Оптические покрытия: изменение отражения и пропускания света

Введение

Материал, изменяющий отражение или прохождение света через оптические элементы.

Оптическое покрытие – это один или несколько тонких слоев материала, нанесенных на оптический компонент, такой как линза, призма или зеркало, которые изменяют способ, которым этот элемент отражает и пропускает свет. Эти покрытия стали ключевой технологией в области оптики. Одним из типов оптических покрытий является антиотражающее покрытие, которое уменьшает нежелательные отражения от поверхностей и широко используется в очках и объективах камер. Другой тип – высокоотражающее покрытие, которое позволяет создавать зеркала, отражающие более 99,99% падающего на них света. Более сложные оптические покрытия демонстрируют высокую отражающую способность в определенном диапазоне длин волн и антиотражающие свойства в другом диапазоне, что позволяет создавать дихроичные тонкопленочные фильтры.

Типы покрытия

Самые простые 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 отражающие характеристики зеркала; алюминий является самым дешевым и распространенным покрытием, обеспечивающим отражательную способность около 88–92% в видимом спектре. Более дорогое покрытие – серебро, которое имеет отражательную способность 95–99% даже в дальнем инфракрасном диапазоне, но демонстрирует снижение отражательной способности (<90%) в синей и ультрафиолетовой областях спектра. Самым дорогим является золото, которое обеспечивает отличную (98–99%) отражательную способность во всем инфракрасном диапазоне, но ограниченную отражательную способность при длинах волн менее 550 нм, что и обуславливает его типичный золотой цвет. Контролируя толщину и плотность металлических покрытий, можно уменьшить отражательную способность и увеличить пропускание поверхности, получая полупрозрачное зеркало. Они иногда используются как "зеркала одностороннего обзора". Другим основным типом оптического покрытия является диэлектрическое покрытие (то есть использование материалов с другим показателем преломления по сравнению с подложкой). Они состоят из тонких слоев материалов, таких как фторид магния, фторид кальция и различные оксиды металлов, которые наносятся на оптическую подложку. Тщательно подбирая точный состав, толщину и количество этих слоев, можно настроить отражательную и пропускающую способность покрытия для достижения практически любых желаемых характеристик. Коэффициент отражения поверхностей можно снизить до менее чем 0,2%, создавая антиотражающее (AR) покрытие. И наоборот, отражательную способность можно увеличить до более чем 99,99%, создавая высокоотражающее (HR) покрытие. Уровень отражения также можно настроить на любое конкретное значение, например, для создания зеркала, которое отражает 90% и пропускает 10% падающего на него света в определенном диапазоне длин волн. Такие зеркала часто используются в качестве разделителей луча и в качестве выходных зеркал в лазерах. Кроме того, покрытие можно спроектировать таким образом, чтобы зеркало отражало свет только в узком диапазоне длин волн, создавая оптический фильтр. Универсальность диэлектрических покрытий обуславливает их применение во многих научных оптических приборах (таких как лазеры, оптические микроскопы, рефракторы и интерферометры), а также в потребительских устройствах, таких как бинокли, очки и фотообъективы. Диэлектрические слои иногда наносятся поверх металлических пленок, либо для обеспечения защитного слоя (например, диоксида кремния на алюминии), либо для повышения отражательной способности металлической пленки. Комбинации металла и диэлектрика также используются для создания передовых покрытий, которые невозможно получить другими способами. Одним из примеров является так называемое "идеальное зеркало", которое демонстрирует высокую (но не идеальную) отражающую способность с необычно низкой чувствительностью к длине волны, углу падения и поляризации.

The simplest optical coatings are thin layers of metals, such as aluminium, which are deposited on glass substrates to make mirror surfaces, a process known as silvering. The metal used determines the reflection characteristics of the mirror; aluminium is the cheapest and most common coating, and yields a reflectivity of around 88% 92% over the visible spectrum. More expensive is silver, which has a reflectivity of 95% 99% even into the far infrared, but suffers from decreasing reflectivity (<90%) in the blue and ultraviolet spectral regions. Most expensive is gold, which gives excellent (98% 99%) reflectivity throughout the infrared, but limited reflectivity at wavelengths shorter than 550 nm, resulting in the typical gold colour. By controlling the thickness and density of metal coatings, it is possible to decrease the reflectivity and increase the transmission of the surface, resulting in a half silvered mirror. These are sometimes used as "one way mirrors". The other major type of optical coating is the dielectric coating (i. e. using materials with a different refractive index to the substrate). These are constructed from thin layers of materials such as magnesium fluoride, calcium fluoride, and various metal oxides, which are deposited onto the optical substrate. By careful choice of the exact composition, thickness, and number of these layers, it is possible to tailor the reflectivity and transmitivity of the coating to produce almost any desired characteristic. Reflection coefficients of surfaces can be reduced to less than 0.2%, producing an antireflection (AR) coating. Conversely, the reflectivity can be increased to greater than 99.99%, producing a high reflector (HR) coating. The level of reflectivity can also be tuned to any particular value, for instance to produce a mirror that reflects 90% and transmits 10% of the light that falls on it, over some range of wavelengths. Such mirrors are often used as beamsplitters, and as output couplers in lasers. Alternatively, the coating can be designed such that the mirror reflects light only in a narrow band of wavelengths, producing an optical filter. The versatility of dielectric coatings leads to their use in many scientific optical instruments (such as lasers, optical microscopes, refracting telescopes, and interferometers) as well as consumer devices such as binoculars, spectacles, and photographic lenses. Dielectric layers are sometimes applied over top of metal films, either to provide a protective layer (as in silicon dioxide over aluminium), or to enhance the reflectivity of the metal film. Metal and dielectric combinations are also used to make advanced coatings that cannot be made any other way. One example is the so called "perfect mirror", which exhibits high (but not perfect) reflection, with unusually low sensitivity to wavelength, angle, and polarization.

Покрытия с высоким уровнем отражения

Покрытия с высоким коэффициентом отражения (HR) работают принципиально иначе, чем антиотражающие покрытия. В основе их действия обычно лежит периодическая многослойная структура, состоящая из двух материалов: одного с высоким показателем преломления, например, сульфида цинка (n=2.32) или диоксида титана (n=2.4), и другого – с низким, например, фторида магния (n=1.38) или диоксида кремния (n=1.49). Эта периодическая система значительно увеличивает отражательную способность поверхности в определенном диапазоне длин волн, называемом полосой подавления, ширина которого определяется исключительно отношением показателей преломления двух материалов (для четвертьволновых систем). При этом максимальный коэффициент отражения возрастает до почти 100% с увеличением числа слоев в структуре. Толщина слоев обычно составляет четверть длины волны (что обеспечивает наиболее широкую полосу высокого отражения по сравнению с нечетвертьволновыми системами из тех же материалов), и рассчитывается таким образом, чтобы отраженные лучи интерферировали конструктивно, максимизируя отражение и минимизируя прохождение света. Лучшие покрытия, изготовленные из осажденных диэлектрических материалов без потерь на идеально гладких поверхностях, могут достигать коэффициента отражения более 99,999% (в довольно узком диапазоне длин волн). Типичные HR-покрытия способны обеспечивать отражательную способность 99,9% в широком диапазоне длин волн (десятки нанометров в видимом спектре). Как и в случае AR-покрытий, на HR-покрытия влияет угол падения света. При отклонении от нормального падения отражающий диапазон смещается в область коротких длин волн и становится зависимым от поляризации. Этот эффект можно использовать для создания покрытий, поляризующих световой луч. Путем точной настройки толщины и состава слоев в отражающей структуре можно оптимизировать отражательные характеристики для конкретного применения, включая как области высокого отражения, так и области антиотражения. Покрытие может быть спроектировано как фильтр длинных или коротких волн, полосовой или выемчатый фильтр, или зеркало с заданным коэффициентом отражения (что полезно в лазерах). Например, дихроичная призма, используемая в некоторых камерах, требует двух диэлектрических покрытий: фильтра, пропускающего длинные волны и отражающего свет с длиной волны менее 500 нм (для разделения синей составляющей), и фильтра, пропускающего короткие волны и отражающего красный свет с длиной волны более 600 нм. Оставшийся прошедший свет является зеленой составляющей.

High reflection (HR) coatings work the opposite way to antireflection coatings. The general idea is usually based on the periodic layer system composed from two materials, one with a high index, such as zinc sulfide (n=2.32) or titanium dioxide (n=2.4), and one with a low index, such as magnesium fluoride (n=1.38) or silicon dioxide (n=1.49). This periodic system significantly enhances the reflectivity of the surface in the certain wavelength range called band stop, whose width is determined by the ratio of the two used indices only (for quarter wave systems), while the maximum reflectivity increases up to almost 100% with a number of layers in the stack. The thicknesses of the layers are generally quarter wave (then they yield to the broadest high reflection band in comparison to the non quarter wave systems composed from the same materials), this time designed such that reflected beams constructively interfere with one another to maximize reflection and minimize transmission. The best of these coatings built up from deposited dielectric lossless materials on perfectly smooth surfaces can reach reflectivities greater than 99.999% (over a fairly narrow range of wavelengths). Common HR coatings can achieve 99.9% reflectivity over a broad wavelength range (tens of nanometers in the visible spectrum range). As for AR coatings, HR coatings are affected by the incidence angle of the light. When used away from normal incidence, the reflective range shifts to shorter wavelengths, and becomes polarization dependent. This effect can be exploited to produce coatings that polarize a light beam. By manipulating the exact thickness and composition of the layers in the reflective stack, the reflection characteristics can be tuned to a particular application, and may incorporate both high reflective and anti reflective wavelength regions. The coating can be designed as a long or short pass filter, a bandpass or notch filter, or a mirror with a specific reflectivity (useful in lasers). For example, the dichroic prism assembly used in some cameras requires two dielectric coatings, one long wavelength pass filter reflecting light below 500 nm (to separate the blue component of the light), and one short pass filter to reflect red light, above 600 nm wavelength. The remaining transmitted light is the green component.

Покрытия с ультрафиолетовым покрытием

В области спектра EUV (длина волны менее примерно 30 нм) почти все материалы сильно поглощают излучение, что затрудняет фокусировку или иное управление светом в этом диапазоне длин волн. Телескопы, такие как TRACE или EIT, формирующие изображения с использованием EUV-излучения, применяют многослойные зеркала, состоящие из сотен чередующихся слоев металла с большой атомной массой, например, молибдена или вольфрама, и легкого промежуточного слоя, например, кремния, нанесенных в вакууме на подложку, например, стеклянную. Толщина каждой пары слоев рассчитана таким образом, чтобы быть равной половине длины волны отражаемого света. Конструктивная интерференция рассеянного света от каждого слоя обеспечивает отражение EUV-излучения нужной длины волны зеркалом, подобно тому, как обычное металлическое зеркало отражает видимый свет. С помощью многослойной оптики можно отражать до 70% падающего EUV-излучения (на конкретной длине волны, выбранной при изготовлении зеркала).

Прозрачные проводящие покрытия

Прозрачные проводящие покрытия используются в приложениях, где важно, чтобы покрытие проводило электричество или рассеивало статический заряд. Проводящие покрытия применяются для защиты апертуры от электромагнитных помех, а рассеивающие покрытия – для предотвращения накопления статического электричества. Прозрачные проводящие покрытия также широко используются для создания электродов в ситуациях, требующих пропускания света, например, в технологиях плоских дисплеев и во многих фотоэлектрохимических экспериментах. Наиболее распространенным материалом для прозрачных проводящих покрытий является оксид индия-олова (ITO). Однако ITO обладает невысокой оптической прозрачностью. Для обеспечения достаточной прозрачности, особенно в синей части спектра, слои должны быть тонкими. При использовании ITO можно добиться удельного сопротивления от 20 до 10 000 Ом на квадрат. Покрытие ITO может быть комбинировано с антиотражающим покрытием для дальнейшего повышения пропускания. К другим ТПО (прозрачным проводящим оксидам) относится AZO (оксид цинка, легированный алюминием), который обеспечивает значительно лучшую пропускаемость УФ-излучения, чем ITO. Особый класс прозрачных проводящих покрытий используется для инфракрасных пленок в военно-воздушной оптике, где требуется, чтобы ИК-прозрачные окна обладали свойствами малозаметности для радаров (технология стелс). Они известны как RAIT (поглощающие радарные волны / пропускающие инфракрасное излучение) и включают в себя материалы, такие как углерод, легированный бором (DLC – алмазоподобный углерод).

Покрытия с фазовой коррекцией

Многократные внутренние отражения в призмах крыши вызывают фазовый сдвиг прошедшего света, зависящий от поляризации, подобно ромбу Френеля. Этот сдвиг необходимо подавлять с помощью многослойных фазокорректирующих покрытий, нанесенных на одну из поверхностей крыши, чтобы избежать нежелательных интерференционных эффектов и потери контраста изображения. Диэлектрические фазокорректирующие покрытия для призм наносятся в вакуумной камере, возможно, с использованием 30 различных слоев, наносимых методом вакуумного осаждения, что делает процесс производства сложным. В крышевой призме без фазокорректирующего покрытия s- и p-поляризованный свет приобретают различную геометрическую фазу при прохождении через верхнюю призму. При рекомбинации этих двух поляризованных компонент интерференция между s- и p-поляризованным светом приводит к разному распределению интенсивности перпендикулярно к краю крыши по сравнению с распределением вдоль края крыши. Этот эффект снижает контраст и разрешение изображения перпендикулярно краю крыши, приводя к ухудшению изображения по сравнению с системой прямого зрения, использующей призмы Порро. Этот эффект дифракции на краю крыши также может проявляться как дифракционный пик, перпендикулярный краю крыши, возникающий от ярких точек в изображении. В технической оптике такая фаза также известна как фаза Панчаратнама, а в квантовой физике эквивалентное явление называется фазой Берри. Этот эффект можно наблюдать в удлинении диска Эйри в направлении, перпендикулярном гребню крыши, поскольку это связано с дифракцией от разрыва на гребне крыши. Нежелательные интерференционные эффекты подавляются путем нанесения методом вакуумного осаждения специального диэлектрического покрытия, известного как фазокомпенсирующее покрытие, на крышевые поверхности призмы. Эти фазокорректирующие покрытия, или P-покрытия, на крышевых поверхностях были разработаны в 1988 году Адольфом Вейраухом в Carl Zeiss. Вскоре за ним последовали и другие производители, и с тех пор фазокорректирующие покрытия повсеместно используются в биноклях среднего и высокого класса с крышевыми призмами. Это покрытие корректирует разницу в геометрической фазе между s- и p-поляризованным светом, обеспечивая практически одинаковый сдвиг фазы для обоих, что предотвращает интерференцию, ухудшающую качество изображения. С технической точки зрения, слой фазокорректирующего покрытия не корректирует фактический сдвиг фазы, а скорее частичную поляризацию света, возникающую в результате полного внутреннего отражения. Такая коррекция всегда может быть выполнена только для выбранной длины волны и определенного угла падения; однако, возможно приблизительно скорректировать крышевую призму для полихроматического света путем наложения нескольких слоев. Таким образом, с 1990-х годов бинокли с крышевыми призмами достигли разрешения, которое ранее было доступно только для призм Порро. Наличие фазокорректирующего покрытия можно проверить на нераспечатанном бинокле с помощью двух поляризационных фильтров. FROCs (фотонные резонаторы Фано) демонстрируют фотонный резонанс Фано, сочетая широкополосную нанополость, служащую континуумом, с узкополосной нанополостью Фабри-Перо, представляющей дискретное состояние. Интерференция между этими двумя резонансами проявляется в виде асимметричной линии резонанса Фано. FROCs рассматриваются как отдельная категория оптических покрытий, поскольку они обладают оптическими свойствами, которые невозможно воспроизвести с помощью других оптических покрытий. В частности, полупрозрачные FROCs действуют как фильтр, разделяющий луч, который одновременно отражает и пропускает один и тот же цвет, что невозможно достичь с помощью пропускающих фильтров, диэлектрических зеркал или полупрозрачных металлов. FROCs обладают замечательными структурными свойствами окраски, поскольку они могут создавать цвета в широком цветовом диапазоне с высокой яркостью и чистотой. Кроме того, зависимость цвета от угла падения света может контролироваться посредством материала диэлектрической полости, что делает FROCs пригодными для применений, требующих окраски, не зависящей от угла, или зависящей от угла. Это включает в себя декоративные цели и меры по борьбе с подделками. FROCs использовались как монолитные разделители спектра и селективные солнечные поглотители, что делает их подходящими для гибридной генерации солнечной тепловой энергии. Они могут быть спроектированы для отражения определенных диапазонов длин волн, соответствующих ширине запрещенной зоны фотоэлектрических элементов, одновременно поглощая остальной солнечный спектр. Это позволяет повысить эффективность фотоэлектрических элементов при повышенной оптической концентрации за счет снижения температуры фотоэлектрического элемента. Снижение температуры также увеличивает срок службы элемента. Кроме того, их низкая инфракрасная излучательная способность минимизирует тепловые потери, повышая общую оптотепловую эффективность системы.

The multiple internal reflections in roof prisms cause a polarization dependent phase lag of the transmitted light, in a manner similar to a Fresnel rhomb. This must be suppressed by multilayer phase correction coatings applied to one of the roof surfaces to avoid unwanted interference effects and a loss of contrast in the image. Dielectric phase correction prism coatings are applied in a vacuum chamber with maybe 30 different superimposed vapor coating layers deposits, making it a complex production process. In a roof prism without a phase correcting coating, s polarized and p polarized light each acquire a different geometric phase as they pass through the upper prism. When the two polarized components are recombined, interference between the s polarized and p polarized light results in a different intensity distribution perpendicular to the roof edge as compared to that along the roof edge. This effect reduces contrast and resolution in the image perpendicular to the roof edge, producing an inferior image compared to that from a porro prism erecting system. This roof edge diffraction effect may also be seen as a diffraction spike perpendicular to the roof edge generated by bright points in the image. In technical optics, such a phase is also known as the Pancharatnam phase, and in quantum physics an equivalent phenomenon is known as the Berry phase. This effect can be seen in the elongation of the Airy disk in the direction perpendicular to the crest of the roof as this is a diffraction from the discontinuity at the roof crest. The unwanted interference effects are suppressed by vapour depositing a special dielectric coating known as a phase compensating coating on the roof surfaces of the roof prism. These phase correction coating or P coating on the roof surfaces was developed in 1988 by Adolf Weyrauch at Carl Zeiss Other manufacturers followed soon, and since then phase correction coatings are used across the board in medium and high quality roof prism binoculars. This coating corrects for the difference in geometric phase between s and p polarized light so both have effectively the same phase shift, preventing image degrading interference. From a technical point of view, the phase correction coating layer does not correct the actual phase shift, but rather the partial polarization of the light that results from total reflection. Such a correction can always only be made for a selected wavelength and for a specific angle of incidence; however, it is possible to approximately correct a roof prism for polychromatic light by superimposing several layers. In this way, since the 1990s, roof prism binoculars have also achieved resolution values that were previously only achievable with porro prisms. The presence of a phase correction coating can be checked on unopened binoculars using two polarization filters. FROCs exhibit the photonic Fano resonance by coupling a broadband nanocavity, which serves as the continuum, with a narrowband Fabry Perot nanocavity, representing the discrete state. The interference between these two resonances manifests as an asymmetric Fano resonance line shape. FROCs are considered a separate category of optical coatings because they enjoy optical properties that cannot be reproduced using other optical coatings. Mainly, semi transparent FROCs act as a beam splitting filter that reflects and transmits the same color, a property that cannot be achieved with transmission filters, dielectric mirrors, or semi transparent metals. FROCs enjoy remarkable structural coloring properties as they can produce colors across a wide color gamut with both high brightness and high purity. Moreover, the dependence of color on the angle of incident light can be controlled through the dielectric cavity material, making FROCs adaptable for applications requiring either angle independent or angle dependent coloring. This includes decorative purposes and anti counterfeit measures. FROCs were used as both monolithic spectrum splitters and selective solar absorbers which makes them suitable for hybrid solar thermal energy generation. They can be designed to reflect specific wavelength ranges, aligning with the energy band gap of photovoltaic cells, while absorbing the remaining solar spectrum. This enables higher photovoltaic efficiency at elevated optical concentrations by reducing the photovoltaic's cell temperature. The reduced temperature also increases the cell's lifetime. Additionally, their low infrared emissivity minimizes thermal losses, increasing the system's overall optothermal efficiency.