Orta kızılötesi elektro optik uygulamalar için geniş bant anti yansıtıcı kaplamaların tasarımı ve geliştirilmesi
Design and development of broad band anti reflective coatings for mid wave infrared electro optical applications
Yazar: ADEM YENİSOY
Danışman: PROF. DR. SEBAHATTİN TÜZEMEN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Astronomi ve Uzay Bilimleri = Astronomy and Space Sciences ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies
Dizin: Astrofizik = Astrophysics ; Film kaplama = Film coating ; Katıhal fiziği = Solid state physics ; Optik fizik = Optical physics ; Optoelektronik = Optoelectronic ; Optoelektronik sistemler = Optoelectronic systems ; Yüzey kaplama = Surface coating ; Yüzey kaplama yöntemleri = Surface coating methods

Özet:
Orta kızılötesi spektrumda çalışan elektro optik sistemlerde yer alan Kalsiyum Florür, Germanyum, Silisyum ve Çinko Sülfür tabanlı geçirgen optikler için geniş bant aralıklı ve ortalama yansıma değeri bant boyunca R < % 0,3 olan çok katmanlı anti yansıtıcı kaplamalar OptiLayer yazılımının da yardımıyla modellenmiştir. Tasarım çalışmalarında ihtiyaç duyulan alttaş optik parametreleri, çalışmalarda kullanılan şahit numunelerin MWIR bölgede ki spektral ölçümleri ve OptiChar yazılımının yardımıyla modellenmiştir. Çok katmanlı anti yansıtıcı kaplamaların tasarımı için ihtiyaç duyulan yüksek ve düşük kırılma indisli Germanyum ve Alüminyum Oksit malzemeleri optik parametreleri modellenen şahit numuneler üzerine optimize kaplama parametreleri ile kaplanarak spektral ölçümleri alınmıştır. Alınan spektral ölçümler ve OptiChar yazılımının da yardımıyla malzemelerin kırılma indis dağılımları dalga boyuna bağlı olarak modellenmiştir. Modelleme çalışmaları sonrası Kalsiyum Florür, Germanyum, Silisyum ve Çinko Sülfür malzemeler üzerine çok katmanlı anti yansıtıcı kaplamalar tasarlanmıştır. Tasarımı yapılan kaplamalar farklı alttaşlar üzerine kaplandıktan sonra MWIR bölgede yapılan spektral ölçümler ve OptiRe yazılımının da yardımıyla çok katman hata analizleri yapılarak kaplama prosesi aktif optimizasyon yöntemi ile geliştirilmiştir. Geliştirilen anti yansıtıcı kaplamalar MWIR bölgede çalışan elektro optik sistemlerde yer alan hassas optik bileşenlerin yansımaya bağlı optik performans kayıplarını önemli ölçüde azaltacak niteliktedirler. Geliştirilen ARC kaplamalar; geniş bant olarak tanımlanan 3.4 – 4.8 µm aralığı boyunca ortalama yansıma değerinin asgari katman kalınlığı ile % 0,3 ün altında olması ve MWIR optiklerinin üretildiği Kalsiyum Florür (CaF2), Germanyum (Ge), Silisyum (Si) ve Çinko Sülfür (ZnS) olmak üzere 4 ana malzeme üzerine aynı yüksek verim ile geliştirilmiş olmalarından dolayı literatür de yer alacak olan ilk çalışma niteliğindedir.

Abstract:
Broad band multi-layer anti reflective coatings on calcium fluoride, germanium, silicon and zinc sulfide for transmissive optics of mid wave infrared electro optical systems were designed with average reflection less than 0,3 % with the use of OptiLayer software. Optical parameters of substrates required for design processes were modelled by OptiChar software in which spectral measurements of witness samples at MWIR region was used. Germanium and Aluminum Oxide thin films as high and low index materials respectively for multilayer anti reflective coatings were deposited on witness samples by optimized process parameters and their spectral measurements were performed for MWIR region. Refractive index of these materials were also modeled in OptiChar software by using spectral measurement data of layers deposited on witness samples which has already modeled. Based on modeling studies for both witness samples and layers, multi-layer anti-reflective design for calcium fluoride, germanium, silicon and zinc sulfide was designed. After coating layers obtained from design, coating processes for each design was actively developed with the help of random error analysis at OptiRe by using spectral measurement of multi-layers at MWIR region. Anti-reflective coatings which were developed in this work present promising results to reduce optical performance losses caused by reflection at the surface of optics used in electro optical systems at MWIR region. This study is the first of its kind with respect to the high efficiency of average reflection which is less than 0,3 % in whole interval between 3,4 and 4,8 𝜇m spectral region for calcium fluoride (CaF2), germanium (Ge), silicon (Si) and zinc sulfide (ZnS) at the same time.