Оптическое покрытие — это один или несколько тонких слоев материала, нанесенных на оптический компонент, такой как линза , призма или зеркало , который изменяет способ, которым оптика отражает и пропускает свет. 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 на линзах очков и камер . Другим типом является высокоотражающее покрытие , которое может использоваться для производства зеркал, отражающих более 99,99% падающего на них света. Более сложные оптические покрытия демонстрируют высокое отражение в некотором диапазоне длин волн и антибликовое 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 отражательные характеристики зеркала; алюминий является самым дешевым и распространенным покрытием и обеспечивает отражательную способность около 88% -92% по всему видимому спектру . Более дорогим является серебро , которое имеет отражательную способность 95% -99% даже в далекой инфракрасной области , но страдает от снижения отражательной способности (<90%) в синей и ультрафиолетовой областях спектра. Самым дорогим является золото , которое обеспечивает превосходную (98% -99%) отражательную способность во всем 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, что приводит к полупосеребренному зеркалу . Иногда их используют как « односторонние зеркала ».
Другим основным типом оптического покрытия является диэлектрическое покрытие (т. е. с использованием материалов с другим показателем преломления, чем у подложки). Они состоят из тонких слоев материалов, таких как фторид магния , фторид кальция и различные оксиды металлов, которые наносятся на оптическую подложку. Тщательно выбирая точный состав, толщину и количество этих слоев, можно настроить отражательную и пропускающую способность покрытия для получения практически любой желаемой характеристики. Коэффициенты отражения поверхностей можно уменьшить до менее 0,2%, получив антиотражающее (AR) покрытие. И наоборот, отражательную способность можно увеличить до более 99,99%, получив высокоотражающее (HR) покрытие. 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 в качестве выходных соединителей в лазерах . В качестве альтернативы покрытие может быть спроектировано таким образом, что зеркало будет отражать свет только в узком диапазоне длин волн, создавая оптический фильтр .
Универсальность диэлектрических покрытий позволяет использовать их во многих научных оптических приборах (таких как лазеры, оптические микроскопы , рефракторные телескопы и интерферометры ), а также в потребительских устройствах, таких как бинокли , очки и фотографические объективы.
Диэлектрические слои иногда наносятся поверх металлических пленок, либо для обеспечения защитного слоя (как в случае с диоксидом кремния поверх алюминия), либо для повышения отражательной способности металлической пленки. [1] Комбинации металлов и диэлектриков также используются для создания усовершенствованных покрытий, которые невозможно изготовить каким-либо другим способом. Одним из примеров является так называемое « идеальное зеркало », которое демонстрирует высокое (но не идеальное) отражение с необычно низкой чувствительностью к длине волны, углу и поляризации . [2]
Антибликовые 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 интерфейс ) 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, когда
где - индекс тонкого слоя, а и - индексы двух сред. Оптимальные показатели преломления для нескольких слоев покрытия при углах падения, отличных от 0°, приведены в работе Морено и др. (2005). [3]
Такие покрытия могут уменьшить отражение обычного стекла с примерно 4% на поверхность до примерно 2%. Это был первый известный тип антибликового покрытия, открытый лордом Рэлеем в 1886 году. Он обнаружил, что старые, слегка потускневшие куски стекла пропускают больше света, чем новые, чистые куски из-за этого эффекта.
Практические антибликовые покрытия полагаются на промежуточный слой не только для его прямого снижения коэффициента отражения, но и используют эффект интерференции тонкого слоя. Если толщина слоя контролируется точно так, чтобы она составляла ровно четверть длины волны света в слое (четвертьволновое покрытие ), отражения от передней и задней сторон тонкого слоя будут деструктивно интерферировать и нейтрализовывать друг друга.
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 в поиске подходящих материалов. Для обычного стекла ( n ≈1,5) оптимальный показатель преломления покрытия составляет n ≈1,23. Немногие полезные вещества имеют требуемый показатель преломления. Часто используется фторид магния (MgF 2 ), поскольку он износоустойчив и его можно легко наносить на подложки с помощью физического осаждения из паровой фазы , хотя его показатель выше желаемого (n = 1,38). С такими покрытиями можно достичь отражения всего 1% на обычном стекле, а на средах с более высоким показателем преломления можно получить лучшие результаты.
Дальнейшее снижение возможно за счет использования нескольких слоев покрытия, разработанных таким образом, чтобы отражения от поверхностей подвергались максимально деструктивной интерференции. При использовании двух или более слоев обычно достигаются широкополосные антиотражающие покрытия, которые охватывают видимый диапазон (400-700 нм) с максимальными коэффициентами отражения менее 0,5%. Отражение в более узких диапазонах длин волн может быть всего 0,1%. В качестве альтернативы, ряд слоев с небольшими различиями в показателе преломления может использоваться для создания широкополосного антиотражающего покрытия с помощью градиента показателя преломления .
Высокоотражающие (HR) покрытия работают противоположным образом по сравнению с антиотражающими покрытиями. Общая идея обычно основана на периодической системе слоев, состоящей из двух материалов, один с высоким индексом, например, сульфид цинка ( n =2,32) или диоксид титана ( n =2,4), и один с низким индексом, например, фторид магния ( n =1,38) или диоксид кремния ( n =1,49). Эта периодическая система значительно увеличивает отражательную способность поверхности в определенном диапазоне длин волн, называемом полосой пропускания , ширина которой определяется соотношением только двух используемых индексов (для четвертьволновых систем), в то время как максимальная отражательная способность увеличивается почти до 100% с количеством слоев в стопке . 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 спроектирована таким образом, что отраженные лучи конструктивно интерферируют друг с другом, чтобы максимизировать отражение и минимизировать пропускание. Лучшие из этих покрытий, созданные из нанесенных диэлектрических материалов без потерь на идеально гладкие поверхности, могут достигать отражательной способности 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).
Как и в случае с AR-покрытиями, HR-покрытия зависят от угла падения света. При использовании вдали от нормального падения диапазон отражения смещается в сторону более коротких длин волн и становится поляризационно-зависимым. Этот эффект можно использовать для создания покрытий, которые поляризуют световой луч.
Манипулируя точной толщиной и составом слоев в отражающем стеке, характеристики отражения могут быть настроены на конкретное применение и могут включать как высокоотражающие, так и антиотражающие области длин волн. Покрытие может быть спроектировано как длинноволновый или коротковолновый фильтр, полосовой или режекторный фильтр или зеркало с определенной отражательной способностью (полезно в лазерах). Например, дихроичная призменная сборка, используемая в некоторых камерах, требует двух диэлектрических покрытий, одного длинноволнового пропускающего фильтра, отражающего свет ниже 500 нм (для отделения синего компонента света), и одного коротковолнового фильтра для отражения красного света с длиной волны выше 600 нм. Оставшийся пропущенный свет является зеленым компонентом.
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 с большой массой, такого как молибден или вольфрам , и маломассивной прокладки, такой как кремний , нанесенной вакуумным осаждением на подложку, такую как стекло . Каждая пара слоев спроектирована так, чтобы иметь толщину, равную половине длины волны отражаемого света. Конструктивная интерференция между рассеянным светом от каждого слоя заставляет зеркало отражать EUV-свет желаемой длины волны, как это делает обычное металлическое зеркало в видимом свете. Используя многослойную оптику, можно отражать до 70% падающего EUV-света (на определенной длине волны, выбранной при конструировании зеркала).
Прозрачные проводящие покрытия используются в приложениях, где важно, чтобы покрытие проводило электричество или рассеивало статический заряд . Проводящие покрытия используются для защиты апертуры от электромагнитных помех , в то время как рассеивающие покрытия используются для предотвращения накопления статического электричества . Прозрачные проводящие покрытия также широко используются для обеспечения 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 синей части спектра. Используя ITO, можно достичь сопротивления листа от 20 до 10 000 Ом на квадрат . Покрытие ITO можно комбинировать с антибликовым покрытием для дальнейшего улучшения пропускания . Другие TCO (прозрачные проводящие оксиды) включают AZO (легированный алюминием оксид цинка), который обеспечивает гораздо лучшую передачу ультрафиолета, чем ITO. Специальный класс прозрачных проводящих покрытий применяется к инфракрасным пленкам для военной оптики театра военных действий, где ИК-прозрачные окна должны иметь свойства ( Radar ) скрытности ( технология Stealth ). Они известны как RAIT (ослабляющие радары/передающие инфракрасное излучение) и включают такие материалы, как легированный бором DLC ( алмазоподобный углерод ) [ требуется ссылка ] .
Многочисленные внутренние отражения в призмах крыши вызывают зависящую от поляризации фазовую задержку проходящего света, подобно ромбу Френеля . Это должно быть подавлено многослойными покрытиями фазовой коррекции, нанесенными на одну из поверхностей крыши, чтобы избежать нежелательных эффектов интерференции и потери контрастности изображения. Диэлектрические покрытия призм фазовой коррекции наносятся в вакуумной камере с нанесением, возможно, 30 различных слоев наложенного парового покрытия, что делает его сложным производственным процессом.
В призме крыши без фазокорректирующего покрытия s-поляризованный и p-поляризованный свет приобретают различную 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 худшее изображение по сравнению с изображением от системы возведения призмы Порро . Этот эффект дифракции на краю крыши можно также рассматривать как дифракционный пик , перпендикулярный краю крыши, создаваемый яркими точками на изображении. В технической оптике такая фаза также известна как фаза Панчаратнама [4] , а в квантовой физике эквивалентное явление известно как фаза Берри [5] .
Этот эффект можно наблюдать в удлинении диска Эйри в направлении, перпендикулярном гребню крыши, поскольку это дифракция от разрыва на гребне крыши.
Нежелательные эффекты интерференции подавляются путем осаждения паров специального диэлектрического покрытия, известного как фазокомпенсирующее покрытие, на поверхности крыши призмы крыши. Это фазокорректирующее покрытие или P-покрытие на поверхностях крыши было разработано в 1988 году Адольфом Вейраухом в Carl Zeiss [6]. Вскоре за ним последовали и другие производители, и с тех пор фазокорректирующие покрытия используются повсеместно в биноклях с призмой крыши среднего и высокого качества . Это покрытие корректирует разницу в геометрической фазе между s- и p-поляризованным светом, поэтому оба имеют фактически одинаковый фазовый сдвиг, предотвращая помехи, ухудшающие изображение. [7]
С технической точки зрения слой покрытия с фазовой коррекцией не корректирует фактический сдвиг фаз, а скорее частичную поляризацию света, которая возникает в результате полного отражения. Такая коррекция всегда может быть сделана только для выбранной длины волны и для определенного угла падения ; однако возможно приблизительно скорректировать призму крыши для полихроматического света путем наложения нескольких слоев. [8] Таким образом, с 1990-х годов бинокли с призмой крыши также достигли значений разрешения, которые ранее были достижимы только с призмами Порро. [9] Наличие покрытия с фазовой коррекцией можно проверить на неоткрытых биноклях с помощью двух поляризационных фильтров. [6]
Резонансные оптические покрытия Фано (FROC) представляют собой новую категорию оптических покрытий. [10] FROC демонстрируют фотонный резонанс Фано , связывая широкополосную нанополость, которая служит континуумом, с узкополосной нанополостью 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 фильтр расщепления луча, который отражает и пропускает один и тот же цвет, свойство, которое невозможно достичь с помощью фильтров пропускания, 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. [11] Более того, зависимость цвета от угла падающего света может контролироваться с помощью диэлектрического материала полости, что делает FROC адаптируемыми для приложений, требующих как независимой от угла, так и зависящей от угла окраски. Это включает в себя декоративные цели и меры по борьбе с подделками.
FROC использовались как монолитные спектральные разделители и селективные солнечные поглотители, что делает их подходящими для гибридной солнечно-тепловой генерации энергии. [10] Они могут быть спроектированы для отражения определенных диапазонов длин волн, согласующихся с энергетической запрещенной зоной фотоэлектрических элементов, при этом поглощая 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 инфракрасная излучательная способность минимизирует тепловые потери, увеличивая общую оптотермическую эффективность системы. [10]
