Оптическое покрытие — это один или несколько тонких слоев материала, нанесенных на оптический компонент, такой как линза , призма или зеркало , который изменяет способ отражения и передачи света оптикой. Эти покрытия стали ключевой технологией в области оптики. Одним из типов оптического покрытия является антибликовое покрытие , которое уменьшает нежелательные отражения от поверхностей и обычно используется в линзах очков и фотоаппаратов . Другой тип — это покрытие с высоким отражателем , которое можно использовать для изготовления зеркал, отражающих более 99,99% падающего на них света. Более сложные оптические покрытия демонстрируют высокое отражение в одном диапазоне длин волн и просветление в другом диапазоне, что позволяет производить дихроичные тонкопленочные фильтры .
Простейшие оптические покрытия представляют собой тонкие слои металлов , таких как алюминий , которые наносятся на стеклянные подложки для создания зеркальных поверхностей (процесс, известный как серебрение) . Используемый металл определяет характеристики отражения зеркала; Алюминий является самым дешевым и наиболее распространенным покрытием, его отражательная способность составляет около 88–92% в видимом спектре . Более дорогим является серебро , которое имеет отражательную способность 95–99% даже в дальней инфракрасной области , но страдает от снижения отражательной способности (<90%) в синей и ультрафиолетовой областях спектра. Самым дорогим является золото , которое дает превосходную (98–99%) отражательную способность в инфракрасном диапазоне , но ограниченную отражательную способность на длинах волн короче 550 нм , что приводит к типичному золотому цвету.
Контролируя толщину и плотность металлических покрытий, можно уменьшить отражательную способность и увеличить пропускание поверхности, в результате чего получается полупосеребренное зеркало . Иногда их используют как « зеркала одностороннего действия ».
Другим основным типом оптического покрытия является диэлектрическое покрытие (т.е. использование материалов с показателем преломления, отличным от показателя преломления подложки). Они состоят из тонких слоев материалов, таких как фторид магния , фторид кальция и различных оксидов металлов, которые наносятся на оптическую подложку. Путем тщательного выбора точного состава, толщины и количества этих слоев можно настроить отражательную и пропускающую способность покрытия для получения практически любых желаемых характеристик. Коэффициенты отражения поверхностей можно снизить до менее 0,2%, создав просветляющее (AR) покрытие. И наоборот, отражательная способность может быть увеличена до более чем 99,99%, создавая покрытие с высокой отражающей способностью (HR). Уровень отражательной способности также можно настроить на любое конкретное значение, например, чтобы создать зеркало, которое отражает 90% и пропускает 10% падающего на него света в некотором диапазоне длин волн. Такие зеркала часто используются в качестве светоделителей и выходных ответвителей в лазерах . Альтернативно, покрытие может быть сконструировано таким образом, чтобы зеркало отражало свет только в узком диапазоне длин волн, образуя оптический фильтр .
Универсальность диэлектрических покрытий приводит к их использованию во многих научных оптических приборах (таких как лазеры, оптические микроскопы , преломляющие телескопы и интерферометры ), а также в потребительских устройствах, таких как бинокли , очки и фотообъективы.
Диэлектрические слои иногда наносят поверх металлических пленок либо для создания защитного слоя (как в случае с диоксидом кремния над алюминием), либо для повышения отражательной способности металлической пленки. Комбинации металлов и диэлектриков также используются для создания современных покрытий, которые невозможно получить другим способом. Одним из примеров является так называемое « идеальное зеркало », которое демонстрирует высокое (но не идеальное) отражение и необычайно низкую чувствительность к длине волны, углу и поляризации . [1]
Просветляющие покрытия используются для уменьшения отражения от поверхностей. Всякий раз, когда луч света перемещается из одной среды в другую (например, когда свет попадает в лист стекла после прохождения через воздух ), некоторая часть света отражается от поверхности (известной как граница раздела ) между двумя средами.
Для уменьшения отражения используется ряд различных эффектов. Самый простой — использовать тонкий слой материала на границе раздела с показателем преломления между показателями двух сред. Отражение минимизируется, если
где – индекс тонкого слоя, а – индексы двух сред. Оптимальные показатели преломления для нескольких слоев покрытия при углах падения, отличных от 0°, даны Морено и др. (2005). [2]
Такие покрытия могут снизить отражение обычного стекла примерно с 4% на поверхность до примерно 2%. Это был первый известный тип просветляющего покрытия, открытый лордом Рэлеем в 1886 году. Он обнаружил, что из-за этого эффекта старые, слегка потускневшие куски стекла пропускают больше света, чем новые, чистые куски.
Практические просветляющие покрытия полагаются на промежуточный слой не только для прямого снижения коэффициента отражения, но также используют интерференционный эффект тонкого слоя. Если толщина слоя контролируется точно так, чтобы она составляла ровно одну четверть длины волны света в слое (четвертьволновое покрытие ), отражения от передней и задней сторон тонкого слоя будут разрушительно интерферировать и нейтрализовать каждое из них. другой.
На практике эффективность простого однослойного интерференционного покрытия ограничена тем фактом, что отражения точно компенсируются только для одной длины волны света под одним углом, а также трудностями с поиском подходящих материалов. Для обычного стекла ( n ≈ 1,5) оптимальный индекс покрытия n ≈ 1,23. Немногие полезные вещества имеют необходимый показатель преломления. Часто используется фторид магния (MgF 2 ), поскольку он износостойкий и легко наносится на подложки методом физического осаждения из паровой фазы , хотя его индекс выше желаемого (n=1,38). С такими покрытиями можно достичь отражения всего лишь 1% на обычном стекле, а лучшие результаты можно получить на средах с более высоким индексом.
Дальнейшее снижение возможно за счет использования нескольких слоев покрытия, спроектированных таким образом, чтобы отражения от поверхностей подвергались максимальному разрушительному воздействию. Используя два или более слоев, обычно можно получить широкополосные просветляющие покрытия, охватывающие видимый диапазон (400–700 нм) с максимальным коэффициентом отражения менее 0,5%. Отражение в более узких диапазонах длин волн может составлять всего 0,1%. Альтернативно, ряд слоев с небольшими различиями в показателе преломления может быть использован для создания широкополосного просветляющего покрытия посредством градиента показателя преломления .
Покрытия с высоким коэффициентом отражения (HR) действуют противоположно просветляющим покрытиям. Общая идея обычно основана на системе периодических слоев, состоящей из двух материалов: одного с высоким индексом, такого как сульфид цинка ( n = 2,32) или диоксид титана ( n = 2,4), и другого с низким индексом, такого как магний. фторид ( n =1,38) или диоксид кремния ( n =1,49). Эта периодическая система существенно увеличивает отражательную способность поверхности в определенном диапазоне длин волн, называемом заграждающей полосой , ширина которого определяется только соотношением двух используемых показателей (для четвертьволновых систем), а максимальная отражательная способность увеличивается почти до 100 % с количеством слоев в стеке . Толщина слоев, как правило, четвертьволновая (тогда они уступают самой широкой полосе высокого отражения по сравнению с нечетвертьволновыми системами, состоящими из тех же материалов), на этот раз спроектированной таким образом, что отраженные лучи конструктивно интерферируют друг с другом, создавая максимизировать отражение и минимизировать передачу. Лучшие из этих покрытий, созданные из напыленных диэлектрических материалов без потерь на идеально гладкие поверхности, могут достигать коэффициента отражения более 99,999% (в довольно узком диапазоне длин волн). Обычные HR-покрытия могут достигать отражательной способности 99,9% в широком диапазоне длин волн (десятки нанометров в видимом диапазоне спектра).
Что касается AR-покрытий, то на HR-покрытия влияет угол падения света. При использовании вдали от нормального падения диапазон отражения смещается в сторону более коротких длин волн и становится зависимым от поляризации. Этот эффект можно использовать для создания покрытий, поляризующих световой луч.
Управляя точной толщиной и составом слоев в отражающем пакете, характеристики отражения можно настроить для конкретного применения и могут включать как высокоотражающие, так и антиотражающие области длин волн. Покрытие может быть выполнено в виде фильтра длинного или короткого прохода, полосового или режекторного фильтра или зеркала с определенной отражательной способностью (полезно в лазерах). Например, дихроичная призма, используемая в некоторых камерах, требует двух диэлектрических покрытий, одного длинноволнового пропускающего фильтра, отражающего свет с длиной волны ниже 500 нм (для отделения синей составляющей света), и одного короткопроходного фильтра для отражения красного света выше 500 нм. Длина волны 600 нм. Оставшийся проходящий свет представляет собой зеленый компонент.
В EUV- части спектра (длины волн короче примерно 30 нм) почти все материалы сильно поглощают, что затрудняет фокусировку или иное манипулирование светом в этом диапазоне длин волн. Телескопы, такие как TRACE или EIT , которые формируют изображения с помощью EUV-света, используют многослойные зеркала, которые состоят из сотен чередующихся слоев металла большой массы, такого как молибден или вольфрам , и прокладки малой массы, такой как кремний , нанесенных на подложку в вакууме. например стекло . Каждая пара слоев имеет толщину, равную половине длины волны отражаемого света. Конструктивная интерференция между рассеянным светом каждого слоя заставляет зеркало отражать EUV-свет желаемой длины волны, как обычное металлическое зеркало в видимом свете. Используя многослойную оптику, можно отражать до 70% падающего EUV-света (на определенной длине волны, выбранной при изготовлении зеркала).
Прозрачные проводящие покрытия используются в тех случаях, когда важно, чтобы покрытие проводило электричество или рассеивало статический заряд . Проводящие покрытия используются для защиты апертуры от электромагнитных помех , а рассеивающие покрытия используются для предотвращения накопления статического электричества . Прозрачные проводящие покрытия также широко используются в качестве электродов в ситуациях, когда требуется прохождение света, например, в технологиях плоских дисплеев и во многих фотоэлектрохимических экспериментах. Распространенным веществом, используемым в прозрачных проводящих покрытиях, является оксид индия и олова (ITO). Однако ITO не очень оптически прозрачен. Слои должны быть тонкими, чтобы обеспечить существенную прозрачность, особенно в синем конце спектра. Используя ITO, можно достичь сопротивления листов от 20 до 10 000 Ом на квадрат . Покрытие ITO можно комбинировать с просветляющим покрытием для дальнейшего улучшения пропускания . Другие TCO (прозрачные проводящие оксиды) включают AZO (оксид цинка, легированный алюминием), который обеспечивает гораздо лучшее пропускание ультрафиолета, чем ITO. Особый класс прозрачных проводящих покрытий применяется к инфракрасным пленкам для военной оптики театрально-воздушных сил, где прозрачные для ИК-окна окна должны обладать ( радарными ) свойствами скрытности ( стелс-технология ). Они известны как RAIT (радиолокационное ослабление/передача инфракрасного излучения) и включают в себя такие материалы, как легированный бором DLC ( алмазоподобный углерод ) .
Множественные внутренние отражения в руф-призмах вызывают зависящую от поляризации фазовую задержку проходящего света, аналогично ромбу Френеля . Это необходимо подавить с помощью многослойных фазокорректирующих покрытий , нанесенных на одну из поверхностей крыши, чтобы избежать нежелательных интерференционных эффектов и потери контрастности изображения. Диэлектрические покрытия призм с фазовой коррекцией наносятся в вакуумной камере с нанесением примерно 30 различных слоев покрытия из паровой фазы, что делает этот производственный процесс сложным.
В руф-призме без фазокорректирующего покрытия свет s-поляризации и p-поляризации приобретает разную геометрическую фазу при прохождении через верхнюю призму. Когда два поляризованных компонента рекомбинируются, интерференция между s-поляризованным и p-поляризованным светом приводит к различному распределению интенсивности перпендикулярно краю крыши по сравнению с распределением вдоль края крыши. Этот эффект снижает контрастность и разрешение изображения, перпендикулярного краю крыши, создавая изображение худшего качества по сравнению с изображением, полученным при установке призмы Порро . Этот эффект дифракции на краю крыши также можно рассматривать как дифракционный пик, перпендикулярный краю крыши, создаваемый яркими точками на изображении. В технической оптике такая фаза также известна как фаза Панчаратнама [3] , а в квантовой физике эквивалентное явление известно как фаза Берри . [4]
Этот эффект можно увидеть в удлинении диска Эйри в направлении, перпендикулярном гребню крыши, поскольку это дифракция от разрыва на гребне крыши.
Нежелательные интерференционные эффекты подавляются путем осаждения из паровой фазы специального диэлектрического покрытия, известного как фазокомпенсирующее покрытие, на сводовых поверхностях сводовой призмы. Это фазокорректирующее покрытие или P-покрытие на поверхности кровли было разработано в 1988 году Адольфом Вейраухом из Carl Zeiss [5] . Вскоре за ним последовали и другие производители, и с тех пор фазокорректирующие покрытия повсеместно используются в кровлях среднего и высокого качества. призменный бинокль . Это покрытие корректирует разницу в геометрической фазе между s- и p-поляризованным светом, поэтому оба имеют фактически одинаковый фазовый сдвиг, предотвращая помехи, ухудшающие изображение. [6]
С технической точки зрения слой фазокорректирующего покрытия корректирует не фактический фазовый сдвиг, а скорее частичную поляризацию света, возникающую в результате полного отражения. Такую поправку всегда можно сделать только для выбранной длины волны и для определенного угла падения ; однако можно приблизительно скорректировать руф-призму для полихроматического света, наложив несколько слоев. [7] Таким образом, с 1990-х годов бинокли с руф-призмами также достигли значений разрешения, которые ранее были достижимы только с помощью призм Порро. [8] Наличие фазокорректирующего покрытия можно проверить в неоткрытый бинокль с помощью двух поляризационных фильтров. [5]
Резонансные оптические покрытия Фано (FROC) представляют собой новую категорию оптических покрытий. [9] FROC демонстрируют фотонный резонанс Фано за счет соединения широкополосной нанорезонации, которая служит континуумом, с узкополосной нанорезонацией Фабри-Перо, представляющей дискретное состояние. Интерференция между этими двумя резонансами проявляется в виде асимметричной формы линии резонанса Фано. FROC считаются отдельной категорией оптических покрытий, поскольку они обладают оптическими свойствами, которые невозможно воспроизвести с помощью других оптических покрытий. В основном полупрозрачные FROC действуют как светоделительный фильтр, который отражает и пропускает один и тот же цвет - свойство, которого невозможно достичь с помощью пропускающих фильтров, диэлектрических зеркал или полупрозрачных металлов.
FROC обладают замечательными структурными красящими свойствами, поскольку они могут воспроизводить цвета в широкой цветовой гамме с высокой яркостью и высокой чистотой. [10] Кроме того, зависимость цвета от угла падающего света можно контролировать с помощью диэлектрического материала полости, что делает FROC адаптируемыми для приложений, требующих либо независимой от угла, либо зависящей от угла окраски. Это включает в себя декоративные цели и меры по борьбе с подделками.
FROC использовались как монолитные делители спектра, так и в качестве селективных поглотителей солнечной энергии, что делает их пригодными для гибридной генерации солнечной и тепловой энергии. [9] Они могут быть спроектированы так, чтобы отражать определенные диапазоны длин волн, выравниваясь с энергетической запрещенной зоной фотоэлектрических элементов, поглощая при этом оставшийся солнечный спектр. Это обеспечивает более высокую фотоэлектрическую эффективность при повышенных оптических концентрациях за счет снижения температуры фотоэлектрического элемента. Пониженная температура также увеличивает срок службы элемента. Кроме того, их низкая излучательная способность в инфракрасном диапазоне сводит к минимуму тепловые потери, повышая общий оптотермический КПД системы. [9]
