El rendimiento y el diseño de la película óptica delgada

Casi todas las piezas ópticas necesitan utilizar películas ópticas delgadas para cambiar sus características de transmisión o reflexión en los sistemas ópticos. Aunque las películas ópticas delgadas son omnipresentes, muchos diseñadores de sistemas ópticos no están familiarizados con las ventajas y desventajas del diseño o uso de películas delgadas o no comprenden las características de varias tecnologías de deposición de películas delgadas. La siguiente es una introducción detallada del importante diseño de película delgada óptica y los factores de deposición de película delgada óptica relacionados.

La película delgada óptica comprende capas de materiales con un índice de refracción alto y un índice de refracción bajo. Su principio de funcionamiento es utilizar interferencias de luz para mejorar la transmisión de una o más longitudes de onda o, preferentemente, reflejar o transmitir una polarización para completar estas tareas. Las capas a veces contienen docenas o cientos de capas y están compuestas de muchos materiales con diferentes índices de refracción.

Sin embargo, los materiales disponibles para el diseñador de la película no son ilimitados, lo que significa que el recubrimiento real debe construirse con un índice de refracción limitado. Además, el proceso de deposición del recubrimiento no puede controlar con total precisión el espesor y el índice de refracción de cada capa.

Por lo tanto, los ingenieros de diseño óptico deben comprender el rendimiento de varias películas ópticas delgadas, como la rentabilidad de la película, el efecto de la transmitancia en el sistema, la adaptabilidad ambiental y la capacidad de resistir el daño del láser. La siguiente es una introducción al rendimiento y diseño de varias películas ópticas delgadas y esquemas de deposición de películas delgadas ópticas.

Recubrimiento antirreflectante (AR)

El rendimiento de un revestimiento antirreflectante (AR) generalmente se especifica mediante la transmitancia promedio de una sola longitud de onda o un rango de longitudes de onda y, por supuesto, también se puede medir mediante la reflexión restante máxima permitida por el diseñador. Para materiales ópticos específicos, el coeficiente de absorción del material es fijo.

Puede ser más razonable para algunas ocasiones especiales utilizar la reflexión residual máxima permitida para medir. Para películas AR de longitud de onda única y ángulo de incidencia único, se puede obtener un rendimiento muy alto. Por ejemplo, en la superficie del vidrio óptico, en la banda de luz visible, está muy extendido que la reflexión residual de cada superficie sea inferior al 0,1%.

A medida que aumenta el número de capas, la reflexión residual en la superficie disminuye (la transmitancia aumenta), pero el rango de ancho espectral también disminuye. A medida que aumenta el ancho de banda espectral o el ángulo de incidencia, mantener el alto rendimiento de las películas AR se vuelve cada vez más difícil.

Por lo tanto, como diseñador óptico, es necesario saber si el rendimiento especificado es la transmitancia máxima (reflectancia restante) o la transmitancia promedio (reflectancia restante) en todo el rango espectral o rango de ángulo de incidencia. De lo contrario, un pequeño error puede causar un gran impacto.

Para ángulos distintos de cero, especialmente para películas AR por encima de 30°, el estado de polarización de la luz incidente tiene un impacto significativo en el diseño y el rendimiento del recubrimiento, y es esencial determinar el estado de polarización de la luz incidente. En el caso de todos los ángulos de incidencia distintos de cero, la polarización S tiene una mayor reflectividad en la superficie del medio que la polarización P.

Por lo tanto, si hay componentes inclinados en el sistema y requieren una transmitancia relativamente alta, el diseñador óptico debe utilizar la óptica correspondiente. La estructura permite que el componente óptico encuentre luz polarizada P.

A medida que aumenta el ángulo de incidencia, el rendimiento de la película AR cambia a longitudes de onda más cortas. Por ejemplo, un recubrimiento AR diseñado para producir la reflectividad mínima en incidencia normal proporciona la más pequeña en una longitud de onda más corta en un ángulo de incidencia de 45°. En una lente con un radio pequeño, el ángulo de incidencia en el centro es de 0°, mientras que el ángulo de incidencia en el borde puede ser de 70°.

Incluso si el sistema óptico utiliza una única longitud de onda, la película AR debe tener un alto rendimiento en un amplio rango espectral. Incluso con el aumento del ángulo de incidencia, cuando la respuesta de la película cambia, aún puede funcionar bien en la longitud de onda nominal. De hecho, para superficies ópticas con un radio pequeño, es posible que se requieran medios o herramientas especiales para mantener un rendimiento constante. Por lo tanto, se necesitan algunas compensaciones entre la complejidad, el costo y el rendimiento de la película.

Debido a la cantidad limitada de materiales que pueden transmitir luz visible e infrarroja simultáneamente, es increíblemente desafiante diseñar y recubrir una película AR que funcione en las bandas visible e infrarroja al mismo tiempo.

Las películas AR multibanda son muy comunes en los sistemas ópticos militares. Lograr una alta transmitancia en una banda ancha es relativamente fácil de lograr para varias longitudes de onda específicas, y el costo también se reducirá. Además, el diseño puede analizar los requisitos específicos del sistema para cada banda, especificar el rendimiento relativamente alto de una longitud de onda y relajar los requisitos de otras bandas, lo que también puede lograr un efecto multiplicador.

Película altamente reflectante

La película altamente reflectante se puede realizar de tres maneras: película metálica, película metálica/dieléctrica y película dieléctrica. La ventaja de una película metálica es que tiene un buen rendimiento en un amplio rango espectral. Por ejemplo, la reflectividad de la película reflectante de aluminio en el rango de 400 nm a 10 μm es superior al 85 %, y la reflectividad de la película reflectante de oro desde 2 μm hasta el infrarrojo lejano es superior al 99 %. Es casi imposible que todas las membranas dieléctricas alcancen este nivel. Además, la diferencia de reflectividad entre la polarización S y la polarización P de la película metálica reflectante suele ser mucho menor que la de la película dieléctrica.

Sin embargo, la reflectividad máxima de la película metálica reflectante es menor que la reflectividad máxima de la película dieléctrica. Incluso la película reflectante dorada con un 99,5% de reflectividad en la banda infrarroja no se puede comparar con la película dieléctrica. La película dieléctrica puede proporcionar el 99,99% en una sola longitud de onda. Reflectividad aún mayor. La pequeña cantidad de absorción de la película metálica limita su reflectividad máxima, lo que provoca una limitación importante en el uso de la película metálica, y la capacidad de daño por láser no es tan buena como la de la película dieléctrica.

La durabilidad física de la película metálica (resistencia a la abrasión, calor húmedo, exposición a la sal) no es tan buena como la de la película dieléctrica. Por ejemplo, en la reflectividad de la plata, para evitar la oxidación se debe recubrir su superficie con otro material, reduciendo su reflectividad.

Para todos los componentes altamente reflectantes con películas dieléctricas, al especificar una reflectividad extremadamente alta (>99,995%), se debe considerar la calidad de la superficie del componente porque la dispersión de la superficie se convierte en el principal factor que limita el rendimiento y se debe especificar la rugosidad de la superficie óptica. Superficie súper lisa También se necesitan técnicas especiales de pulido y prueba, y el costo correspondiente aumentará.

película espectroscópica

El rendimiento de la película espectroscópica depende en gran medida de la estructura del elemento espectroscópico. Generalmente existen dos tipos de estructuras del elemento espectroscópico, de tipo cubo o de tipo plano. Se prefiere la estructura cúbica para luz no polarizada, que es inherentemente menos sensible a la polarización de entrada que el tipo de panel plano.

Por el contrario, el divisor de haz de polarización puede utilizar la diferencia inherente entre la polarización S y la polarización P en la reflexión para lograr un rendimiento muy alto. Los polarizadores planos siempre están configurados para reflejar la polarización S a través de la polarización P y generalmente funcionan mejor cuando el ángulo de Brewster (el coeficiente de reflexión de la polarización P cae a 0). Para longitudes de onda de luz visible y sustratos de vidrio óptico, este ángulo es superior a 56°.

Es mucho más fácil para los divisores de haz de polarización de placa plana o en forma de cubo eliminar la luz polarizada S en el haz transmitido que mantener la luz polarizada P alejada del haz reflejado. Es decir, para luz visible, la relación de extinción de transmisión de 10000:1 está bien. Es difícil lograr una relación de extinción de reflexión superior a 100:1. Estas características de rendimiento deben tenerse en cuenta durante el proceso de diseño del sistema.

En el divisor de haz, varios factores pueden provocar la complejidad del revestimiento. Por ejemplo, a medida que aumenta el ángulo de incidencia, la diferencia en reflectividad entre la polarización S y la polarización P se vuelve mayor, lo que dificulta proporcionar espejos con el mismo rendimiento para ambos estados de polarización. Por lo tanto, en este caso es ventajoso tratar sólo con una única polarización.

Si es inevitable la luz no polarizada, lo mejor es diseñar un sistema óptico en el que el divisor del haz funcione con un ángulo de incidencia más pequeño para minimizar el efecto de la división del haz. El rango espectral (ancho de banda espectral) también es un factor importante. Para la película insensible a la polarización más a la izquierda, cuyo rango espectral excede el ±10% de la longitud de onda central (por ejemplo, 550 nm ±50 nm) es un gran desafío.

También es importante cómo se especifican las tolerancias del divisor de haz. Por ejemplo, existe una gran diferencia entre un divisor de haz que debe mantener su rendimiento nominal dentro de un rango de incidencia de 45°±5° y un divisor de haz que debe alcanzar el rendimiento nominal dentro del mismo rango.

En el primer caso, el rendimiento del divisor de haz debe cumplir con el rango de ángulo de incidencia de todos los ángulos que excedan de 40° a 50°; en el segundo caso, el rendimiento del divisor de haz solo se satisface dentro del rango de 40° a 50°, y el usuario deberá colocar los componentes del divisor de haz en su sistema y realizar ajustes de inclinación para lograr el rendimiento requerido. Los requisitos del divisor de haz en el primer caso son mucho más exigentes que los del segundo caso.

El divisor de haz cúbico está hecho de prismas uniéndolos y pegándolos, lo que introduce errores de frente de onda y afecta así el rendimiento. Además, la absorción en el adhesivo provocará dispersión, lo que reduce significativamente el umbral de daño del láser. (En la actualidad, algunos fabricantes utilizan la tecnología de enlace covalente activado (ACB) para evitar la influencia de los adhesivos)

Demanda de películas militares

Las funciones específicas requeridas por los requisitos militares a menudo plantean graves desafíos a la película. Por ejemplo, algunos sistemas optoelectrónicos suelen funcionar en bandas multiespectrales, que cubren la luz visible (400 nm ~ 600 nm), el láser de seguridad ocular (1,54 μm) y el infrarrojo de onda media (3 μm ~ 5 μm), etc. Estas capas de películas ópticas También suelen especificarse para funcionar en una amplia gama de ángulos incidentes y son insensibles a la polarización.

Para minimizar el tamaño y el peso del sistema, especialmente en sistemas portátiles y aéreos, los ingenieros ópticos pueden comprimir el diámetro de los componentes ópticos, aumentando la densidad de potencia del rayo láser. Por lo tanto, el umbral de daño del láser también es una de las cuestiones que requieren atención.

Para lograr funciones avanzadas, es posible que sea necesario introducir más capas en películas ópticas delgadas, lo que también dará como resultado películas relativamente gruesas que pueden exhibir una mayor tensión mecánica. Para reducir el peso, puede haber piezas con una relación de aspecto relativamente pequeña en el sistema, y la tensión de la película deformará estas piezas, aumentando así la distorsión del frente de onda de todo el sistema.

Los sistemas militares deben soportar grandes fluctuaciones de temperatura, temperatura y corrosión por niebla salina, humo y otros contaminantes en el aire. Algunas membranas absorberán agua y, junto con los cambios de temperatura, el rendimiento de la membrana puede cambiar. Se puede ver que la estabilidad del rendimiento y la durabilidad de la película también son factores que deben considerarse.

La solución óptica de deposición de película delgada.

Existen muchas técnicas de deposición para recubrir películas ópticas delgadas, y diferentes procesos de recubrimiento tienen diferentes efectos sobre la estabilidad, durabilidad, umbral de daño del láser y tensión interna de la película. Los ingenieros ópticos deben tener un conocimiento básico de las características, ventajas y limitaciones de estas técnicas de deposición.

La evaporación térmica (mediante calentamiento por resistencia o calentamiento por haz de electrones) es, con diferencia, el método más utilizado. Su ventaja es que el método tiene una amplia gama de trabajo (desde ultravioleta hasta infrarrojo lejano) y bajo costo. La mayor desventaja de este método es que produce una película porosa que absorbe fácilmente la humedad, cambiando así el índice de refracción efectivo de la película, lo que dificulta mantener el rendimiento requerido de la película cuando se expone a cambios en la temperatura y la humedad ambientales.

Además, la capa de membrana porosa es propensa a contener defectos que conducen al deterioro de la calidad de la superficie, y la capa de membrana de evaporación térmica tiene la peor durabilidad mecánica entre todas las técnicas de deposición.

La deposición asistida por iones (IAD) es una mejora de la deposición por evaporación térmica. Utiliza iones cargados para comprimir cada capa de deposición. IAD proporciona una película óptica delgada más densa. La tecnología de deposición IAD logra el mejor equilibrio entre durabilidad y rendimiento, especialmente en el rango infrarrojo de onda media de 3 μm a 5 μm.

En la deposición por pulverización iónica (IBS), se dirige un haz de iones de alta energía a un objetivo (generalmente compuesto de metal u óxido) y los átomos o moléculas del objetivo se pulverizan con alta energía. Estas partículas luego fluyen fuera de la fuente y luego se depositan sobre el sustrato. IBS produce una película delgada óptica completamente densa, que evita la absorción de agua de la película y también es muy estable cuando cambia el entorno.

Los materiales depositados por IBS tienen características de índice de refracción reproducibles, junto con un control preciso del espesor de la película, la película tiene una precisión muy alta y puede coincidir perfectamente y de manera constante con las expectativas de diseño de la película real. Esto ocurre en la producción de películas multiespectrales. Y la capa de película que satisface una amplia gama de ángulos y características de polarización específicas es de gran importancia.

En comparación con la deposición evaporativa, el IBS utiliza una gama limitada de materiales, lo que no supone un problema en las bandas visible e infrarroja cercana. Dado que los materiales de ZnS y fluoruro no son compatibles con el SII, se convierte en un problema en el rango de 3 µm a 5 µm. Un problema potencial con todas las películas ópticas delgadas y densas es que pueden contener tensiones que afectan negativamente la distorsión del frente de onda.

Como fabricante líder de lentes ópticas infrarrojas, QUANHOM ha desarrollado algunos métodos para controlar estos problemas potenciales. Por ejemplo, el proceso de recocido posterior a la película se utiliza para reducir la tensión interna, se calcula previamente y se crea intencionalmente un error en la superficie, y luego se corrige la tensión causada por la película.

Las lentes ópticas infrarrojas producidas por QUANHOM adoptan un diseño óptico de película delgada razonable y bueno, que puede cumplir con los indicadores de rendimiento del sistema. Si aún tiene dudas sobre el diseño de película delgada óptica después de revisar lo anterior, puede contactarnos para obtener una solución integral.

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