إحداث ثورة في مجال الضوئيات دور الطلاءات الضوئية الرقيقة المخصصة

تقود الطلاءات الضوئية ذات الأغشية الرقيقة تطورات غير مسبوقة في مجال الضوئيات من خلال تمكين التحكم الدقيق في تفاعلات الضوء والمادة. تستكشف هذه المقالة كيف تعمل الطلاءات المخصصة القائمة على أكسيد السيليكون (SiO₂) وركائز سيلينيد الزنك ( ZnSe ) على تحويل التطبيقات التي تتراوح من أنظمة الليزر إلى التصوير الطبي الحيوي، مع التركيز على مرونة التصميم وابتكارات علوم المواد والحلول الخاصة بالصناعة.

مقدمة: ثورة الضوئيات

تقنية الضوئيات هي تقنية شاملة ذات نفاذية قوية. وهي تكنولوجيا بصرية تطبيقية تتعلق بتصنيع المكونات البصرية التي تم تطويرها على أساس البصريات المتكاملة الحديثة، مع تكنولوجيا التكامل البصري باعتبارها جوهرها. تشمل تكنولوجيا الفوتونات بشكل أساسي تكنولوجيا توليد الفوتونات، وتكنولوجيا تخزين الفوتونات، وتكنولوجيا تعديل الفوتونات وتكنولوجيا التحويل الفوتوني، وتكنولوجيا عرض الفوتونات، وتكنولوجيا اتصالات الفوتونات، وتكنولوجيا الكشف عن الفوتونات، وما إلى ذلك.

وبفضل وقت الاستجابة السريع، وسعة النقل الكبيرة، وكثافة التخزين العالية، والتصغير، والتكامل، أصبحت التكنولوجيا الفوتونية قوة دافعة أساسية في اتصالات الجيل الخامس، والحوسبة الكمية، والحوسبة الكمية، والليدار، والتصوير الطبي الحيوي، وغيرها من المجالات.

ويصل زمن استجابة الأجهزة الإلكترونية وأنظمتها إلى سرعة تصل إلى 10-9 ثوانٍ، أي ما يعادل 10-9 ثوانٍ، وهو أيضًا الحد الأقصى المتأصل فيها. ويمكن أن يصل زمن استجابة الفوتونات إلى 10-15 ثانية، أي من رتبة fs. وسيلعب ذلك دورًا كبيرًا في مختلف التقنيات الرئيسية في عصر المعلومات المستقبلي، لا سيما في تكنولوجيا الكمبيوتر، مما سيؤدي إلى تغييرات جوهرية. في عام 1990، كان أول معالج ضوئي رقمي في العالم أول معالج ضوئي رقمي في العالم بسرعة تبديل ضوئية تبلغ مليار مرة في الثانية، وتظهر هذه العملية عالية السرعة وخصائص المعالجة المتوازية لتطويرها وتطبيقها آفاقاً جذابة للغاية.

تتمتع التكنولوجيا الضوئية بقدرة كبيرة على نقل المعلومات، وقد انعكست هذه الخاصية الممتازة بشكل كامل في الاتصالات البصرية الحديثة. تشير التقديرات إلى أن العمود الفقري لاتصالات الألياف الضوئية في العالم بمعدل ملايين الكيلومترات سنويًا لتمتد إلى الأمام، وقد اكتمل من الجيل الأول من الألياف متعددة الأوضاع ذات النطاق 0.85 ميكرومتر، والجيل الثاني من الألياف أحادية الوضع ذات النطاق 1.3 ميكرومتر ذات النطاق صفر التشتت والألياف أحادية الوضع إلى الجيل الثالث من الألياف الضوئية أحادية الوضع ذات النطاق 1.5 ميكرومتر منخفضة التشتت منخفضة التشتت والتطوير. وصلت سعة الإرسال من 10 غيغا بايت/كم في عام 1978 إلى 10 أضعاف معدل النمو السنوي، بحلول عام 1986، إلى 1Tbt/s-km. وقد كسر وضع الإرسال طريقة IM / DD التقليدية وأطلق الاتصالات البصرية المتماسكة، والاتصالات البصرية متعددة الإرسال، والاتصالات السوليتونية البصرية، والاتصالات الكمومية. في السنوات الأخيرة على وجه الخصوص، شهدت تكنولوجيا تضخيم الألياف الضوئية اختراقات في السنوات الأخيرة، بحيث أصبح الاتصال اللوليتوني البصري حقيقة واقعة، مما أدى إلى إنشاء أحدث نظام إرسال متطور، من أجل تحقيق المسافة اللانهائية للاتصالات فائقة السرعة في نهاية المطاف، مما يجلب الأمل في نهاية المطاف. الاتصالات الكمية، والمعروفة أيضًا باسم الاتصالات الفوتونية، هي نوع جديد تمامًا من أنظمة الاتصالات. وقد أثبتت النظرية أن الفوتون يمكنه حمل ما يقرب من 30bt من المعلومات في درجة حرارة الغرفة، وإذا كان في درجة حرارة منخفضة فإن هذه القيمة ستزداد أضعافاً مضاعفة كلما انخفضت درجة الحرارة، وبالتالي تصل إلى قيمة لا نهائية، لذلك يمكن القول أن الاتصال الفوتوني من المتوقع أن ينقل عدداً لا نهائياً من المعلومات إلى عدد لا نهائي من المستقبلات بمساعدة الفوتون، مما يجعل الفوتون في مجال الاتصالات له مساحة كبيرة للتطبيق.

إن إمكانات التخزين للتكنولوجيا الفوتونية في مجال المعلومات مثيرة للإعجاب. وقد حققت تكنولوجيا التخزين الضوئية تقدماً كبيراً في السنوات الأخيرة، وتم تفضيل الأقراص الضوئية لمزاياها العديدة، مثل كثافة تخزين البيانات العالية، وانخفاض معدل التكرار البطيء (BER)، والموثوقية الجيدة، والقدرة على التكيف. والآن، لا يزيد سمك القرص مزدوج الوجهين φ200 مم عن 2.4 مم، ويمكن أن تستوعب سعة التخزين الخاصة به جميع معلومات الصوت والصورة لفيلمين. ومع شيوع الأقراص الضوئية ذات السعة الكبيرة القابلة للمسح، أدى انخفاض سعرها وسهولة استنساخها إلى انتشار استخدام الأقراص الضوئية على نطاق واسع. وبالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام الفوتونات قد يحقق سعة تخزين ثلاثية الأبعاد ذات آفاق كبيرة، فبمجرد تحقيق الاختراقات التكنولوجية الرئيسية، ستصبح مزاياها التي لا مثيل لها واضحة على الفور.

الشكل 1 تتمتع التكنولوجيا الفوتونية بقدرة كبيرة على نقل المعلومات

الطلاء البصري يكسر حدود المكونات البصرية التقليدية

الطلاءات الضوئية هي الأبطال المجهولون في مجال الضوئيات الحديثة، حيث تتيح التحكم الدقيق في الخصائص الأساسية للضوء - الانعكاس والنقل والاستقطاب والطور - بما يتجاوز القدرات الجوهرية للمواد البصرية السائبة. ومن خلال هندسة هياكل الأغشية النانوية الرقيقة، تتجاوز هذه الطلاءات القيود الفيزيائية للبصريات التقليدية، وتفتح مقاييس الأداء التي كانت تعتبر غير قابلة للتحقيق. فيما يلي، نوضح أدناه كيف تعيد الطلاءات المصممة خصيصاً تعريف الأنظمة البصرية من خلال ثلاث آليات رئيسية:

1. التغلب على القيود الجوهرية للمواد

تعتمد المكونات البصرية التقليدية (مثل العدسات والمرايا والمنشورات) على الخصائص السائبة لمواد مثل الزجاج أو البلورات. ومع ذلك، تواجه هذه المواد مفاضلات متأصلة.

• فقدان الانعكاس: تعكس الأسطح الزجاجية غير المطلية حوالي 4% من الضوء الساقط لكل واجهة (فقدان فرينل)، مما يحد بشدة من كفاءة الإرسال في الأنظمة متعددة العناصر.
• القيود الطيفية: تتفوق مواد مثل ZnSe في الإرسال بالأشعة تحت الحمراء ولكنها تفتقر إلى الخصائص الطبيعية المضادة للانعكاس في الأطوال الموجية المرئية.
• الاعتماد على الاستقطاب: البصريات البلورية (على سبيل المثال، مستقطبات الكالسيت) حساسة بطبيعتها للطول الموجي والزاوية.

تعالج الطلاءات البصرية هذه القيود عن طريق إدخال خصائص بصرية اصطناعية من خلال تأثيرات التداخل. على سبيل المثال:

• الطلاءات المضادة للانعكاس (AR): تقلل طبقة من 4 طبقات من MgF₂/SiO₂/Ta₂O₅/SiO₂ على ركيزة ZnSe من انعكاس السطح من 28% (غير مطلية ب 10.6 ميكرومتر) إلى أقل من 0.5%، مما يتيح انتقالًا شبه مثالي لأنظمة ليزر ثاني أكسيد الكربون.
• مستقطبات عريضة النطاق: تُنشئ طبقات SiO₂ وTiO₂ المتناوبة عند زوايا مائلة طلاءات انتقائية للاستقطاب بنسب انقراض >1000:1 عبر 400-700 نانومتر، متفوقة بذلك على المستقطبات البلورية السائبة.

الشكل 2 الدور الحاسم للطلاءات الضوئية

2. التحكم الدقيق في التفاعل بين الضوء والمادة

تتيح الطلاءات المتقدمة الضبط الديناميكي للاستجابات البصرية.

• مرشحات الشق: أكثر من 100 طبقة متناوبة من طبقات SiO₂/TiO₂ تخلق عاكسات ضيقة النطاق للغاية (FWHM <1 نانومتر) للتحليل الطيفي لرامان، مما يزيل ضوضاء الخلفية.

الشكل 3 مرشحات الشق

• طلاءات AR عريضة النطاق: تحقق مكدسات SiO₂/Ge المحسّنة بالخوارزمية الجينية على ZnSe انعكاسًا بنسبة <1% من 3-12 ميكرومتر، وهو أمر بالغ الأهمية للتصوير الحراري.
• طلاءات تقسيم الشعاع: طبقات SiO₂/Al₂O₂O₃ متعددة الطبقات عند 45 درجة سقوط تقسم الضوء المستقطب s و p بكفاءة 98% لأنظمة LiDAR.
• التحكم في الاستقطاب الدائري: تتيح المواد الخارقة اللولبية التي تجمع بين البنى النانوية SiO₂ والركائز ZnSe إمكانية الإرسال المعتمد على الاستقطاب الدائري في الأجهزة المدمجة

3. تمكين مقاييس الأداء الفائق.

تدفع الطلاءات المخصصة الأنظمة البصرية إلى أقصى الحدود الفيزيائية:

• ليزر عالي الطاقة: تحقق الطلاءات الهجينة SiO₂/Y₂O₃ على مرايا ZnSe انعكاسية بنسبة 99.998% عند 10.6 ميكرومتر مع عتبات تلف ليزر >30 ميجاوات/سم².
• البيئات القاسية: تتحمل نوافذ ZnSe المغطاة بالكربون الشبيه بالماس (DLC) المغلفة بالزنكسيوم الماس 800 درجة مئوية وتآكل الرمال عند 5 ماخ، مما يتيح التصوير فائق الطيفية في المحركات النفاثة.
• البصريات الكمية: تتيح طلاءات SiO₂/Ta₂O₅ ذات الخسارة المنخفضة للغاية (تشتت أقل من 1 جزء في المليون) عمر الفوتون > ثانية واحدة في الديناميكا الكهربائية الكمية ذات التجويف فائق التوصيل الفائق.

دراسة حالة: إحداث ثورة في كاميرات الهواتف الذكية

من الأمثلة المثالية عدسات كاميرا الهاتف الذكي:

المشكلة: ستفقدمصفوفة العدسات البلاستيكيةالمكونة من 6 عناصر >50% من الضوء بدون طلاء.

الحل: تقلل طبقات طلاءات SiO₂/TiO₂ ذات المؤشر المتدرج (8-12 طبقة) من الانعكاس إلى <0.2% لكل سطح عبر 450-650 نانومتر.

النتيجة: انتقالكلي بنسبة 92% مقابل 35% في الأنظمة غير المطلية، مما يتيح فتحات f/1.4 في الوحدات المدمجة.

الأسس المادية: SiO₂ وZnSe في تقنية الأغشية الرقيقة

أكسيد السيليكون (SiO₂): الطلاءات المرئية إلى الطلاءات القريبة من الأشعة تحت الحمراء

يُعتبر ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂) مادة أساسية في الضوئيات ذات الأغشية الرقيقة نظراً لخصائصه البصرية والميكانيكية الاستثنائية. وبفضل معامل انكسار يتراوح بين 1.45 و1.55 عند 550 نانومتر، يوفر SiO₂ قدرات متعددة الاستخدامات لمطابقة الطور عبر الطيف المرئي إلى الطيف القريب من الأشعة تحت الحمراء (200 نانومتر - 2 ميكرومتر). كما أن شفافيته الطيفية الواسعة، إلى جانب خسائر الامتصاص المنخفضة (<0.1 ديسيبل/سم عند 1550 نانومتر)، تجعله لا غنى عنه للتطبيقات التي تتطلب كفاءة نقل عالية. وعلاوة على ذلك، يُظهر SiO₂ خمولًا كيميائيًا ملحوظًا، حيث يقاوم التحلل من الرطوبة والأحماض والتعرض للأشعة فوق البنفسجية، مما يضمن ثباتًا طويل الأمد في البيئات القاسية.

الشكل 4 نوافذ أكسيد السيليكون

وقد دفعت هذه الخصائص الجوهرية SiO₂ إلى ثلاثة تطبيقات طلاء تحويلية:

1. الطلاءات المضادة للانعكاس (AR)

في الأنظمة البصرية متعددة العدسات، يمكن أن تتسبب انعكاسات فرينل في واجهات الهواء والزجاج في فقدان كبير للضوء. تستغل كومة من 4 طبقات من SiO₂/TiO₂ (على سبيل المثال، SiO₂ (110 نانومتر)/TiO₂ (25 نانومتر)/SiO₂ (80 نانومتر)/TiO₂ (15 نانومتر)) التداخل المدمر لقمع الانعكاسات إلى أقل من 0.5% لكل سطح عبر 450-650 نانومتر. تتجسد هذه التقنية في وحدات كاميرا الهواتف الذكية، حيث تتيح هذه الطلاءات انتقالاً كلياً بنسبة >92% من خلال العدسات البلاستيكية المكونة من 6 عناصر، وهو ما يمثل تحسناً بمقدار 2.6 ضعف مقارنة بالأنظمة غير المطلية.

الجدول 1 مقارنة أداء طلاء عدسة الهاتف الذكي بتقنية الواقع المعزز

2. المرايا عالية الانعكاس

بالنسبة إلى تجاويف الليزر عالية الطاقة مثل أنظمة Nd: YAG (1064 نانومتر)، تتزاوج SiO₂ مع أزواج SiO₂₂₂O₅ عالية المؤشر لإنشاء طبقات موجية رباعية متناوبة. يحقق التصميم المكون من 30 طبقة SiO₂/Ta₂O₅O₂O₅ من SiO₂/ Ta₂O₅ انعكاسية بنسبة 99.995% مع الحفاظ على عتبة تلف ناجم عن الليزر (LIDT) تبلغ >15 جول/سم². ويقلل المعامل الحراري البصري المنخفض ل SiO₂₂ (1.2×10-⁶/K) من العدسة الحرارية في ظل التشغيل المستمر للموجة.

3. حماية الركائز الحساسة

في حين تتفوق ZnSe في نقل الأشعة تحت الحمراء، إلا أن نعومتها (صلابة Knoop ~ 120) تحد من المتانة. يزيد الطلاء العلوي من SiO₂ نانومتر المضاف إليه 200 نانومتر والمترسب عبر الرش بمساعدة الأيونات من صلابة سطح نافذة ZnSe بنسبة 300% (Martin & Netterfield, 2018). يمكّن هذا النهج الهجين بصريات ZnSe من تحمل 50,000 دورة من التنظيف الكاشطة في قواطع الليزر الصناعية بالليزر CO₂ دون تدهور الأداء.

سيلينيد الزنك (ZnSe): الطلاء بالأشعة تحت الحمراء

برز سيلينيد الزنك (ZnSe) كمادة محورية في مجال ضوئيات الأشعة تحت الحمراء (IR)، وذلك بسبب مزيجها الذي لا مثيل له من الشفافية عريضة النطاق (0.5-22 ميكرومتر)، والامتصاص المنخفض للغاية (<0.0005 سم-¹ عند 10.6 ميكرومتر)، ومقاومة استثنائية للتلف بالليزر (~ 10 جول/سم² عند الأطوال الموجية لليزر CO₂). على عكس الجرمانيوم أو السيليكون، يتجنب ZnSe الهروب الحراري في أنظمة الأشعة تحت الحمراء عالية الطاقة بسبب معامل درجة الحرارة السلبي للامتصاص، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات من التصوير الحراري إلى الاتصالات الليزرية في الفضاء الحر.

الشكل 5 ركيزة كريستال الزنك سيلينيد السيلينيد

ومع ذلك، فإن البنية البلورية الناعمة لبلورات الزنك سيلينيد الزنك (صلابة موس ~ 3.5) وقابليتها للتآكل الكيميائي في البيئات الرطبة تتطلب استراتيجيات طلاء هجينة مبتكرة لتحقيق إمكاناتها الكاملة. هناك طريقتان رائدتان تعيدان تعريف البصريات القائمة على الزنيسين:

1. طلاءات الكربون الشبيه بالماس (DLC)

في أنظمة التصوير الحراري للفضاء، تواجه نوافذ ZnSe تآكلًا لا هوادة فيه من الجسيمات المحمولة جواً ودرجات حرارة تتجاوز 600 درجة مئوية. يحقق طلاء DLC بسماكة 2 ميكرومتر مطبق عن طريق ترسيب البخار الكيميائي المعزز بالبلازما (PECVD):

• تعزيز صلابة السطح: زيادة صلابة Knoop من 120 إلى 1800، مما ينافس الياقوت.
• مقاومة التآكل: يتحمل صدمات جسيمات الرمل بسرعات 5 ماخ 5 (جسيمات SiO₂ 25 ميكرومتر عند سرعة 1.5 كم/ثانية) مع فقدان نقل بنسبة <0.1% بعد اختبارات لمدة 100 ساعة.
• ثبات حراري: يحافظ على <5% تغير في الانبعاثية بين -50 درجة مئوية و700 درجة مئوية، وهو أمر بالغ الأهمية لمراقبة عادم المحرك النفاث.

دراسة حالة: تتيح نوافذ ZnSe المغلفة بمادة DLC في نظام EOTS في نظام EOTS لطائرة F-35 Lightning II إمكانية التتبع المستمر بالأشعة تحت الحمراء أثناء الطيران الأسرع من الصوت، مما يقلل من فترات الصيانة بنسبة 400% مقارنة بالبدائل غير المغلفة.

2. الطلاءات ذات الفهرس المتدرج

تكافح الطلاءات التقليدية للواقع المعزز التقليدية في أداء الأشعة تحت الحمراء ذات النطاق العريض بسبب التحولات المفاجئة في معامل الانكسار. تحقق طبقات SiO₂/Ge متعددة الطبقات المتدرجة (على سبيل المثال، كومة من 8 طبقات من n=2.4 إلى n=4.0):

• مضاد الانعكاس عريض النطاق: <1% متوسط الانعكاس عبر نافذة الغلاف الجوي من 8 إلى 12 ميكرومتر.

الجدول 2 مقارنة أداءطلاءات SiO₂/Ge المتدرجةمع طلاءات مقاومة الانعكاس التقليدية (نطاق 8-12 ميكرومتر)

• إدارة الإجهاد: يقلل تدرج معامل التمدد الحراري (CTE) من الإجهاد البيني بنسبة 70%، مما يمنع التفكك في درجات الحرارة المبردة (تيخونرافوف وآخرون، 2013).
• مثال على التنفيذ: في موازانات الليزر المتتالي الكمومي (QCL)، تعزز الطلاءات المتدرجة على عدسات ZnSe طاقة الخرج بنسبة 22% عن طريق كبح تأثيرات الأيتالون عند 4.6 ميكرومتر (تشين وآخرون، 2021).

تقنيات التصنيع المتقدمة للطلاءات المخصصة

تقنيات الترسيب الدقيق

يتوقف أداء الطلاءات الضوئية على تقنيات الترسيب التي توازن بين الدقة على النطاق الذري وقابلية التوسع الصناعي. تعمل ثلاث طرق متطورة - الترسيب بمساعدة الأيونات (IAD)، والترسيب بالطبقة الذرية (ALD)، والرش المغنطروني - على إعادة تعريف تصنيع الأغشية الرقيقة للأنظمة القائمة على SiO₂ والزنك.

1. الترسيب بمساعدة الأيونات (IAD)

تقصف عملية الترسيب بمساعدة الأيونات الأغشية النامية بأيونات نشطة (عادةً ما تكون أيونات Ar⁺ أو O⁺ عند 50-200 فولت)، مما يؤدي إلى ضغط البنى المجهرية إلى كثافة قريبة من الكثافة النظرية. وتُعد هذه العملية تحويلية للطلاء بالأشعة تحت الحمراء المستندة إلى الزنكسيوم:

• مقاومة الرطوبة: يُظهر طلاء ZnSe/Ge AR المكون من 5 طبقات والمترسب عبر التبخير الحراري الداخلي فقدان إرسال بنسبة <0.1% بعد 1,000 ساعة عند درجة حرارة 85 درجة مئوية/85% رطوبة نسبية، مقارنةً بتدهور بنسبة 0.3% في التبخير الحراري التقليدي.
• عتبة تلف الليزر: تزيد طبقات فوقية من SiO₂ المزروعة بالتبخير الحراري على مرايا ZnSe من عتبة التلف بالليزر بنسبة 40% عند 10.6 ميكرومتر عن طريق إزالة عيوب النمو العمودي.

الجدول 3 مقارنة بين الأداء الرئيسي لتقنيات الترسيب

• التأثير الصناعي: تهيمن الآن نوافذ ZnSe التي تدعم ترسيب الطبقة الذرية الذرية على أجهزة التصوير الحراري في الفضاء الجوي، مع ثبات في وظيفة نقل التشكيل (MTF) يتجاوز 5000 ساعة طيران في البيئات الصحراوية.

ترسيب الطبقة الذرية (ALD)

تتيح التفاعلات السطحية المحدودة ذاتيًا في الترسيب الذري للذرة الذرية التحكم في السماكة على مستوى أنجستروم، وهو أمر بالغ الأهمية للطبقات المتعددة المحسّنة للضغط.

• الهندسة البينية: تقلل الطبقة البينية 3 نانومتر من الطبقة البينية ALD-SiO₂ بين Ta₂O₅ وZnSe من الإجهاد المتبقي من 450 ميجا باسكال إلى 120 ميجا باسكال، مما يمنع تفريغ الطلاء (جورج، 2010).
• الطلاءات المطابقة: يغلف ALD البنى النانوية ثلاثية الأبعاد بتباين سمك أقل من 1 نانومتر، مما يتيح استخدام عدسات ZnSe الدقيقة المغلفة بـ SiO₂ وZnSe لتشكيل شعاع الأشعة تحت الحمراء الخفيفة.

دراسة حالة: في المرشحات القابلة للضبط المستندة إلى MEMS، تحقق مداخن SiO₂/TiO₂ المكدسات الموضوعة بتقنية ALD والمترسبة على 50 دورة دقة طول موجي 0.1 نانومتر مع البقاء على قيد الحياة بعد 10 دورات ميكانيكية.

رش المغنطرون المغنطروني

يعمل الرش بالمغنترون المغنطروني النبضي بالتيار المستمر عند درجة حرارة أقل من 80 درجة مئوية، مما يفتح الطلاءات البصرية المتوافقة مع البوليمر.

• طلاءات مرنة بالواقع المعزز: مداخن من 6 طبقات من SiO₂/Ta₂O₂O₅ على ركائز PET تحقق متوسط نقل بنسبة 98% (400-700 نانومتر) مع قابلية الدوران بمقدار 10000 انحناءة (شركة فليكس للبصريات، 2023).
• أنظمة ZnSe-polymer الهجينة: يتيح رش 500 نانومتر من ZnSe على البوليميد إمكانية استخدام مستشعرات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة القابلة للطي لأجهزة المراقبة الصحية القابلة للارتداء.

الجدول 4 تمثيل تخطيطي لأداء مستشعرات ZnSe-Polymer المرنة بالأشعة تحت الحمراء المرنة المنبثقة من المغنطرون

بيانات الأداء

تحقق طبقات طلاءات SiO₂/Ag/SiO₂ المفلطحة من لفة إلى لفة على PMMA نسبة 92% من الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي EMI، ما يغير قواعد اللعبة بالنسبة إلى شاشات العرض المرنة.

أدوات التصميم الحاسوبية

يعمل التقارب بين الخوارزميات الجينية (GAs) والتعلم الآلي (ML) على إعادة تعريف حدود تصميم الطلاء البصري وتصنيعه. تعالج الخوارزميات الجينية المفاضلات متعددة الأهداف المتأصلة في الأنظمة الضوئية من خلال محاكاة الاختيار التطوري - على سبيل المثال، تحسين مكدس من 12 طبقة من SiO₂/Ge للطلاءات المضادة للانعكاس فائقة الاتساع (3-15 ميكرومتر) لتحقيق متوسط انعكاس أقل من 0.8% وانحراف حراري أقل من 1 نانومتر/درجة مئوية في نفس الوقت، متفوقة على الحلول التي صممها الإنسان بنسبة 40%. يضبط هذا النهج المستوحى من البيولوجيا معدلات الطفرة ديناميكيًا (0.1-5%) للتنقل بكفاءة في مساحات المعلمات المعقدة، مما يتيح التقارب السريع للتصاميم التي تتجاوز 100 طبقة. وفي الوقت نفسه، يحوّل التعلّم الآلي عمليات الترسيب إلى أنظمة ذكية ذاتية التصحيح: تقوم الشبكات العصبية التلافيفية (CNNs) بتحليل أطياف انبعاث البلازما في الوقت الفعلي أثناء رش المغنطرون المغنطروني، والتنبؤ بمعدلات الترسيب بدقة ± 0.07%، بينما تكتشف الشبكات العصبية المتكررة (RNNs) بشكل استباقي انحرافات السماكة دون النانومتر قبل 30 دقيقة من التدخل اليدوي، مما يقلل معدلات الخردة من 15% إلى 1.2% في إنتاج طلاء الزنكسيوم. ويكمن أحد الأمثلة التي أحدثت نقلة نوعية في مرايا الليزر ثنائية الطول الموجي - صممت نماذج الشبكات الشبكية المعالجة بالليزر أولاً مرآة ليزر ثنائية الطول الموجي مكونة من 45 طبقة من SiO₂/Ta₂O₅O₅ مكدسًا للحصول على انعكاسية بنسبة تزيد عن 99.9% عند كل من 532 نانومتر و1064 نانومتر، بينما عوضت نماذج ML تأثيرات تقادم الغرفة أثناء التصنيع، مما حقق التحكم في السماكة بنسبة ± 0.05 نانومتر. وقد أدى تآزر هذه الأدوات إلى فتح الطلاءات ذات الانعكاسية بنسبة 99.92% والتشتت بنسبة أقل من 0.01%، مما يضع معايير جديدة للتطبيقات بدءًا من الاتصالات الكمية إلى الأقمار الصناعية فائقة الطيفية لرصد الأرض.

الشكل 6 الشبكات العصبية التلافيفية (CNNs)

تطبيقات ودراسات حالة خاصة بالصناعة

أنظمة الليزر عالية الطاقة

تواجه عملية البحث عن مرايا ليزر ثاني أكسيد الكربون عالية الطاقة (10.6 ميكرومتر) مفاضلة حاسمة: تحقيق انعكاسية عالية (> 99.8%) ومقاومة تلف الليزر (> 15 ميجاوات/سم²) مع تخفيف العدسة الحرارية. تعاني مرايا النحاس أو الموليبدينوم التقليدية، على الرغم من التوصيل الحراري العالي، من الأكسدة السريعة وعتبات التلف المحدودة (حوالي 5 ميجاوات/سم²). ويجمع الحل المبتكر بين ركائز ZnSe مع طلاءات SiO₂₂/Y₂O₃ الهجينة، مستفيدًا من الامتصاص المنخفض الجوهري لـ ZnSe عند 10.6 ميكرومتر (<0.001 سم-¹) والاستقرار الحراري الاستثنائي لـ Y₂O₃₃ (درجة انصهار 2430 درجة مئوية). تحقق كومة من 32 طبقة متناوبة من SiO₂/YO₂O₃، المودعة عبر التبخير بالحزمة الإلكترونية بمساعدة الأيونات، انعكاسية بنسبة 99.82% من خلال موازنة مؤشرات انكسار المواد (SiO₂₂: 1.41 @ 10.6 ميكرومتر؛ Y₂₂₃: 1.93) لتقليل الإجهاد البيني. تعمل طبقات Y₂O₃O₃ كـ "فواصل" حرارية، مما يقلل من عدم تطابق التوصيل الحراري بين ZnSe و SiO₂₂ بنسبة 60%، وبالتالي قمع العدسة الحرارية إلى <0.05 λ/سم² تحت تشغيل 20 كيلوواط. وفي الوقت نفسه، ترفع البنية المجهرية الهجينة غير المتبلورة - النانوكريستالية الهجينة للطلاء من عتبة التلف الناتج عن الليزر إلى 16.3 ميجاوات/سم² - وهو ما يمثل تحسنًا بمقدار 3.2 ضعفًا مقارنةً بالتصاميم التقليدية. وقد تم التحقق من صحة هذا الابتكار في قواطع ليزر ثاني أكسيد الكربون الصناعية، حيث تحافظ هذه المرايا على أقل من 0.1% من انحراف الطاقة على مدار 10,000 ساعة، مما يتيح قطع الصفائح المعدنية بدقة 50 مم/ثانية مع عرض شقوق أقل من 20 ميكرومتر.

التصوير الطبي الحيوي والاستشعار

يفتح التزاوج بين الطلاءات البصرية المخصصة وتقنيات الاستشعار نماذج جديدة في كل من التصوير الطبي الحيوي والمراقبة البيئية. في التصوير المقطعي التماسك البصري (OCT)، يكمن التحدي الحاسم في زيادة الحساسية عند 1300 نانومتر - الطول الموجي الأمثل لاختراق الأنسجة العميقة - مع كبح ضوضاء التشتت الخلفي. يحقق مُقسِّم الأشعة المكون من 14 طبقة من SiO₂/TiO₂، الذي تم تحسينه عبر خوارزميات جينية كفاءة تقسيم بنسبة 94% من خلال موازنة مؤشرات انكسار المواد (TiO₂: 2.3، SiO₂: 1.45) لتقليل الخسارة المعتمدة على الاستقطاب. يعزز هذا التصميم من حساسية نظام OCT بنسبة 20% (من 108 ديسيبل إلى 113 ديسيبل)، مما يتيح رؤية الأوعية الدموية الدقيقة للشبكية التي يصل سمكها إلى 4 ميكرومتر، وهي قفزة حاسمة في التشخيص المبكر لاعتلال الشبكية السكري. وفي الوقت نفسه، تواجه مستشعرات الغازات ذات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة الحاجة إلى الكشف المتزامن متعدد الأنواع (على سبيل المثال، الميثان @ 3.3 ميكرومتر، وثاني أكسيد الكربون @ 4.2 ميكرومتر) مع بصريات مدمجة. وتحقق نافذة ZnSe المغلفة بطبقة متعددة الطبقات من Ge/Se متدرجة (تدرج مؤشر من 10 خطوات من n=2.4 إلى n=4.0) متوسط إرسال بنسبة >85% عبر 3-5 ميكرومتر مع كبح تداخل الإيتالون إلى <0.5%. تُظهر الاختبارات الميدانية في الكشف عن تسرب النفط في مصفاة النفط حدود الكشف عن الميثان بمقدار 10 جزء في البليون من الميثان و50 جزء في البليون من ثاني أكسيد الكربون - أقل بمقدار 5 أضعاف من أجهزة الاستشعار أحادية النطاق - مع تحمل الرطوبة بنسبة 98%. تجسد هذه الابتكارات كيف تتجاوز الطلاءات المصممة خصيصًا نموذج "مقاس واحد يناسب الجميع"، مما يوفر حلولاً بصرية خاصة بالتطبيقات التي تعيد تحديد سقوف الأداء.

الشكل 7 التصوير المقطعي التوافقي البصري (OCT)

الفضاء والدفاع

في أنظمة التصوير متعدد الأطياف التي تفوق سرعتها سرعة الصوت، تتحمل قباب ZnSe المغلفة بطبقات مركب نانوي من SiO₂/Al₂O₃/أل₂O₃ طبقات مركب نانوي مقاومة للتسخين الديناميكي الهوائي 5+ ماخ (800-1,200 درجة مئوية) مع الحفاظ على انتقال بنسبة >90% عبر 1-15 ميكرومتر. وتشكل مرحلة Al₂O₃ (حجم الحبيبات 50 نانومتر) حاجزاً مقاوماً للتآكل، مما يقلل من أكسدة السطح بنسبة 70% تحت تدفق الهواء الغني بالبلازما، كما تم التحقق من صحته في رحلات اختبارية لطائرة سكرامجيت التي استمرت 300 ثانية. وفي الوقت نفسه، فإن استبدال الجرمانيوم التقليدي بالزنكسي في الحمولات البصرية للأقمار الصناعية يحقق خفضاً في الكتلة بنسبة 35% - وهو أمر بالغ الأهمية بالنسبة لمجموعات الأقمار الصناعية ذات المدار الأرضي المنخفض - مع الحفاظ على أداء الأشعة تحت الحمراء: يزن تلسكوب ZnSe Cassegrain مقاس 20 سم 8.2 كجم فقط (مقابل 12.6 كجم للتلسكوب الجيولوجي)، مما يقلل من تكاليف الإطلاق بمقدار 2 مليون دولار لكل قمر صناعي ويتيح دقة توجيه أقل من 0.5 مارد لرصد الأرض بدقة عالية.

الخاتمة

لا تمثل الطلاءات الضوئية المخصصة على منصات SiO₂ وZnSe مجرد تحسينات تدريجية ولكنها تمثل نقلة نوعية في تصميم الضوئيات. ومن خلال الربط بين علوم المواد والنمذجة الحاسوبية وهندسة التطبيقات، تمكّن هذه التقنيات الصناعات من تسخير الضوء بدقة غير مسبوقة. ومع نضوج بنيات الطلاء الهجينة وأدوات التصنيع الذكية، سيشهد العقد القادم أنظمة ضوئية تحقق مقاييس أداء كانت تعتبر في السابق غير قابلة للتحقيق ماديًا.

قراءة ذات صلة:

كيف يقوم عقيق الألومنيوم الإيتربيوم المخدّر بالإيتربيوم بتشكيل ابتكارات البصريات؟

كيف تختار ورقة النافذة البصرية المناسبة لمشروعك؟

النشاط البصري: التعريف والتطبيقات

منتجات ذات صلة

البصريات