Кіріспе

Жарықтан шағылысу немесе өтуін өзгертетін материал. Оптикалық жабын – линза, призма немесе айна сияқты оптикалық элементке жалатылған бір немесе бірнеше жұқа материал қабаттары. Ол оптикалық элементтің жарықты шағылысу және өту жолын өзгертеді. Бұл жабындар оптика саласындағы маңызды технологияға айналды. Оптикалық жабындардың бір түрі – антирефлекстік жабын, ол беттерден ненің болмаса да қажетсіз шағылысуды азайтады және көзілдірік пен камера линзаларында жиі қолданылады. Тағы бір түрі – жоғары шағылыстыратын жабын, оны айна жасау үшін пайдалануға болады, ол түсетін жарықтың 99,99%-дан астамын шағылыстырады. Күрделі оптикалық жабындар кейбір толқын ұзындығы диапазонында жоғары шағылысқа, ал басқа диапазонда антирефлекстік қасиеттерге ие болады, бұл дихроидты жұқа пленкалық сүзгілер жасауға мүмкіндік береді.

Қаптаманың түрлері

Ең қарапайым оптикалық жабындар – металлдардың жұқа қабаттары, мысалы алюминий, олар айна бетін жасау үшін шыны негіздерге жатқызылады, бұл процесс күміспен қаптау деп аталады. Қолданылатын металл айнаның шағылысу сипаттамаларын анықтайды; алюминий ең арзан және ең көп таралған жабын болып табылады және көрінетін спектрде шамамен 88%-92% шағылыстыру қабілетін береді. Күміс қымбат, оның тіпті алыс инфрақызылға дейін 95%-дан 99%-ға дейін шағылыстыру қабілеті бар, бірақ көк және ультракүлгін спектрлік аймақтарда шағылыстыру қабілеті төмендейді (<90%). Алтын ең қымбат, ол инфрақызылдың барлық диапазонында өте жақсы (98%-99%) шағылыстырады, бірақ 550 нм-ден қысқа толқын ұзындығында шағылыстыру шектеулі, нәтижесінде алтын түсті болады. Металл жабындарының қалыңдығы мен тығыздығын бақылау арқылы беттің шағылыстыруын азайтып, өткізгіштігін арттыруға болады, нәтижесінде жартылай күміспен қапталған айна пайда болады. Олар кейде «бір жақты айналар» ретінде қолданылады. Оптикалық жабындардың тағы бір негізгі түрі – диэлектрлік жабын (яғни негізден өзге сындыру көрсеткіші бар материалдарды пайдалану). Олар магний фториді, кальций фториді және әртүрлі металл оксидтері сияқты материалдардың жұқа қабаттарынан құралады, олар оптикалық негізге жатқызылады. Осы қабаттардың нақты құрамын, қалыңдығын және санын мұқият таңдау арқылы жабынның шағылыстыру және өткізгіштік қасиеттерін кез келген қажетті сипаттамаға бейімдеуге болады. Беттердің шағылысу коэффициентін 0,2%-дан төменге дейін азайтуға болады, бұл антирефлекстік (AR) жабынды тудырады. Керісінше, шағылыстыру қабілетін 99,99%-дан жоғары деңгейге дейін арттыруға болады, бұл жоғары шағылыстыратын (HR) жабынды тудырады. Шағылыстыру деңгейін кез келген нақты мәнге реттеуге болады, мысалы, белгілі бір толқын ұзындығы диапазонында 90% шағылыстыратын және 10% жарық өткізетін айна жасау үшін. Мұндай айналар көбінесе сәуле бөлушілер ретінде және лазерлерде шығыс байланыстырғыштар ретінде қолданылады. Сондай-ақ, жарықты тек тар толқын ұзындығы диапазонында шағылыстырып, оптикалық сүзгі жасау үшін де қолдануға болады. Диэлектрлік жабындардың әмбебаптығы оларды көптеген ғылыми оптикалық құралдарда (лазерлер, оптикалық микроскоптар, рефрактор телескоптар және интерферометрлер) сондай-ақ бинокльдер, көзілдіріктер және фотообъективтер сияқты тұтыну тауарларында қолдануға мүмкіндік береді. Кейде диэлектрлік қабаттар металл пленкалардың үстіне қорғаныш қабаты ретінде (мысалы, алюминий үстінде кремний диоксиді) немесе металл пленканың шағылыстыруын арттыру үшін жатқызылады. Металл және диэлектрлік комбинациялар басқа тәсілмен жасалмайтын жетілдірілген жабындар жасау үшін де қолданылады. Мысалы, «идеал айна» деп аталатын, жоғары (бірақ толық емес) шағылысуды көрсететін, сонымен қатар толқын ұзындығына, бұрышқа және поляризацияға ерекше төмен сезімталдығы бар жабын.

Жоғары шағылыстыратын қаптамалар

Жоғары шағылыстыратын (HR) жабындар, антишағылыстыратын жабындардың керісінше жұмыс істейді. Негізгі идея әдетте екі материалдан құралған периодтық қабат жүйесіне негізделген, олардың біреуі жоғары көрсеткішке ие, мысалы, мырыш сульфиді (n=2.32) немесе титан диоксиді (n=2.4), ал екіншісі төмен көрсеткішке ие, мысалы, магний фториді (n=1.38) немесе кремний диоксиді (n=1.49). Бұл периодтық жүйе белгілі бір толқын ұзындығы диапазонында беттің шағылыстығын айтарлықтай арттырады, оның ені тек қолданылған екі көрсеткіштің қатынасымен анықталады (тоқсан толқындық жүйелер үшін), ал максималды шағылыстығы қабаттағы қабаттар санының артуымен 100%-ға жуықтайды. Қабаттардың қалыңдығы әдетте тоқсан толқынға тең (сол материалдардан жасалған тоқсан толқындық емес жүйелермен салыстырғанда, бұл ең кең жоғары шағылыс диапазонын қамтамасыз етеді), осылайша шағылысқан сәулелер шағылысты максималды ету және таралуды азайту үшін бір-бірімен конструктивті түрде араласады. Мұндай жабындардың ең жақсысы, өте тегіс беттерге жатқан диэлектрлік жоғалтусыз материалдардан жасалған, 99,999%-дан жоғары шағылыстылыққа жете алады (толқын ұзындығының өте тар диапазонында). Көбінесе HR жабындары кең толқын ұзындығы диапазонында (көрінетін спектрде ондаған нанометр) 99,9% шағылыстылыққа қол жеткізе алады. АR жабындарына қарағанда, HR жабындары жарықтың түсу бұрышына сезімтал. Нормальдық түсуден алшақтағанда, шағылыстыратын диапазон қысқа толқын ұзындығына қарай жылжиды және поляризацияға тәуелді болады. Бұл эффектті жарық сәулесін поляризациялайтын жабындар жасау үшін пайдалануға болады. Жабындағы қабаттардың қалыңдығы мен құрамын өзгерту арқылы шағылысу сипаттамаларын нақты қолдануға бейімдеуге болады, сондай-ақ жоғары шағылыстыратын және антишағылыстыратын толқын ұзындығы аймақтарын қамтуға болады. Жабын ұзақ немесе қысқа толқынды сүзгі, жолақты өткізгіш немесе кескіш сүзгі, немесе белгілі бір шағылыстығы бар айна (лазерлерде пайдалы) ретінде жасалуы мүмкін. Мысалы, кейбір камераларда қолданылатын дихроикалық призма жинағы екі диэлектрлік жабынды қажет етеді: 500 нм-ден төмен жарықты шағылыстыратын ұзын толқынды өткізгіш сүзгі (жарықтың көк компонентін бөлу үшін) және 600 нм-ден жоғары толқын ұзындығы бар қызыл жарықты шағылыстыратын қысқа толқынды өткізгіш сүзгі. Қалған өткен жарық – жасыл компонент.

Өте ультрафиолеттік қаптамалар

EUV спектрінің бөлігінде (толқын ұзындығы 30 нм-ден кем) дерлік барлық материалдар күшті сіңіріп алады, бұл осы толқын ұзындығы диапазонында жарықты фокустауды немесе өзгеше басқаруды қиындатады. TRACE немесе EIT сияқты EUV жарығымен кескіндер жасайтын телескоптар жүздеген кезектесетін қабаттардан тұратын көп қабатты айналарды пайдаланады, олар молибден немесе вольфрам сияқты ауыр металлдан және кремний сияқты жеңіл аралық қабаттан жасалған, вакуумда шыны сияқты негізге жабылады. Әрбір қабат жұбының қалыңдығы шағылыстырылатын жарық толқыны ұзындығының жартысына тең етіп есептеледі. Әр қабаттан шашыраған жарық арасындағы конструктивті интерференция айнаның қажетті толқын ұзындығындағы EUV жарығын, көзбен көрінетін жарықтағы қарапайым металл айна сияқты шағылыстыруына мүмкіндік береді. Көп қабатты оптиканы қолдану арқылы түсетін EUV жарықтың 70%-ға дейін шағылысуы мүмкін (айна құрастырылған кезде таңдалған нақты толқын ұзындығында).

Көзқарас өткізгіш төсемдер

Мөлдір өткізгіш қаптамалар электр тогын өткізу немесе статикалық зарядты тарату маңызды болатын қолданыстарда қолданылады. Өткізгіш қаптамалар апертураны электромагниттік кедергіден қорғау үшін пайдаланылады, ал диссипативтік қаптамалар статикалық электрдің жиналуын болдырмау үшін қолданылады. Мөлдір өткізгіш қаптамалар жарық өтуі қажет жағдайларда электродтарды қамтамасыз ету үшін де кеңінен қолданылады, мысалы, жалпақ панельді дисплей технологияларында және көптеген фотоэлектрохимиялық тәжірибелерде. Мөлдір өткізгіш қаптамаларда жиі қолданылатын зат – индий қатырмалы оксид (ITO). Дегенмен, ITO оптикалық тұрғыдан өте мөлдір емес. Қабаттар, әсіресе спектрдің көк жағында, айтарлықтай мөлдірлікті қамтамасыз ету үшін жұқа болуы керек. ITO қолдану арқылы беттік кедергісі 20-ден 10 000 Омға дейін квадратқа жеткізілуі мүмкін. ITO қаптамасын сәулеленуге қарсы қаптамамен біріктіру трансмиссияны одан әрі жақсартуға мүмкіндік береді. Басқа ТКО (Мөлдір өткізгіш оксидтер) құрамына алюминий қосылған мырыш оксиді (AZO) кіреді, ол ITO-ға қарағанда жақсырақ ультракүлгін сәулелерді өткізеді. Мөлдір өткізгіш қаптамалардың ерекше класы инфрақызыл пленкаларға, әсіресе театрлық және әскери авиациялық оптикаға қолданылады, онда инфрақызыл сәулелерді өткізетін терезелердің (радар) жасырын (стелс технологиясы) қасиеттері болуы керек. Бұлар RAIT (Радарлық әлсірету / инфрақызыл тарату) деп аталады және борон қосылған DLC (алмаз тәрізді көміртегі) сияқты материалдарды қамтиды.

Фазалық түзету қаптамалары

Шатыр призмасындағы көптеген ішкі шағылыстар Френель ромбына ұқсас, таралған жарықтың поляризацияға байланысты фазалық кешігуіне себеп болады. Бұл жағымсыз интерференция мен кескіндегі контрасттың төмендеуіне алып келеді, сондықтан шатырдың бір бетіне көп қабатты фазалық түзету жабындары қолданылуы керек. Диэлектрлік фазалық түзету призмалық жабындары вакуумдік камерада, шамамен 30 түрлі қабатталған бумен жабылатын қабаттар арқылы жасалады, бұл өндіріс процесінің күрделілігін арттырады. Фазалық түзету жабыны жоқ шатыр призмасында s- және p-поляризацияланған жарық, жоғарғы призмадан өтетін кезде әр түрлі геометриялық фазаға ие болады. Екі поляризацияланған компонент қайта біріктірілгенде, s- және p-поляризацияланған жарық арасындағы интерференция шатырдың жиегіне перпендикуляр және оған параллель бағыттардағы жарықтың әртүрлі интенсивтілік үлестірілімдерін тудырады. Бұл эффект кескіндегі контрастты және ажыратымдылықты төмендетеді, нәтижесінде Porro призмалық жүйеге қарағанда нашар сапалы кескін пайда болады. Бұл шатыр жиегінің дифракциялық әсері, кескіндегі жарқын нүктелерден туындаған шатыр жиегіне перпендикуляр дифракциялық шоқ түрінде де көрінуі мүмкін. Техникалық оптикада мұндай фаза Панчаратнам фазасы деп аталады, ал кванттық физикада оған тең құбылыс Берри фазасы деп танылады. Бұл эффектті Аири дискісінің шатырдың гребеніне перпендикуляр бағытта созылуынан байқауға болады, себебі бұл шатырдың гребеніндегі үзілістен туындаған дифракция. Жағымсыз интерференция эффектілері шатыр призмасының шатыр бетіне арнайы диэлектрлік жабын – фазалық компенсатор жабынын бумен жабу арқылы жойылады. Бұл фазалық түзету жабыны немесе P жабыны 1988 жылы Карл Цейс компаниясында Адольф Вейраухпен әзірленген. Көп ұзамай басқа өндірушілер де осы жолды ұстанды және содан бері фазалық түзету жабындары орта және жоғары сапалы шатыр призмалы бинокльдерде кеңінен қолданылады. Бұл жабын s- және p-поляризацияланған жарықтың геометриялық фазасының айырмашылығын түзетуге арналған, осылайша олардың екеуі де шамамен бірдей фазалық өзгеріске ие болып, кескіннің нашарлауына себеп болатын интерференцияны болдырмайды. Техникалық тұрғыдан алғанда, фазалық түзету жабыны нақты фазалық өзгерісті түзетпейді, бірақ толық шағылысу нәтижесінде туындайтын жарықтың ішінара поляризациясын түзетуге бағытталған. Мұндай түзету әрқашан белгілі бір толқын ұзындығы мен түсу бұрышы үшін ғана жасалуы мүмкін; алайда, бірнеше қабатты қабаттастыру арқылы шатыр призмасын полихроматикалық жарыққа шамамен түзетуге болады. Осылайша, 1990 жылдардан бастап шатыр призмалы бинокльдер бұрын тек Porro призмаларымен ғана қол жеткізілетін ажыратымдылық деңгейіне қол жеткізді. Фазалық түзету жабынының болуын ашылмаған бинокльдерде екі поляризациялық сүзгіні пайдалану арқылы тексеруге болады. FROCs (Фотондық Фано резонанстық оптикалық жабындар) кең жолақты наноқуысты, континум ретінде, тар жолақты Фабри-Перо наноқуысымен, дискретті күйді білдіретін, біріктіру арқылы фотондық Фано резонансын көрсетеді. Бұл екі резонанстың арасындағы интерференция асимметриялық Фано резонанстық сызық пішіні ретінде көрінеді. FROCs басқа оптикалық жабындармен қайта жасамауға болатын оптикалық қасиеттеріне ие болғандықтан, оптикалық жабындардың жеке санаты болып есептеледі. Ең бастысы, жартылай мөлдір FROCs сәуле бөлгіш сүзгі ретінде әрекет етеді, бірдей түсті рефлексиялайды және өткізеді, бұл қасиетті тарату сүзгілерімен, диэлектрлік айналармен немесе жартылай мөлдір металдармен қол жеткізу мүмкін емес. FROCs ерекше құрылымдық түс қасиеттеріне ие, өйткені олар жоғары жарықтылықпен де, жоғары тазалықпен де кең түстік гаммада түстерді шығара алады. Сонымен қатар, түстің түсу бұрышына тәуелділігі диэлектрлік қуыс материалы арқылы бақыланады, бұл FROCs-ты бұрышқа тәуелсіз немесе бұрышқа тәуелді түс қажет болатын қолданулар үшін бейімделуге мүмкіндік береді. Бұл декоративтік мақсаттар мен жалған өнімдерге қарсы шараларды қамтиды. FROCs монолитті спектрлік бөлгіштер және селективті күн сәулесін сіңірушілер ретінде де қолданылды, бұл оларды гибридті күн жылу энергиясын өндіруге қолайлы етеді. Оларды фотоэлектрлік жасушалардың энергиялық саңылауына сәйкес келетін белгілі бір толқын ұзындығы диапазондарын рефлексиялайтын және қалған күн спектрін сіңіретіндей етіп жобалауға болады. Бұл фотоэлектрлік жасушалардың температурасын төмендету арқылы жоғары оптикалық концентрацияда фотоэлектрлік тиімділікті арттырады. Сонымен қатар, төмендетілген температура жасушаның қызмет ету мерзімін ұзартады. Оның инфрақызыл эмиссиясының төмендігі жылу жоғалтуларын азайтады, жүйенің жалпы оптотермиялық тиімділігін арттырады.