Кіріспе
Шағылысуды азайтатын оптикалық жабын. Шағылысқа қарсы, жылтырауға қарсы немесе кері шағылысқа қарсы (AR) жабын – линзалардың, басқа оптикалық элементтердің және фотоэлектрлік жасушалардың бетіне шағылысуды азайту үшін қолданылатын оптикалық жабынның бір түрі. Типик бейнелеу жүйелерінде бұл тиімділікті арттырады, себебі шағылысудан жарық аз жоғалады. Камералар, бинокльдер, телескоптар және микроскоптар сияқты күрделі жүйелерде шағылысуды азайту, сондай-ақ, шашыраған жарықты жою арқылы кескіннің контрасттылығын жақсартады. Бұл планеталық астрономияда ерекше маңызды. Басқа қолданыстарда негізгі пайдасы – шағылысудың өзін жою болып табылады, мысалы, көзілдірік линзаларындағы жабын, осылайша киюшінің көздері басқаларға көрінеді, немесе жасырын бақылаушының биноклінен немесе телескоптық көзден келетін жылтырауды азайту. Көптеген жабындар қарама-қарсы сындыру индексіне ие, біріккен қабаттардан тұратын мөлдір жұқа пленкалық құрылымдардан тұрады. Қабаттардың қалыңдығы интерфейстерден шағылысқан сәулелерде деструктивті интерференцияны және сәйкес жіберілген сәулелерде конструктивті интерференцияны тудыру үшін таңдалады. Бұл құрылымның өнімділігі толқын ұзындығы мен түсу бұрышына байланысты өзгереді, сондықтан көлбеу бұрыштарда түс әсерлері көрінуі мүмкін. Мұндай жабындарды жобалау немесе тапсырыс беру кезінде толқын ұзындығының диапазоны көрсетілуі керек, бірақ жиіліктердің салыстырмалы түрде кең диапазонында жақсы өнімділікке қол жеткізуге болады: әдетте ИК, көрінетін немесе Көк сәуле таңдау ұсынылады.
An antireflective, antiglare or anti reflection (AR) coating is a type of optical coating applied to the surface of lenses, other optical elements, and photovoltaic cells to reduce reflection. In typical imaging systems, this improves the efficiency since less light is lost due to reflection. In complex systems such as cameras, binoculars, telescopes, and microscopes the reduction in reflections also improves the contrast of the image by elimination of stray light. This is especially important in planetary astronomy. In other applications, the primary benefit is the elimination of the reflection itself, such as a coating on eyeglass lenses that makes the eyes of the wearer more visible to others, or a coating to reduce the glint from a covert viewer's binoculars or telescopic sight. Many coatings consist of transparent thin film structures with alternating layers of contrasting refractive index. Layer thicknesses are chosen to produce destructive interference in the beams reflected from the interfaces, and constructive interference in the corresponding transmitted beams. This makes the structure's performance change with wavelength and incident angle, so that color effects often appear at oblique angles. A wavelength range must be specified when designing or ordering such coatings, but good performance can often be achieved for a relatively wide range of frequencies: usually a choice of IR, visible, or UV is offered.
Қолданбалар
Шағылысты азайту жабындары жарық оптикалық беттен өтетін және жоғалудың немесе шағылыстың азайтылуы қажет болатын көптеген қолданыстарда қолданылады. Мысалдарға түзету линзалары мен камера линзалары элементтеріндегі жарықтандырмау жабындары және күн жасушаларындағы шағылысқа қарсы жабындар кіреді.
Түзету линзалары
Оптиктер "жарық шағылысын азайтатын линзаларды" ұсына алады, себебі шағылыстың азаюы линзалардың сыртқы түрін жақсартады. Мұндай линзалар көбінесе жарықтың қызығуын азайтады делінеді, бірақ бұл азаю өте шамалы. Шағылыстарды жою арқасында сәл көбірек жарық өтеді, нәтижесінде контраст пен көру қабілеті сәл артады. Жарық шағылысын азайтатын офтальмологиялық линзаларды, күн көзілдіріктерінде ғана кездесетін және құм, су, жол сияқты беттерден шағылысқан күн сәулесінің жарығын сіңіру арқылы азайтатын поляризацияланған линзалармен шатастыруға болмайды. "Антирефлективті" термині линза бетінен шағылысуға қатысты, линзаға жеткен жарықтың көзіне емес. Көптеген жарық шағылысын азайтатын линзалар су мен майды тебілетін қосымша жабынмен жабдықталған, осылайша оларды таза ұстау оңайырақ. Жарық шағылысын азайтатын жабындар жоғары индексті линзаларға ерекше қолайлы, себебі олар төменгі индексті линзаларға қарағанда жабынсыз көбірек жарықты шағылыстырады (Френель теңдеулерінің салдары). Сонымен қатар, жоғары индексті линзаларды жабу әдетте оңай және арзан.
Фотолитография
Антирефлексиялық жабындар (АРЖ) микроэлектроникалық фотолитографияда субстрат бетінен туындайтын шағылыстармен байланысты кескін бұрмалануын азайту үшін жиі қолданылады. Әртүрлі антирефлексиялық жабындар фоторезистке дейін (төменгі АРЖ немесе BARC) немесе одан кейін жағылады және тұрақ толқындарды, жұқа пленкалардың интерференциясын және айна шағылыстарын азайтуға көмектеседі.
Күн элементтері
Күн элементтері көбінесе жарық өткізгіштігін арттыратын жабынмен қапталады. Қолданылған материалдарға магний фториді, кремний нитриді, кремний диоксиді, титан диоксиді және алюминий оксиді кіреді.
Индекспен сәйкестендіру
Ең қарапайым антирефлекстік жабын 1886 жылы Лорд Рейли ашқан. Сол кездегі оптикалық шыны, қоршаған ортамен химиялық реакциялардың салдарынан, уақыт өте келе бетінде тозаң жинап, көмескілене түсетін. Рейли ескі, сәл тозығы жеткен шыны үлгілерін сынап көрді және олардың жаңа, таза шыныдан гөрі көбірек жарық өткізетінін таң қалдыра байқады. Тозаң қабаты ауа-шыны интерфейсін екі интерфейспен алмастырады: ауа-тозаң қабаты интерфейсі және тозаң қабаты-шыны интерфейсі. Тозаң қабатының сындыру көрсеткіші шыны мен ауаның арасындағы мәнге ие болғандықтан, әрбір интерфейсте ауа-шыны интерфейсіне қарағанда аз жарық шағылысады. Шындығында, екі шағылыстың жалпы қосындысы Френель теңдеулері арқылы есептеуге болатын, "жалаңаш" ауа-шыны интерфейсіндегіден кем болады. Бір тәсіл – градиенттік индекс (GRIN) антирефлекстік жабын қолдану, яғни жарық сындыру көрсеткіші үздіксіз өзгеретін жабын. Мұндай жабындарды қолдану арқылы, кең жиілік диапазонында және түсу бұрыштарында шағылысты азайтуға болады.
Бір қабатты кедергі
Ең қарапайым интерференциялық антирефлекстік жабын мөлдір материалдың бір жұқа қабатынан тұрады, оның сыну көрсеткіші субстраттың сыну көрсеткішінің квадрат түбіріне тең. Ауада мұндай жабын теориялық тұрғыдан, толқын ұзындығы (жабында) жабын қалыңдығынан төрт есеге тең жарық үшін нөлдік шағылыс береді. Сондай-ақ, шағылыс орталықтың айналасындағы кең спектрдегі толқын ұзындықтары үшін де төмендейді. Кез келген есептік толқын ұзындығының төрттен біріне тең қалыңдығы бар қабатты "толқынның төрттен бір бөлігі" деп атайды. Оптикалық шынының ең көп таралған түрі – тақтатас шыны, оның сыну көрсеткіші шамамен 1,52-ге тең. Оптималды бір қабатты жабын шамамен 1,23 көрсеткіші бар материалдан жасалуы керек. Мұндай төмен сыну көрсеткішіне ие қатты материалдар жоқ. Жақсы физикалық қасиеттері бар жабын үшін ең жақын материалдар – магний фториді, MgF2 (көрсеткіші 1,38) және фторполимерлер, олардың көрсеткіші 1,30-ға дейін төмендеуі мүмкін, бірақ оларды қолдану қиын. MgF2 тақтатас шыны бетінде шамамен 1% шағылыс береді, ал қара шыныда – 4%. MgF2 жабындары жоғары көрсеткішті шыныларда, әсіресе сыну көрсеткіші 1,9-ға жақын шыныларда жақсы жұмыс істейді. MgF2 жабындары арзан және берік болғандықтан жиі қолданылады. Жабындар көрінетін спектрдің ортасындағы толқын ұзындығы үшін есептелгенде, олар бүкіл спектрде жақсы антирефлекстік қасиеттерді қамтамасыз етеді. Зерттеушілер мезопорозды кремний диоксидінің нанобөлшектерінен жасалған пленкаларды жасады, олардың сыну көрсеткіші 1,12-ге дейін төмендеуі мүмкін және антирефлекстік жабын ретінде жұмыс істейді.
Көп қабатты кедергі
Кремний сияқты төмен индекс материалдары мен жоғары индекс материалдарын кезектестіре қолдану арқылы, бір толқын ұзындығында 0,1%-ға дейін төмен шағылыстыруға қол жеткізуге болады. Жиіліктердің кең диапазонында өте төмен шағылыстыруды қамтамасыз ететін жабындар да жасалуы мүмкін, бірақ олар күрделі және салыстырмалы түрде қымбат. Оптикалық жабындарды ерекше қасиеттермен де жасауға болады, мысалы, бірнеше толқын ұзындығында нөлге жуық шағылысу, немесе 0° емес, басқа түсу бұрыштарында оптималды жұмыс істеу.
Ішіне сіңіретін
Айнаға қарсы жабындардың тағы бір түрі – "жұтатын ARC". Бұл жабындар беттен жоғары өткізу маңызды болмаған немесе қажет емес, бірақ төменгі шағылысу қажет болған жағдайларда қолданылады. Олар аздаған қабаттармен өте төменгі шағылысты қамтамасыз етеді және көбінесе стандартты жұтпайтын AR жабындарына қарағанда арзанға немесе ірі көлемде өндірілуі мүмкін. (Мысалы, АҚШ патенті 5,091,244-ке қараңыз.) Жұтатын ARC-лер көбінесе шашырату арқылы жасалған күрделі жұқа пленкалардағы ерекше оптикалық қасиеттерді пайдаланады. Мысалы, титан нитриді және ниобий нитриді жұтатын ARC-лерде қолданылады. Бұл контрастты күшейтуді қажет ететін немесе боялған шыныны алмастыруға болатын қолданыстарда (мысалы, ЭЛТ дисплейінде) пайдалы болуы мүмкін.
Ұша көзі
Көбелектердің көздері ерекше қасиетке ие: олардың беті табиғи наноқұрылымдық қабықшамен жабылған, ол жарық шағылысуын жояды. Бұл көбелекке қараңғыда жақсы көруге мүмкіндік береді, ал оның орны хищниктерге білінбейді. Құрылымы шамамен 200 нм биіктіктегі және 300 нм аралықта орналасқан алтыбұрышты дөңгелектердің үлгісінен тұрады. Бұл антирефлекстік жабынның жұмыс істеу принципі – дөңгелектердің көрінетін жарықтың толқын ұзындығынан кіші болуы, сондықтан жарық бетті ауа мен ортаның арасындағы үздіксіз сындыру көрсеткіші градиенті ретінде қабылдайды, бұл ауа линзасының интерфейсін тиімді түрде жою арқылы шағылысуды азайтады. Адамдар осы эффектті пайдаланып практикалық антирефлекстік пленкалар жасады; бұл биомимикрияның бір түрі. Canon өзінің Sub Wavelength structure Coating технологиясында көбелек көзін пайдаланады, бұл линзадағы жарқырауды айтарлықтай азайтады. Мұндай құрылымдар фотоникалық құрылғыларда да қолданылады, мысалы, вольфрам оксиді мен темір оксидінен өсірілген көбелек көздері суды сутек өндіру үшін бөлуге арналған фотоэлектродтар ретінде қолданылуы мүмкін. Құрылымы диаметрі бірнеше жүз микрометрлік вольфрам оксиді сфераларынан тұрады, олар бірнеше нанометрлік темір оксидімен қапталған.
Дөңгелек полярландырушы
Жарықтарды жою үшін бетке жабыстырылған дөңгелек поляризатор қолданылуы мүмкін. Поляризатор бір хиралдылықтағы ("қолдылықтағы") шеңберлік поляризацияланған жарықты өткізеді. Поляризатордан кейін беттен шағылысқан жарық қарама-қарсы "қолдылыққа" айналады. Бұл жарық өз хиралдығы өзгергендіктен (мысалы, оңнан солға шеңберлік поляризацияға) кері басып өте алмайды. Бұл әдістің кемшілігі – кіретін жарық полярланбаған болса, жиынтық арқылы өтетін жарық мөлшері 50%-дан кем болады.
Теория
Қаптамаларға байланысты оптикалық эффекттердің екі бөлек себебі бар, олар қалың пленка және жұқа пленка эффекттері деп аталады. Қалың пленка эффектісі қаптаманың (немесе пленканың) үстіндегі және астындағы қабаттар арасындағы сындыру көрсеткішінің айырмашылығынан туындайды; ең қарапайым жағдайда бұл үш қабат – ауа, қаптама және шыны. Қалың пленка қаптаманың қалыңдығына тәуелді емес, егер қаптаманың қалыңдығы жарық толқынының ұзындығынан әлдеқайда артық болса. Жұқа пленка эффектісі қаптаманың қалыңдығы жарық толқынының ширегіне немесе жартысына шамалас болғанда пайда болады. Бұл жағдайда, тұрақты жарық көзінен шағылысқан сәулелердің бір-бірін жоюына (деструктивті араласуына) және осылайша шағылысты азайтуға жеке механизм көмектеседі. Жұқа пленкалы қаптамалар қаптаманың қалыңдығына, жарықтың толқын ұзындығына және жарық сәулесінің қапталған бетке түсу бұрышына күшті тәуелді.
Интерференциялық қаптамалар
Аралық қабатты пайдалану арқылы антирефлексиялық жабынды жасауды электр сигналдарының кедергісін сәйкестендіру әдісіне ұқсас қарастыруға болады. (Осыған ұқсас әдіс талшықты оптиканы зерттеуде қолданылады, онда кейде индексі сәйкес келетін май ішкі толық шағылысты уақытша жою үшін қолданылады, осылайша жарық талшыққа кіріп немесе одан шыға алады.) Теориялық тұрғыдан алғанда, процесті бірнеше қабатқа кеңейту арқылы, әрбір қабаттың сыну индексін ауаның және субстраттың индексі арасында біртіндеп араластыру арқылы шағылысты одан әрі азайтуға болады. Дегенмен, практикалық антирефлексиялық жабындылар тек тікелей шағылыс коэффициентін азайту үшін ғана емес, сонымен қатар жұқа қабаттың интерференциялық әсерін де пайдаланады. Қабаттың қалыңдығы дәл бақыланатынын ескерелік, ол қабаттағы жарықтың толқын ұзындығының төрттен бір бөлігіне тең болады (λ0 – вакуумдегі толқын ұзындығы). Бұл қабатты төртінші толқындық жабын деп атайды. Осындай жабын үшін, екінші интерфейстен шағылысқан сәуле бірінші беттен шағылысқан сәулеге қарағанда өзінің толқын ұзындығының жартысына тең қашықтыққа жүреді, бұл деструктивті интерференцияға алып келеді. Бұл қалың қабаттар үшін де (3λ/4, 5λ/4 және т.б.) дұрыс, бірақ бұл жағдайда антирефлексиялық қасиеттері нашарлайды, себебі шағылыс толқын ұзындығына және түсу бұрышына күшті тәуелді болады. Егер екі сәуленің (R1 және R2) интенсивтілігі бірдей болса, олар бір-бірін жояды, себебі олардың фазалары 180 градусқа қарама-қарсы болады. Сондықтан, беттен шағылыс болмайды және сәуленің барлық энергиясы жіберілген сәуледе (T) болуы керек. Қабаттар жиынтығынан шағылысты есептеу үшін трансфер матрицасы әдісін қолдануға болады. Нақты жабындылар идеалды нәтижеге жете алмайды, бірақ беттік шағылыс коэффициентін 0,1%-дан төменге дейін азайтуға қабілетті. Сонымен қатар, қабаттың қалыңдығы жарықтың тек бір толқын ұзындығы үшін ғана оптималды болады. Басқа қиындықтар – обычный шыныға қолдануға жарамды материалдарды табу, себебі пайдалы заттардың көпшілігінде қажетті сыну индексі (n ≈ 1,23) жоқ, ол екі шағылысқан сәуленің интенсивтілігін теңестіреді. Магний фториді (MgF2) жиі қолданылады, себебі ол тозуға төзімді және физикалық булану арқылы субстраттарға оңай жабысады, оның сыну индексі қажетті деңгейден жоғары болса да. Оны жасаудың бір жолы – төмен сыну индексі бар қабат пен субстраттың арасына екінші төртінші толқындық, жоғары сыну индексі бар қабатты қосу. Үш интерфейстен шағылысқан сәулелер деструктивті интерференцияға алып келеді және антирефлексиялық эффект береді. Басқа әдістерде қабаттардың әртүрлі қалыңдықтары қолданылады. Екі немесе одан көп қабатты пайдалану арқылы, әрбір қабат қажетті сыну индексі мен дисперсияға ең жақсы сәйкес келетін материалдан жасалған, 400–700 нм көрінетін диапазондағы кең жолақты антирефлексиялық жабындылар жасауға болады, олардың максималды шағылысуы 0,5%-дан төмен. Жабынның нақты сипаттамасы жабынған оптиканың түсін анықтайды; көзілдіріктер мен фотообъективтердегі әдеттегі AR жабындылар көкшіл түсті көрінеді (себебі олар көк жарықты басқа көрінетін толқын ұзындықтарынан сәл көбірек шағылыстырады), бірақ жасыл және қызғылт түсті жабындылар да қолданылады. Егер жабынған оптикалық құрылғы қалыпты емес бұрышпен қолданылса (яғни, жарық сәулелері бетке перпендикуляр емес), антирефлексиялық қасиеттері азаяды. Бұл қабатта жинақталған фазаның тікелей шағылысқан жарықтың фазасына қатысты айырмасы қалыпты бұрыштан ауытқумен бірге азаюының салдарынан болады. Бұл интуицияға қайшы келеді, себебі сәуле қалыпты жағдайға қарағанда қабатта үлкен фазалық өзгеріске ұшырайды. Бұл парадокс сәуленің кірген жерінен ауытқанын және интерфейске жету үшін одан әрі жүруге мәжбүр болған кіретін сәулелердің шағылыстарымен кедергілесетінін ескеру арқылы шешіледі (осылайша олардың өз фазаларын жинақтайды). Нәтижесінде, салыстырмалы фаза азаяды, жабын өзгеріп, антирефлексиялық жолақ оптикалық бұрыш өскенде қысқа толқын ұзындығына қарай жылжиды. Қалыпты емес түсу бұрыштары шағылыстың поляризацияға тәуелді болуына да себеп болады.
Further reduction is possible by using multiple coating layers, designed such that reflections from the surfaces undergo maximal destructive interference. One way to do this is to add a second quarter wave thick higher index layer between the low index layer and the substrate. The reflection from all three interfaces produces destructive interference and anti reflection. Other techniques use varying thicknesses of the coatings. By using two or more layers, each of a material chosen to give the best possible match of the desired refractive index and dispersion, broadband anti reflection coatings covering the visible range (400–700 nm) with maximal reflectivity of less than 0.5% are commonly achievable. The exact nature of the coating determines the appearance of the coated optic; common AR coatings on eyeglasses and photographic lenses often look somewhat bluish (since they reflect slightly more blue light than other visible wavelengths), though green and pink tinged coatings are also used. If the coated optic is used at non normal incidence (that is, with light rays not perpendicular to the surface), the anti reflection capabilities are degraded somewhat. This occurs because the phase accumulated in the layer relative to the phase of the light immediately reflected decreases as the angle increases from normal. This is counterintuitive, since the ray experiences a greater total phase shift in the layer than for normal incidence. This paradox is resolved by noting that the ray will exit the layer spatially offset from where it entered and will interfere with reflections from incoming rays that had to travel further (thus accumulating more phase of their own) to arrive at the interface. The net effect is that the relative phase is actually reduced, shifting the coating, such that the anti reflection band of the coating tends to move to shorter wavelengths as the optic is tilted. Non normal incidence angles also usually cause the reflection to be polarization dependent.
Текстуралы қаптамалар
Жадырауды 3D пирамидалармен немесе 2D жолақтармен (торлармен) беткейін текстуралау арқылы азайтуға болады. Мұндай текстуралы жабындыны, мысалы, Лангмюир-Блоджет әдісін қолдану арқылы жасауға болады. Егер толқын ұзындығы текстураның мөлшерінен үлкен болса, текстура төмен шағылыстыратын градиенттік индекс фильмі сияқты қасиет көрсетеді. Бұл жағдайда шағылысты есептеу үшін тиімді орта жуықтамасын қолдануға болады. Шағылысты азайту үшін пирамидалардың әртүрлі профильдері ұсынылған, мысалы, кубтық, квинтикалық немесе интегралды экспоненциалдық профильдер. Егер толқын ұзындығы текстураның мөлшерінен кіші болса, шағылыстың азаюын геометриялық оптика жуықтамасымен түсіндіруге болады: сәулелер көзіне қайтарылғанға дейін көп рет шағылысуы керек. Бұл жағдайда сәулелерді қабылдау арқылы шағылысты есептеуге болады. Текстураны қолдану, мөлшері толқын ұзындығымен салыстыратын толқындар үшін де шағылысты азайтады. Бұл жағдайда ешқандай жуықтама жарамсыз, ал шағылысты Максвелл теңдеулерін сандық түрде шешу арқылы есептеуге болады. Текстуралы беттердің антирефлекстік қасиеттері әдебиетте оптималды текстура мөлшерін табу үшін толқын ұзындығының қатынастарының кең ауқымында (ұзын және қысқа толқын шектерін қоса алғанда) жақсы талқыланады.
Тарих
Жоғарыда айтылғандай, табиғи индекске сәйкес келетін "жабындарды" 1886 жылы Лорд Рейли ашқан. 1904 жылы Кук компаниясының Гарольд Деннис Тейлор мұндай жабындарды өндірудің химиялық әдісін әзірледі. Интерференцияға негізделген жабындарды 1935 жылы Карл Цайсс оптикалық компаниясында жұмыс істейтін Олександар Смакула ойлап тапты және дамытты. Бұл жабындар бірнеше жыл бойы Германияның әскери құпиясы болып сақталды, екінші дүниежүзілік соғыс кезінде одақтастар құпияны ашқанға дейін. Катарина Бёрр Блодгет және Ирвинг Лангмюр 1930 жылдардың соңында Лангмюр-Блодгет пленкалары деп аталатын органикалық антирефлекстік жабындарды жасады.