بازتاب درجه‌بندی شده، آینه‌هایی هستند که از نظر بازتاب (یا بازتابندگی) تغییرات فضایی دارند. به‌طور معمول، طراحی آینه به‌صورت شعاعی متقارن است، یعنی بازتاب فقط به‌فاصله r از مرکز آینه بستگی دارد. به‌عنوان مثال، آینه‌های گاوسی وجود دارد که در آن‌ها بازتاب توسط یک تابع گوسی کنترل می‌شود:

که در آن  پارامتری است که عرض تابع گوسی را تعیین می‌کند. سایر پروفایل‌ها مانند ابرگوسی، سهموی یا بسل نیز امکان پذیر هستند. همچنین آینه‌های وابسته به مختصات خطی هم موجود هستند.

یک راه ممکن برای تولید این آینه‌ها لایه نشانی تک لایه بازتابنده نسبتا قوی، مثلا یک روکش فلزی یا یک ماده دی‌الکتریک با ضریب شکست بالا، با ضخامت‌های مختلف روی یک بستر آینه است. استفاده از بستر گردان هنگام لایه نشانی و یا اشعه لیزر از روش‌های مناسب ساخت این آینه‌ها هستند.

 

کاهش نویز مکانیکی دارای منشأ حرارتی

عملکرد تداخل‌سنج‌های بسیار حساس، مثلا آشکارسازهای موج گرانشی و کاواک‌های مرجع بسیار پایدار که برای تثبیت لیزر در ساعت‌های اپتیکی بسیار دقیق به‌کار می‌رود، می‌تواند توسط حرکت براونی سطح آینه‌ها محدود شود، این امر باعث ایجاد نویز فاز اضافی می‌شود. با توجه به قضیه افت وخیز-اتلاف، چگالی طیفی توان نویز حرارتی توسط تلفات مکانیکی (میرایی ناشی از اتلاف داخلی) ماده تعیین می‌شود. توجه داشته باشید که نویز حرارتی در فرکانس‌های نزدیک به فرکانس‌های تشدید مکانیکی در صورت میرایی مکانیکی کم می‌تواند بسیار شدید باشد. با این‌حال، نویز در سایر فرکانس‌های (غیر تشدیدکننده) کاهش می‌یابد. در کاربردهای عملی، ممکن است نویز مکانیکی ذکر شده مشکلی نداشته باشند، به‌ عنوان مثال اگر فرکانس‌های مربوط به نویز مربوطه پایین‌تر از پایین‌‌ترین فرکانس رزونانس باشند.

مشخص شده ‌است که مواد تک‌کریستالی اندوده‌ شده، به ‌طور کلی میرایی مکانیکی بسیار کمتری نسبت به مواد اندوده شده آمورف دارند. به‌عنوان مثال، آینه‌های مبتنی بر GaAs می‌توانند کمتر از یک صدم شاخص اتلاف مکانیکی را نسبت به لایه‌های  در دمای اتاق یا در دمای برودتی نشان‌ دهند. بنابراین، می‌توان برای کاهش قابل توجهی از نویز فاز ناشی از حرارت، از آینه‌های کریستالی استفاده کرد.

در مورد آینه‌های دی‌الکتریک، سهم قابل توجهی از نویز حرارتی می‌تواند از مواد چند لایه آمورف حاصل شود که سهم دیگری از بستر است. گاهی ترکیب یک ساختار آینه تک ‌کریستال با یک بستر آمورف، به دلایل مختلف مورد نیاز است، این ترکیب می‌تواند در مقایسه با آینه‌های دی‌الکتریک معمولی از نظر نویز هم بسیار بهتر عمل کند. با توجه به اینکه ثابت شده است به این روش می‌توان نویز مکانیکی را کاهش قابل توجهی داد، از این روش ترکیبی برای کاربرد‌های مختلف در اندازه‌گیری اپتیکی و آشکارسازی موج گرانشی می‌توان بهره برد.

نویز فاز ناشی از حرارت را می‌توان با کار در دمای پایین، کاهش بیشتری داد. جدا از کاهش انرژی گرمایی ، عملیات برودتی می‌تواند باعث کاهش بیشتر میرایی مکانیکی در فیلم‌های نازک تک کریستال شود، در حالی‌که ساختارهای آمورف افزایش تلفات مکانیکی را در دمای برودتی نشان می‌دهند.

برای برخی از کاربردها با توان بالا، رسانایی گرمایی بالای لایه‌ اندوده شده آینه‌های‌کریستالی نیز می‌تواند سودمند باشد.

 

 

 

[1] Amorphous: جامد آمورف یا بی‌ریخت، جامدی است که در آن اجزای تشکیل‌دهنده (اتم‌ها/مولکول‌ها) بر خلاف مواد بلورین نظم بلند دامنه نداشته و فقط نظم کوتاه‌برد دارند.

[2]  اپیتاکسی عموماً به رشد جهت دار یک زیرلایه کریستالی با یک زیرلایه دیگر اتلاق می‌گردد.

[3] Photonic Integrated Circuits

[4] Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser

[5] Vertical External-Cavity Surface -Emitting Laser

[6] Semiconductor saturable-absorber mirrors