Revestimento óptico - Optical coating

Espelhos e lentes opticamente revestidos

Um revestimento óptico é uma ou mais camadas finas de material depositado em um componente óptico, como uma lente ou espelho , que altera a maneira como a óptica reflete e transmite luz. Um tipo de revestimento óptico é um revestimento anti-reflexo , que reduz reflexos indesejados de superfícies e é comumente usado em lentes de óculos e câmeras . Outro tipo é o revestimento de alto refletor , que pode ser usado para produzir espelhos que refletem mais de 99,99% da luz que incide sobre eles. Revestimentos ópticos mais complexos exibem alta reflexão ao longo de alguma faixa de comprimentos de onda e anti-reflexão sobre outra faixa, permitindo a produção de filtros dicróicos de filme fino .

Tipos de revestimento

Curvas de refletância vs. comprimento de onda para espelhos de metal de alumínio (Al), prata (Ag) e ouro (Au) com incidência normal

Os revestimentos óticos mais simples são camadas finas de metais , como o alumínio , que são depositadas em substratos de vidro para fazer superfícies espelhadas, um processo conhecido como prateamento . O metal usado determina as características de reflexão do espelho; o alumínio é o revestimento mais barato e comum, e produz uma refletividade de cerca de 88% -92% no espectro visível . Mais cara é a prata , que tem uma refletividade de 95% -99% mesmo no infravermelho distante , mas sofre de refletividade decrescente (<90%) nas regiões espectrais do azul e do ultravioleta . O mais caro é o ouro , que oferece excelente (98% -99%) refletividade em todo o infravermelho , mas limitada refletividade em comprimentos de onda menores que 550 nm , resultando na cor dourada típica.

Ao controlar a espessura e a densidade dos revestimentos metálicos, é possível diminuir a refletividade e aumentar a transmissão da superfície, resultando em um espelho meio prateado . Às vezes, eles são usados ​​como " espelhos unilaterais ".

O outro tipo principal de revestimento óptico é o revestimento dielétrico (ou seja, usando materiais com um índice de refração diferente do substrato). Estes são construídos a partir de finas camadas de materiais como fluoreto de magnésio , fluoreto de cálcio e vários óxidos de metal, que são depositados no substrato óptico. Por meio da escolha cuidadosa da composição, espessura e número exatos dessas camadas, é possível ajustar a refletividade e a transmitividade do revestimento para produzir quase todas as características desejadas. Os coeficientes de reflexão das superfícies podem ser reduzidos para menos de 0,2%, produzindo um revestimento anti - reflexo (AR). Por outro lado, a refletividade pode ser aumentada para mais de 99,99%, produzindo um revestimento de alto refletor (HR). O nível de refletividade também pode ser ajustado para qualquer valor particular, por exemplo, para produzir um espelho que reflete 90% e transmite 10% da luz que incide sobre ele, em alguma faixa de comprimentos de onda. Esses espelhos são frequentemente usados ​​como divisores de feixe e como acopladores de saída em lasers . Alternativamente, o revestimento pode ser projetado de modo que o espelho reflita a luz apenas em uma faixa estreita de comprimentos de onda, produzindo um filtro óptico .

A versatilidade dos revestimentos dielétricos leva ao seu uso em muitos instrumentos ópticos científicos (como lasers, microscópios ópticos , telescópios refratários e interferômetros ), bem como em dispositivos de consumo, como binóculos , óculos e lentes fotográficas.

Camadas dielétricas às vezes são aplicadas sobre filmes de metal, seja para fornecer uma camada protetora (como no dióxido de silício sobre alumínio) ou para aumentar a refletividade do filme de metal. Combinações de metal e dielétrico também são usadas para fazer revestimentos avançados que não podem ser feitos de outra maneira. Um exemplo é o chamado " espelho perfeito ", que exibe alta (mas não perfeita) reflexão, com sensibilidade incomumente baixa para comprimento de onda, ângulo e polarização .

Revestimentos anti-reflexo

Comparação de vidros não revestidos (superior) e vidros com revestimento anti-reflexo (inferior).

Os revestimentos anti-reflexo são usados ​​para reduzir a reflexão das superfícies. Sempre que um raio de luz se move de um meio para outro (como quando a luz entra em uma folha de vidro depois de viajar pelo ar ), alguma parte da luz é refletida da superfície (conhecida como interface ) entre os dois meios.

Vários efeitos diferentes são usados ​​para reduzir a reflexão. O mais simples é usar uma fina camada de material na interface, com um índice de refração entre os dois meios. A reflexão é minimizada quando

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

onde está o índice da camada fina, e e são os índices dos dois meios. Os índices de refração ideais para múltiplas camadas de revestimento em ângulos de incidência diferentes de 0 ° são fornecidos por Moreno et al. (2005). ${\ displaystyle n_ {1}}$${\ displaystyle n_ {0}}$${\ displaystyle n_ {S}}$

Esses revestimentos podem reduzir a reflexão do vidro comum de cerca de 4% por superfície para cerca de 2%. Esse foi o primeiro tipo de revestimento anti-reflexo conhecido, tendo sido descoberto por Lord Rayleigh em 1886. Ele descobriu que pedaços de vidro velhos e levemente manchados transmitiam mais luz do que peças novas e limpas devido a esse efeito.

Os revestimentos anti-reflexo práticos contam com uma camada intermediária não apenas para sua redução direta do coeficiente de reflexão, mas também usam o efeito de interferência de uma camada fina. Se a espessura da camada for controlada com precisão de modo que seja exatamente um quarto do comprimento de onda da luz na camada (um revestimento de um quarto de onda ), os reflexos dos lados frontal e traseiro da camada fina interferirão destrutivamente e cancelarão cada um de outros.

Interferência em um revestimento antirreflexo de quarto de onda

Na prática, o desempenho de um revestimento de interferência de uma camada simples é limitado pelo fato de que as reflexões se cancelam exatamente para um comprimento de onda de luz em um ângulo e por dificuldades em encontrar materiais adequados. Para vidro comum ( n ≈1,5), o índice de revestimento ideal é n ≈1,23. Poucas substâncias úteis têm o índice de refração necessário. O fluoreto de magnésio (MgF ₂ ) é muito utilizado, pois é resistente e pode ser facilmente aplicado em substratos por deposição física de vapor , embora seu índice seja superior ao desejável (n = 1,38). Com tais revestimentos, uma reflexão tão baixa quanto 1% pode ser alcançada em vidro comum e melhores resultados podem ser obtidos em mídia de índice superior.

Uma redução adicional é possível usando várias camadas de revestimento, projetadas de modo que os reflexos das superfícies sofram interferência destrutiva máxima. Usando duas ou mais camadas, revestimentos anti-reflexo de banda larga que cobrem a faixa visível (400-700 nm) com refletividades máximas de menos de 0,5% são comumente alcançados. A reflexão em bandas de comprimento de onda mais estreitas pode ser tão baixa quanto 0,1%. Alternativamente, uma série de camadas com pequenas diferenças no índice de refração pode ser usada para criar um revestimento anti-reflexo de banda larga por meio de um gradiente de índice de refração .

Revestimentos de alta reflexão

Uma mulher usa óculos de sol com revestimento óptico altamente reflexivo

Os revestimentos de alta reflexão (HR) funcionam de maneira oposta aos revestimentos anti-reflexo. A ideia geral é geralmente baseada no sistema de camadas periódicas composto de dois materiais, um com alto índice, como sulfeto de zinco ( n = 2,32) ou dióxido de titânio ( n = 2,4), e outro com baixo índice, como magnésio fluoreto ( n = 1,38) ou dióxido de silício ( n = 1,49). Este sistema periódico aumenta significativamente a refletividade da superfície em uma certa faixa de comprimento de onda chamada de band-stop , cuja largura é determinada pela razão dos dois índices usados ​​apenas (para sistemas de quarto de onda), enquanto a refletividade máxima aumenta até quase 100 % com várias camadas na pilha . As espessuras das camadas são geralmente de um quarto de onda (então elas rendem à banda de alta reflexão mais ampla em comparação com os sistemas não-quarto de onda compostos dos mesmos materiais), desta vez projetada de modo que os feixes refletidos interferem construtivamente uns com os outros para maximizar a reflexão e minimizar a transmissão. O melhor desses revestimentos, construído a partir de materiais dielétricos sem perdas depositados em superfícies perfeitamente lisas, pode atingir refletividades superiores a 99,999% (em uma faixa bastante estreita de comprimentos de onda). Os revestimentos HR comuns podem atingir 99,9% de refletividade em uma ampla faixa de comprimento de onda (dezenas de nanômetros na faixa do espectro visível).

Quanto aos revestimentos AR, os revestimentos HR são afetados pelo ângulo de incidência da luz. Quando usado fora da incidência normal, a faixa reflexiva muda para comprimentos de onda mais curtos e se torna dependente da polarização. Este efeito pode ser explorado para produzir revestimentos que polarizam um feixe de luz.

Ao manipular a espessura exata e a composição das camadas na pilha reflexiva, as características de reflexão podem ser ajustadas para uma aplicação particular e podem incorporar regiões de comprimento de onda de alto reflexo e anti-reflexo. O revestimento pode ser projetado como um filtro passa-longo ou curto, um filtro passa-banda ou entalhe, ou um espelho com uma refletividade específica (útil em lasers). Por exemplo, o conjunto de prisma dicróico usado em algumas câmeras requer dois revestimentos dielétricos, um filtro de passagem de comprimento de onda longo refletindo luz abaixo de 500 nm (para separar o componente azul da luz) e um filtro de passagem curta para refletir a luz vermelha, acima Comprimento de onda de 600 nm. A restante luz transmitida é o componente verde.

Revestimentos ultravioleta extremos

Na porção EUV do espectro (comprimentos de onda menores que cerca de 30 nm) quase todos os materiais absorvem fortemente, tornando difícil focar ou manipular a luz nesta faixa de comprimento de onda. Telescópios como TRACE ou EIT, que formam imagens com luz EUV, usam espelhos multicamadas que são construídos com centenas de camadas alternadas de um metal de alta massa, como molibdênio ou tungstênio , e um espaçador de baixa massa, como silício , depositado a vácuo em um substrato como vidro . Cada par de camadas é projetado para ter uma espessura igual à metade do comprimento de onda da luz a ser refletida. A interferência construtiva entre a luz espalhada de cada camada faz com que o espelho reflita a luz EUV do comprimento de onda desejado, como faria um espelho de metal normal na luz visível. Usando a óptica multicamadas, é possível refletir até 70% da luz EUV incidente (em um comprimento de onda específico escolhido quando o espelho é construído).

Revestimentos condutores transparentes

Os revestimentos transparentes condutores são usados ​​em aplicações onde é importante que o revestimento conduza eletricidade ou dissipe a carga estática . Os revestimentos condutores são usados ​​para proteger a abertura da interferência eletromagnética , enquanto os revestimentos dissipativos são usados ​​para evitar o acúmulo de eletricidade estática . Os revestimentos transparentes condutores também são usados ​​extensivamente para fornecer eletrodos em situações onde a luz é necessária para passar, por exemplo, em tecnologias de tela plana e em muitos experimentos fotoeletroquímicos . Uma substância comum usada em revestimentos condutores transparentes é o óxido de índio e estanho (ITO). O ITO não é muito opticamente transparente, entretanto. As camadas devem ser finas para fornecer transparência substancial, especialmente na extremidade azul do espectro. Usando ITO, resistências de folha de 20 a 10.000 ohms por quadrado podem ser alcançadas. Um revestimento ITO pode ser combinado com um revestimento anti-reflexo para melhorar ainda mais a transmitância . Outros TCOs (óxidos condutores transparentes) incluem AZO (óxido de zinco dopado com alumínio), que oferece uma transmissão de UV muito melhor do que o ITO. Uma classe especial de revestimentos condutores transparentes aplica-se a filmes infravermelhos para ótica militar de ar de teatro, onde as janelas transparentes de infravermelho precisam ter ( radar ) propriedades furtivas ( tecnologia Stealth ). Estes são conhecidos como RAITs (Radar Attenuating / Infrared Transmitting) e incluem materiais como DLC dopado com boro ( Diamond-like carbon ).

Mercado atual e previsão

Estimada em US $ 6,5 bilhões em 2013, a demanda global por revestimentos ópticos deve crescer 6,5% ao ano nos próximos anos. O maior mercado de aplicação de revestimentos ópticos é a combinação de eletrônicos e semicondutores, enquanto o que mais cresce é a combinação de fibra óptica e telecomunicações.

Fontes

• Hecht, Eugene. Capítulo 9, Óptica , 2ª ed. (1990), Addison Wesley. ISBN   0-201-11609-X .
• I. Moreno, et al., "Thin-film espacial filters", Optics Letters 30, 914-916 (2005)
• C. Clark, et al., "Two-color Mach 3 IR coating for TAMD systems", Proc. SPIE Vol. 4375, pág. 307-314 (2001)

Referências

Veja também

• Lista de peças e construção do telescópio