Оптическое покрытие

Зеркала и линзы с оптическим покрытием

Оптическое покрытие — это один или несколько тонких слоев материала, нанесенных на оптический компонент, такой как линза , призма или зеркало , которое изменяет способ отражения и пропускания 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 очков и линзах 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 .

Виды покрытия

Кривые зависимости отражения от длины волны для металлических зеркал из алюминия (Al), серебра (Ag) и золота (Au) при нормальном падении

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 таких материалов, 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 , телескопы-рефракторы 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 .

Просветляющие покрытия

Основная статья: Антибликовое покрытие

Сравнение очков без покрытия (вверху) и очков с антибликовым покрытием (внизу).

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

$n_{1}={\sqrt {n_{0}n_{S}}}$,

где $n_{1}$ – индекс тонкого слоя, а $n_{0}$ и $n_{S}$ являются индексами двух СМИ. Оптимальные показатели преломления для нескольких слоев покрытия при углах падения, отличных от 0°, даны Морено и др. (2005).

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 другой.

Помехи в четвертьволновом просветляющем покрытии

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 добиться 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. При использовании двух 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 .

Высокоотражающие покрытия

См. Также: Диэлектрическое зеркало.

Женщина носит солнцезащитные очки с высокоотражающим оптическим покрытием.

Схема диэлектрического зеркала. Тонкие слои с высоким показателем преломления n ₁ чередуются с более толстыми слоями с более низким показателем преломления n ₂ ​​. Длины трасс l _A и l _B отличаются ровно на одну длину волны, что приводит к конструктивной интерференции.

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 обычно четвертьволновая (тогда они уступают самой широкой полосе высокого отражения по сравнению с нечетвертьволновыми системами, состоящими из тех же материалов), на этот раз сконструированной 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 в соответствии с конкретным применением и включать в себя 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.

Покрытия, защищающие от экстремального ультрафиолета

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

Прозрачные проводящие покрытия используются там, где 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, сопротивления листов от 20 до 10 000 Ом на квадрат можно достичь . 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 необходимо иметь прозрачные для ИК-излучения окна ( Радар ) малозаметные ( стелс-технологии ) свойства. Они известны как RAIT (радиолокационное ослабление/передача инфракрасного излучения) и включают в себя такие материалы, как легированный бором DLC ( алмазоподобный углерод ). .

Фазокорректирующие покрытия

Траектория балки по краю крыши (сечение); слой P-покрытия находится на обеих поверхностях крыши

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 с помощью системы установки 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 . а в квантовой физике эквивалентное явление известно как фаза Берри .

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 нанесения из паровой фазы специального диэлектрического покрытия, известного как фазокомпенсирующее покрытие, на сводовые поверхности сводовой призмы. Это фазокорректирующее покрытие или P-покрытие на поверхностях крыши было разработано в 1988 году Адольфом Вейраухом в Carl Zeiss. Вскоре за ними последовали и другие производители, и с тех пор покрытия с фазовой коррекцией повсеместно используются в биноклях с руф-призмами 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.

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. Таким образом, с 1990-х годов бинокли с руф-призмами также достигли значений разрешения, которые ранее были достижимы только с помощью призм Порро. Наличие фазокорректирующего покрытия можно проверить в неоткрытый бинокль с помощью двух поляризационных фильтров.

Резонансные оптические покрытия Фано

Резонансные оптические покрытия Фано (FROC) представляют собой новую категорию оптических покрытий. FROC демонстрируют фотонный резонанс Фано за счет соединения широкополосной нанорезонации, 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 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. Более того, зависимость цвета от угла падающего света можно контролировать с помощью диэлектрического материала полости, что делает FROC адаптируемыми для приложений, требующих окраски, не зависящей от угла или зависящей от угла. 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. Они могут быть спроектированы так, чтобы отражать определенные диапазоны длин волн, согласовываясь 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.

Источники

• Хехт, Юджин. Глава 9, Оптика , 2-е изд. (1990), Эддисон Уэсли. ISBN   0-201-11609-X .
• И. Морено и др., «Тонкопленочные пространственные фильтры», Optics Letters 30, 914–916 (2005).
• К. Кларк и др., «Двухцветное ИК-покрытие Маха 3 для систем TAMD», Proc. ШПИОН Том. 4375, с. 307-314 (2001)

См. также

• Список деталей и конструкции телескопа