Оптическое покрытие представляет собой один или более тонкие слои материала , нанесенного на оптический компонент , такой как линзы или зеркала , которое изменяет способ , в котором оптический элемент отражает и передает индикатор. Один из типов оптического покрытия - это антибликовое покрытие , которое уменьшает нежелательные отражения от поверхностей и обычно используется на линзах очков и фотоаппаратов . Другой тип - это покрытие с высоким коэффициентом отражения, которое можно использовать для изготовления зеркал, отражающих более 99,99% падающего на них света. Более сложные оптические покрытия демонстрируют высокое отражение в некотором диапазонедлины волн и антиотражение в другом диапазоне, что позволяет производить дихроичные тонкопленочные фильтры .
Типы покрытий [ править ]
Простейшие оптические покрытия представляют собой тонкие слои металлов , таких как алюминий , которые наносятся на стеклянные подложки для создания зеркальных поверхностей. Этот процесс известен как серебрение . Используемый металл определяет характеристики отражения зеркала; алюминий является самым дешевым и распространенным покрытием, его коэффициент отражения составляет около 88% -92% в видимом спектре . Более дорогое серебро , которое имеет коэффициент отражения 95% -99% даже в дальней инфракрасной области , но страдает от снижения коэффициента отражения (<90%) в синей и ультрафиолетовой областях спектра. Самым дорогим является золото , которое дает отличную (98% -99%) отражательную способность на всем протяженииинфракрасный , но с ограниченной отражательной способностью 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 получится полупрозрачное зеркало . Иногда их используют как « односторонние зеркала ».
Другой основной тип оптического покрытия - это диэлектрическое покрытие (т. Е. С использованием материалов с другим показателем преломления, чем у подложки). Они изготовлены из тонких слоев материалов , такие как фторид магния , фторид кальция , а также различные оксиды металлов, которые осаждаются на оптическую подложку. Путем тщательного выбора точного состава, толщины и количества этих слоев можно настроить отражательную способность и коэффициент пропускания покрытия для получения практически любых желаемых характеристик. Коэффициент отражения поверхностей может быть уменьшен до менее 0,2%, создавая антиотражающее (AR) покрытие. И наоборот, коэффициент отражения можно увеличить до более 99,99%, создавая высокий отражатель.(HR) покрытие. Уровень отражательной способности также можно настроить на любое конкретное значение, например, для создания зеркала, которое отражает 90% и пропускает 10% падающего на него света в некотором диапазоне длин волн. Такие зеркала часто используются как светоделители и как выходные ответвители в лазерах . В качестве альтернативы покрытие может быть спроектировано так, чтобы зеркало отражало свет только в узком диапазоне длин волн, создавая 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 фотографические линзы.
Слои диэлектрика иногда наносятся поверх металлических пленок, чтобы обеспечить защитный слой (как в случае диоксида кремния над алюминием) или 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 с необычно низкой чувствительностью к длине волны, углу и поляризации . [1]
Антибликовые покрытия [ править ]
Противоотражающие покрытия используются для уменьшения отражения от поверхностей. 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 двумя средами. Отражение сводится к минимуму, когда
- ,
где - индекс тонкого слоя, а - индексы двух сред. Оптимальные показатели преломления для нескольких слоев покрытия при углах падения, отличных от 0 °, приведены Moreno et al. (2005). [2]
Такие покрытия могут уменьшить отражение для обычного стекла примерно с 4% на поверхность до примерно 2%. Это был первый известный тип антиотражающего покрытия, открытый лордом Рэлеем в 1886 году. Он обнаружил, что старые, слегка потускневшие части стекла пропускают больше света, чем новые, чистые из-за этого эффекта.
Практические просветляющие покрытия полагаются на промежуточный слой не только для прямого уменьшения коэффициента отражения, но также используют интерференционный эффект тонкого слоя. Если толщину слоя контролировать точно так, чтобы она составляла ровно четверть длины волны света в слое ( четвертьволновое покрытие ), отражения от передней и задней сторон тонкого слоя будут деструктивно мешать и устранять каждое 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 при поиске подходящих материалов. Для обычного стекла ( n ≈1,5) оптимальный показатель покрытия n ≈1,23. Немногие полезные вещества обладают необходимым показателем преломления. Фторид магния (MgF 2 ) часто используется, поскольку он износостойкий и может быть легко нанесен на подложки с помощью физического осаждения из паровой фазы , даже если его индекс выше желаемого (n = 1,38). С такими покрытиями на обычном стекле может быть достигнуто отражение всего 1%, а на средах с более высоким показателем преломления могут быть получены лучшие результаты.
Дальнейшее уменьшение возможно за счет использования нескольких слоев покрытия, спроектированных таким образом, чтобы отражения от поверхностей подвергались максимальным разрушающим помехам. При использовании двух или более слоев обычно достигаются широкополосные просветляющие покрытия, покрывающие видимый диапазон (400-700 нм) с максимальным коэффициентом отражения менее 0,5%. Отражение в более узких диапазонах длин волн может составлять всего 0,1%. В качестве альтернативы, можно использовать ряд слоев с небольшими различиями в показателях преломления для создания широкополосного просветляющего покрытия с помощью градиента показателя преломления .
Покрытия с высоким коэффициентом отражения [ править ]
Покрытия с высоким коэффициентом отражения (HR) работают противоположно антиотражающим покрытиям. Общая идея обычно основана на системе периодических 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 магний. фторид ( n = 1,38) или диоксид кремния ( n = 1,49). Эта периодическая система значительно улучшает отражательную способность поверхности в определенном диапазоне длин волн, называемом полосой пропускания., ширина которого определяется соотношением только двух используемых индексов (для четвертьволновых систем), а максимальная отражательная способность увеличивается почти до 100% с увеличением количества слоев в стопке . Толщина слоев обычно четвертьволновая (тогда они уступают самой широкой полосе высокого отражения по сравнению с нечетвертьволновыми системами, составленными из тех же материалов), на этот раз спроектированные таким образом, что отраженные лучи конструктивномешают друг другу, чтобы максимизировать отражение и минимизировать передачу. Лучшее из этих покрытий, созданное из нанесенных диэлектрических материалов без потерь на идеально гладкие поверхности, может достигать коэффициентов отражения более 99,999% (в довольно узком диапазоне длин волн). Обычные покрытия HR могут достигать отражательной способности 99,9% в широком диапазоне длин волн (десятки нанометров в диапазоне видимого спектра).
Что касается просветляющих покрытий, на них 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 отражающей стопке, характеристики отражения могут быть настроены для конкретного применения и могут включать области длин волн как с высоким, так и с антиотражающим эффектом. Покрытие может быть выполнено в виде длиннопроходного или короткочастотного фильтра, полосового или режекторного фильтра или зеркала с определенной отражательной способностью (полезно в лазерах). Например, сборка дихроичной призмы, используемая в некоторых камерах, требует двух диэлектрических покрытий, одного длинноволнового светофильтра, отражающего свет ниже 500 нм (для разделения синей составляющей света), и одного короткопроходного фильтра для отражения красного света, см. Выше Длина волны 600 нм. Оставшийся проходящий свет - это зеленый компонент.
Покрытия для экстремального ультрафиолета [ править ]
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. В телескопах, таких как TRACE или EIT, которые формируют изображения с помощью EUV-света, используются многослойные зеркала, которые состоят из сотен чередующихся слоев металла большой массы, такого как молибден или вольфрам , и прокладки с малой массой, такой как кремний , нанесенной на подложку в вакууме. например стекло . Каждая пара слоев должна иметь толщину, равную половине длины волны отражаемого света. Конструктивное вмешательствомежду рассеянным светом от каждого слоя заставляет зеркало отражать EUV-свет желаемой длины волны, как и нормальное металлическое зеркало в видимом свете. Многослойная оптика позволяет отражать до 70% падающего EUV-света (на определенной длине волны, выбранной при создании зеркала).
Прозрачные проводящие покрытия [ править ]
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 для обеспечения электродов в ситуациях, когда требуется прохождение света, например, в технологиях плоских дисплеев и во многих фотоэлектрохимических экспериментах. Обычно в прозрачных проводящих покрытиях используется оксид индия и олова.(ITO). Однако ITO не очень прозрачен. Слои должны быть тонкими, чтобы обеспечивать значительную 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 просветляющим покрытием для дальнейшего улучшения пропускания . Другие TCO (прозрачные проводящие оксиды) включают AZO (оксид цинка, легированный алюминием), который обеспечивает гораздо лучшее УФ-пропускание, чем ITO. Особый класс прозрачных проводящих покрытий применяется к инфракрасным пленкам для военной оптики театра и воздуха, где прозрачные ИК-окна должны иметь ( радар ) невидимость ( технология Stealth) характеристики. Они известны как RAIT (радиолокационное ослабление / инфракрасное излучение) и включают такие материалы, как легированный бором DLC (алмазоподобный углерод ) [ необходима ссылка ] .
Текущий рынок и прогноз [ править ]
Согласно прогнозам, в 2013 году мировой спрос на оптические покрытия будет расти на 6,5% ежегодно в течение следующих лет. Крупнейший рынок применения оптических покрытий - это электроника и полупроводники вместе взятые, а наиболее быстрорастущий - волоконная оптика и телекоммуникации вместе взятые. [3]
Источники [ править ]
- Hecht, Евгений. Глава 9, Оптика , 2-е изд. (1990), Аддисон 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 Mach 3 для систем TAMD", Proc. SPIE Vol. 4375, стр. 307-314 (2001)
Ссылки [ править ]
- ^ «Исследователи Массачусетского технологического института создают« идеальное зеркало » » . Пресс-релиз MIT . 1998-11-26 . Проверено 17 января 2007 .
- ^ " Тонкопленочные пространственные фильтры " (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 19 февраля 2009 года . Проверено 30 мая 2007 .
- ^ «Обзор рынка: глобальный рынок оптических покрытий» . Acmite Market Intelligence . Внешняя ссылка в
|publisher=( помощь )
См. Также [ править ]
- Список частей и конструкции телескопа
