Optické vrstvy pro náročné aplikace

Pro maximální zvýšení využitelnosti optických komponentů, jako jsou zrcadla a čočky je běžnou činností tyto povrchy ošetřit optickými vrstvami. Nanešené vrstvy mají různé vlastnosti, jako je potlačení odrazivosti (antireflexe) pro určité vlnové délky. Množství, tloušťka a rozdíl v indexech lomu (optická hustota) pro každou vrstvu významně ovlivňují optické vlastnosti nanešené vrstvy. Nicméně optické vrstvy nejsou využívány jen v profesionální optice a technologických sektorech, ale mohou být využity i na každodenních objektech, jako jsou brýle, displeje nebo okenní tabule.

V naší sérii článků na toto téma představíme rozdílné metody optických vrstev a jejich způsoby využití. Poznejte více o vybraných metodách nanášení optických vrstev. Pro větší náhled do depozičních metod jako je např. teplotní depozice, navštivte oddíl “Metody nanášení optických vrstev”.

Co jsou optické vrstvy?

Depozice optických vrstev jsou proces, kdy je materiál nanášen jako tenká, pevně spojená vrstva k základnímu materiálu (substrát) - například ke sklu. V optickém průmyslu jsou k tomuto účelu využívány převážně dielektrické materiály a kovy. Optické vrstvy mohou změnut vlastnosti světla procházejícího přes optický komponent díky selektivnímu využití vlastností použitého materiálu, což ovlivňuje úhel odrazu, transmisi a polarizaci, stejně jako změna fáze světla.

Tenké vrstvy s širokým efektem - možnosti depozice tenkých vrstev

Nejčastější optické vrstvy jsou:

• Kovové optické vrstvy (zrcadla, např. Al, Ag, Au)
• Dielektrické optické vrstvy
• Antireflexní vrstvy (AR)
• Vrstvy pro dělení svazku
• Optické filtry

Reflexní optické vrstvy

Reflexní optické vrstvy nebo kovová zrcadla odkazují na odrazivé povrchy založené na kovových (Al, Ag, Au) vrstvách. Zrcadla mají velmi široké pásmo vlnových délek s téměř konstantní odrazivostí a jsou tedy, cenově optimální volbou pro produkci reflexníxh ploch. V závilosti na plánovaném využití je nutné zvolit vhodný materiál vrstev. Hliníkové vrstvy mají nejvyšší reflektivitu pro vlnové délky v UV pásmu vlnových délek. Naopak stříbro absorbuje velmi málo světla z viditelné a blízké infračervené části spektra. Navíc stříbro může být použito pro cenově výhodné systémy. Ve blízké infračervené oblasti světla jsou také používána zrcadla s chemicky odolnými zlatými vrstvami.

✕

Kvůli nízké mechanické a chemické odolnosti kovových vrstec, je vhodné je ošetřovat je s dielektrickými vrstvami.

Obrázek 1: Depoziční křivka pro ošetřené a neošetřené stříbrné zrcadlo

Dieletrické optické vrstvy

Dalším typem optických vrstev jsou dielektrické vrstvy. Vyznačují se velmi nízkou absorpcí dopadajícíh paprsků. Tedy, dielektrické materiály jsou často využívany jako zrcadla s vyžadovanou výjmečně vysokou reflektivitou. Stejně tak dosahované vlnové délky, které jsou například vysílány, lze velmi přesně naladit.

Využitím dielektrických materiálů pro optické vrstvy je možné dosáhnout zrcadel s minimální absorpcí, která jsou využívána například jako odkláněcí zrcadla nebo čerpací zrcadla pro laserové rezonátory. Pro určitá pásma vlnových délek jsou schopné tyto vrstvy dosáhnout reflektivity větší než 99.9%. Dielektrická zrcadla jsou navrhována pro konkrétní úhel dopadu a nabízí nízké mechanické napětí, a tedy jsou odolným řešením pro náročné aplikace.

Obrázek 2: Depoziční křivka vlových délek v závislosti na reflektanci pro dielektrická zrcadla

Antireflexní vrstvy (AR)

Antireflexní vrstvy jsou nutné pro maximalizaci transmisivity optického systému v rozličných aplikacích. Rozdíl může být dosažen jedinou, širokopásmovou optickou vrstvou nebo antireflexním optickou vrstvou, zejména pro laserové aplikace. U posledního jmenováného druhu optické vrstvy, jako je V-coating je nutné ochránit optický element před poškozením. V závislosti na použitém skle je možné dosáhnout zbytkovou reflexi <0.1%. Hlavním důvodem aplikace antireflexních optických vrstev je minimalizace ztrát odrazu v navádění svazku optického systému nanesením optických vrstev na všechny optické povrchy.

Zejména širokopásmové optické vrstvy mají komplexní rozsah využití. Optika s širokopásmovými vrstvami pokrývá všechny běžné vlnové délky od blízkého infračerveného světla, ultrafialové části spektra a viditelné části spektra. Reflektivita je minimální v požadované vlnové délce. Při využití širokopásmových vrstev, velká část spektra je pouze okrajově odražena.

✕

Obrázek 3: Příklad depoziční křivky pro širokopásmové antireflexní vrstvy (ARBB)

Obrázek 4: Příklad depoziční křivky pro an antireflection super wide-band coating (ARSBB)

Při průchodu světla rozhraním se část světla odrazí v závislosti na typu substrátu a vstupního materiálu. Toto odražené světlo již není součástí procházejícího světla. Ztráty se sčítají s počtem rozhraní optického systému. Pro udržení ztrát na nejnižší možné úrovni musí být rozhraní antireflexní. Snížení absorpce světla vede k vyším výkonostním limitům optiky a umožňuje vývoj a výrobu výkonnějších laserů. Odražení paprsky interferují s citlivými součástkami sysému. Potlačením ztrát osvětlení se zlepší stabilita a umožní se přesnější měření.

V-antireflexní vrstvy jsou specální typ antireflexních vrstev. V-antireflexní vrstvy mají maximální transmisi pro velmi úzký rozsah světla, zatímco u dalších vlnových délek je výrazně vyšší reflektivita. V-antireflexní vrstvy jsou cenově dostupné a dosahují velmi dobrých výsledků. Název těchto vrstev plyne z grafu křivky reflektivity podle vlnových délek, neboť vykazuje tvar ve tvaru V. V-antireflexní vrstvy jsou preferovány pro lasery s jednou vlnovou délkou, protože v zamyšlené vlnové délce jsou pouze minimální odrazy a díky jejich návrhu jsou ostatní vlnové délky silně odraženy, a tedy jsou V-antireflexní vrstvy používány pouze tehdy, když požadované malé odchylky od zamýšlené vlnové délky.

Obrázek 5: Ukázková křivka reflektance V-antireflexní vrstvy pro vlnovou délku 355 nm.

Coatings for beam splitters

Beam splitters are optical components that split incident light into two separate beams at a specific ratio. They can also be used in reverse to combine two different beams into one beam. Coatings for beam splitters divide incoming light into a reflected and transmitted part, which is necessary e.g. for Michelson interferometers. They can also be used in reverse to combine two different beams into one beam. Based on thermally very stable dielectric layers, customer-specific partial ratios can be realized. Typically, these are 50%/50% (R/T) or 30%/70% (R/T). A wavelength-specific coating of beam splitters is also possible (e. g. red reflected and green transmitted).

✕

Filter coatings

Filter coatings are used in many different industrial applications, e. g. in fluorescence microscopy. TThis type of optical coating is used to transmit, reflect, absorb or attenuate light of specific wavelengths.

The defining property of filter coatings is a high transmission for specified wavelengths, while other wavelengths have very low transmission. For example, an edge filter transmits rays below a defined length while longer wavelengths are reflected or absorbed. The reflectivity shows an “edge” in the graph, above which wavelength is (no longer) transmitted. In addition to edge filters, just single wavelengths can be transmitted, here V-coating is a representative.

The use of dielectric layers on glass enables, among other things, the separation of different wavelengths as short-pass or long-pass filters. Short-pass filters transmit short wavelengths, while long wavelengths are reflected. Long-pass filters, on the other hand, only transmit long wavelengths and reflect the short ones. Filter coatings are used, for example, in eyeglass lenses (UV radiation is blocked while visual light is transmitted) and in rangefinders (visual light is blocked while infrared light is transmitted).

✕

Figure 6: Exemplary reflectance for a long-pass filter (LPF)

Depending on the properties of the materials and the requirements of the optical systems different processes are used to apply the presented optical coatings. We address the coating technologies in a separate blog post.