المواد الحرجة لمرشح الأشعة فوق البنفسجية الفراغية (VUV)

تحتل بصريات الأشعة فوق البنفسجية الفراغية (VUV) مكانة صغيرة ولكنها سريعة التوسع في مجال الضوئيات الحديثة. سوف نناقش المواد الهامة التي تجد تطبيقًا في مرشحات الأشعة فوق البنفسجية الفوق بنفسجية، بما في ذلك الطلاءات ذات الأغشية الرقيقة وركائز النوافذ السائبة. نأمل أن يكون لديك فهم أفضل لكيفية تأثير اختيار المواد تأثيرًا مباشرًا على أداء المرشح والموثوقية على المدى الطويل.

تحدي الشفافية بالأشعة فوق البنفسجية فوق البنفسجية

قبل الخوض في المواد، يجب الإشارة إلى سبب صعوبة البصريات بالأشعة فوق البنفسجية فوق البنفسجية على وجه التحديد. بالنسبة لغالبية المواد في هذا النطاق الموجي، تكون التحولات الإلكترونية قريبة جدًا من طاقة فوتون الأشعة فوق البنفسجية فوق البنفسجية بحيث يكون هناك امتصاص شديد. فقط في بعض الفلوريدات البلورية وبعض الطلاءات يمكن للمرء أن ينقل بشكل واقعي حتى 120 نانومتر أو أقل. وفي الوقت نفسه، يجب أن تكون هذه المواد مقاومة للإشعاع عالي الطاقة والتعرض المحتمل للظروف التفاعلية والدوران الحراري في الأنظمة البصرية عالية الطاقة. وبالتالي يصبح المجال محدودًا لمجموعة محدودة من المواد المرشحة.

بلورات الفلورايد كركائز للنوافذ

من بين مواد النوافذ السائبة، تهيمن فلوريدات الهاليدات القلوية الأرضية والقلوية. ولديها فجوات نطاق واسعة تسمح لها بالنقل بشكل جيد إلى الأشعة فوق البنفسجية فوق البنفسجية، ولكنها توفر خصائص فيزيائية وميكانيكية مستقرة نسبيًا.

--فلوريد المغنيسيوم (MgF₂):

MgF₂ هو أحد أكثرالمواد المستخدمة على نطاق واسع في نوافذ الأشعة فوق البنفسجية. ينتقل إلى حوالي 115 نانومتر ويمكن استخدامه في معظم أنظمة التحليل الطيفي والطباعة الحجرية. ويتمتع MgF₂ بقوة ميكانيكية كافية ومقاومة للرطوبة، مما يجعله أكثر قوة مقارنةً ببلورات الفلورايد الأخرى. كما أن معامل انكساره المعتدل نسبيًا يبسط أيضًا تصميم الطلاء المضاد للانعكاس.

-فلوريد الليثيوم (LiF):

يمتد انتقالالليثيوم فلوريد الليثيوم إلى أقل من 105 نانومتر تقريبًا وهو مناسب بشكل مثالي للتطبيقات فوق البنفسجية فوق البنفسجية الشديدة. ومع ذلك، فهو استرطابي ويمتص الماء بسهولة ويتدهور في درجات الحرارة الرطبة. كما أن فلوريد الليثيوم أكثر ليونة وهشاشة من MgF₂ وهو غير مناسب بشكل مثالي للبيئات القاسية أو التركيبات الدائمة إلا إذا كان محميًا بشكل جيد.

-فلوريد الكالسيوم (CaF₂):

يشتهر CaF₂ بالأشعة فوق البنفسجية العميقة (DUV) بدلاً من تطبيق الأشعة فوق البنفسجية الحقيقية التي تصل إلى 125 نانومتر تقريبًا. وهو منتشر للغاية ورخيص نسبيًا وأقل حساسية للرطوبة من LiF. وهو لا يتغلغل في الأشعة فوق البنفسجية فوق البنفسجية مثل LiF أو MgF₂، ولكنه لا يزال يستخدم في الأنظمة المتوازنة من حيث التكلفة والمتانة والشفافية.

كما توجد مواد أخرى مثل فلوريد الباريوم (BaF₂) وفلوريد السترونتيوم (SrF₂) في بعض الاستخدامات، على الرغم من أنها ليست مرغوبة مع زيادة قابلية الذوبان والتفاعل مع البيئة المحيطة.

مزيد من القراءة: مواد الفلورايد الشائعة في التطبيقات الصناعية

مواد رقيقة الأغشية الرقيقة لمرشحات الأشعة فوق البنفسجية

بينما تحدد الركائز الركيزة الشفافة، تحدد الطلاءات ذات الأغشية الرقيقة الانتقائية الطيفية لمرشحات الأشعة فوق البنفسجية. ومن المعروف أن بناء مداخن فعالة متعددة الطبقات في هذا الجزء من الطيف أمر صعب لأن عددًا قليلًا جدًا من المواد تمتلك امتصاصًا منخفضًا مقترنًا بتباين معامل انكسار عالٍ.

• طلاءات الفلورايد:

تُستخدم الأغشية الرقيقة MgF₂ وLiF وCaF₂ بشكل عام كطبقات منخفضة المؤشر. فهي تنقل خاصية الإرسال الممتد لنظيراتها السائبة إلى رقائق الأغشية الرقيقة للمساعدة في إنشاء مرشحات ممر النطاق أو الحافة.

• الألومنيوم (Al):

كثيرًا ما يُستخدم الألومنيوم كطبقة عاكسة لمرايا الأشعة فوق البنفسجية المرئية ولكن يمكن أن يكون أيضًا جزءًا من تصميم المرشح. ويكون الألومنيوم فعالاً في الانعكاس في الأشعة فوق البنفسجية فوق البنفسجية تحت طلاء فوق البنفسجي، مما يسمح بمرشحات ممر النطاق القائمة على المرآة.

• ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂):

بالنسبة للأشعة فوق البنفسجية فوق البنفسجية، فإن SiO₂ محدود لأن حافة امتصاصه تبلغ حوالي 160 نانومتر. ومع ذلك، يمكن تضمينه في هياكل المرشحات الهجينة في الحالات التي لا توجد فيها متطلبات أداء في الأطوال الموجية الأعمق.

يتمثل التحدي الأكبر في تحقيق التوازن بين جودة الفيلم والتحكم في سمك الطبقة. ستؤدي أي اختلافات طفيفة في السماكة أو عيوب في البنية المجهرية إلى إحداث تغييرات كبيرة في منحنيات انتقال المرشح، نظرًا للأطوال الموجية الصغيرة المعنية. وبالتالي يجب على المصنّعين استخدام معدات ترسيب فائقة التفريغ وتقنيات مراقبة متقدمة في محاولة لجعلها قابلة للتكرار.

التطبيقات التي تحدد اختيار المواد

يعتمد اختيار استخدام MgF₂ أو LiF أو CaF₂ أو رقائق الأغشية الرقيقة بشكل كبير على التطبيق.

• التحليل الطيفي: يتطلب التحليل الطيفي للامتصاص بالأشعة فوق البنفسجية أعمق نوافذ القطع . ويُستخدم LiF على نطاق واسع، حيث يكون التحكم في الرطوبة هو المطلب الوحيد.
• الطباعة الحجرية لأشباه الموصلات: تتطلب أحجام الميزات النانومترية استخدام بصريات الأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUV) والأشعة فوق البنفسجية فوق البنفسجية. وتوفر نوافذ MgF₂ وCaF₂CaF₂ مع أغشية رقيقة من الفلورايد مرشحات صلبة منخفضة العيوب لهذا السوق المتطلب.
• علم الفلك: تستخدم مطيافات الأشعة فوق البنفسجية والتلسكوبات الفضائية بصريات مغطاة بـ MgF₂، حيث يتطابق الإرسال العميق مع ثبات الفراغ على المدى الطويل.
• تشخيص البلازما: أصبحت قدرة مرشحات الأشعة فوق البنفسجية فوق البنفسجية على عزل خطوط الانبعاثات عند دراسة البلازما ممكنة من خلال استخدام MgF₂ والطلاء الثقيل متعدد الطبقات.

الخاتمة

ترتبط تكنولوجيا مرشحات الأشعة فوق البنفسجية بالأشعة فوق البنفسجية ارتباطاً مباشراً بعلم المواد. فقليل من المواد - بلورات الفلورايد والأغشية الرقيقة - تقاوم الظروف القاسية لهذه المنطقة من الطيف.

ويوفر فلوريد المغنيسيوم الصلابة وقابلية الاستخدام على المدى الطويل، ويسمح فلوريد الليثيوم بأقصى قدر من الشفافية، ويوفر فلوريد الكالسيوم مزيجًا مثاليًا واقعيًا من التكلفة والأداء. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).