Un recubrimiento óptico es una o más capas delgadas de material depositadas sobre un componente óptico como una lente , un prisma o un espejo , que altera la forma en que la óptica refleja y transmite la luz. Estos recubrimientos se han convertido en una tecnología clave en el campo de la óptica. Un tipo de recubrimiento óptico es un recubrimiento antirreflectante , que reduce los reflejos no deseados de las superficies, y se usa comúnmente en lentes de gafas y cámaras . Otro tipo es el recubrimiento de alto reflector , que se puede usar para producir espejos que reflejen más del 99,99% de la luz que incide sobre ellos. Los recubrimientos ópticos más complejos exhiben alta reflexión en un rango de longitudes de onda y antirreflejo en otro rango, lo que permite la producción de filtros dicroicos de película delgada .
Los recubrimientos ópticos más simples son capas delgadas de metales , como el aluminio , que se depositan sobre sustratos de vidrio para hacer superficies de espejo, un proceso conocido como plateado . El metal utilizado determina las características de reflexión del espejo; el aluminio es el recubrimiento más barato y común, y produce una reflectividad de alrededor del 88%-92% en el espectro visible . Más caro es la plata , que tiene una reflectividad del 95%-99% incluso en el infrarrojo lejano , pero sufre una reflectividad decreciente (<90%) en las regiones espectrales azul y ultravioleta . El más caro es el oro , que da una excelente reflectividad (98%-99%) en todo el infrarrojo , pero una reflectividad limitada en longitudes de onda más cortas que 550 nm , lo que da como resultado el color dorado típico.
Controlando el espesor y la densidad de los recubrimientos metálicos, es posible disminuir la reflectividad y aumentar la transmisión de la superficie, lo que da como resultado un espejo semiplateado . Estos a veces se utilizan como " espejos unidireccionales ".
El otro tipo importante de revestimiento óptico es el revestimiento dieléctrico (es decir, el uso de materiales con un índice de refracción diferente al del sustrato). Estos se construyen a partir de capas delgadas de materiales como fluoruro de magnesio , fluoruro de calcio y varios óxidos metálicos, que se depositan sobre el sustrato óptico. Mediante una elección cuidadosa de la composición exacta, el grosor y el número de estas capas, es posible adaptar la reflectividad y la transmitividad del revestimiento para producir casi cualquier característica deseada. Los coeficientes de reflexión de las superficies se pueden reducir a menos del 0,2%, produciendo un revestimiento antirreflejo (AR). Por el contrario, la reflectividad se puede aumentar a más del 99,99%, produciendo un revestimiento de alto reflector (HR). El nivel de reflectividad también se puede ajustar a cualquier valor particular, por ejemplo, para producir un espejo que refleje el 90% y transmita el 10% de la luz que incide sobre él, en un cierto rango de longitudes de onda. Dichos espejos se utilizan a menudo como divisores de haz y como acopladores de salida en láseres . Alternativamente, el revestimiento puede diseñarse de tal manera que el espejo refleje la luz sólo en una banda estrecha de longitudes de onda, produciendo un filtro óptico .
La versatilidad de los recubrimientos dieléctricos conduce a su uso en muchos instrumentos ópticos científicos (como láseres, microscopios ópticos , telescopios refractores e interferómetros ), así como en dispositivos de consumo como binoculares , gafas y lentes fotográficas.
En ocasiones, se aplican capas dieléctricas sobre películas metálicas, ya sea para proporcionar una capa protectora (como en el caso del dióxido de silicio sobre el aluminio) o para mejorar la reflectividad de la película metálica. [1] También se utilizan combinaciones de metales y dieléctricos para fabricar revestimientos avanzados que no se pueden fabricar de ninguna otra manera. Un ejemplo es el llamado " espejo perfecto ", que presenta una alta (pero no perfecta) reflexión, con una sensibilidad inusualmente baja a la longitud de onda, el ángulo y la polarización . [2]
Los recubrimientos antirreflejos se utilizan para reducir el reflejo de las superficies. Siempre que un rayo de luz se desplaza de un medio a otro (por ejemplo, cuando la luz entra en una lámina de vidrio después de viajar a través del aire ), una parte de la luz se refleja en la superficie (conocida como interfaz ) entre los dos medios.
Se utilizan varios efectos diferentes para reducir la reflexión. El más simple es utilizar una capa delgada de material en la interfaz, con un índice de refracción entre los de los dos medios. La reflexión se minimiza cuando
donde es el índice de la capa fina, y y son los índices de los dos medios. Los índices de refracción óptimos para múltiples capas de revestimiento en ángulos de incidencia distintos de 0° están dados por Moreno et al. (2005). [3]
Estos recubrimientos pueden reducir la reflexión del vidrio ordinario de aproximadamente un 4 % por superficie a aproximadamente un 2 %. Fue el primer tipo de recubrimiento antirreflejo conocido, descubierto por Lord Rayleigh en 1886. Descubrió que los trozos de vidrio viejos y ligeramente deslustrados transmitían más luz que los nuevos y limpios debido a este efecto.
Los recubrimientos antirreflejos prácticos se basan en una capa intermedia que no solo reduce directamente el coeficiente de reflexión, sino que también aprovecha el efecto de interferencia de una capa fina. Si el espesor de la capa se controla con precisión de modo que sea exactamente un cuarto de la longitud de onda de la luz en la capa ( recubrimiento de cuarto de onda ), los reflejos de los lados delantero y trasero de la capa fina interferirán destructivamente y se anularán entre sí.
En la práctica, el rendimiento de un simple recubrimiento de interferencia de una sola capa está limitado por el hecho de que las reflexiones solo se cancelan exactamente para una longitud de onda de luz en un ángulo, y por las dificultades para encontrar materiales adecuados. Para el vidrio ordinario ( n ≈1,5), el índice de recubrimiento óptimo es n ≈1,23. Pocas sustancias útiles tienen el índice de refracción requerido. El fluoruro de magnesio (MgF 2 ) se utiliza a menudo, ya que es resistente y se puede aplicar fácilmente a sustratos mediante deposición física de vapor , aunque su índice es más alto de lo deseable (n = 1,38). Con tales recubrimientos, se puede lograr una reflexión tan baja como 1% en el vidrio común, y se pueden obtener mejores resultados en medios de índice más alto.
Es posible reducir aún más la radiación empleando varias capas de revestimiento diseñadas de forma que las reflexiones de las superficies sufran la máxima interferencia destructiva. Mediante el uso de dos o más capas, se pueden conseguir habitualmente revestimientos antirreflectantes de banda ancha que cubren el rango visible (400-700 nm) con reflectividades máximas inferiores al 0,5 %. La reflexión en bandas de longitud de onda más estrechas puede ser tan baja como el 0,1 %. Como alternativa, se puede utilizar una serie de capas con pequeñas diferencias en el índice de refracción para crear un revestimiento antirreflectante de banda ancha mediante un gradiente del índice de refracción .
Los recubrimientos de alta reflexión (HR) funcionan de manera opuesta a los recubrimientos antirreflejos. La idea general suele basarse en el sistema de capas periódicas compuesto por dos materiales, uno con un índice alto, como el sulfuro de cinc ( n = 2,32) o el dióxido de titanio ( n = 2,4), y otro con un índice bajo, como el fluoruro de magnesio ( n = 1,38) o el dióxido de silicio ( n = 1,49). Este sistema periódico mejora significativamente la reflectividad de la superficie en el rango de longitud de onda determinado llamado banda de parada , cuyo ancho está determinado únicamente por la relación de los dos índices utilizados (para sistemas de cuarto de onda), mientras que la reflectividad máxima aumenta hasta casi el 100% con un número de capas en la pila . Los espesores de las capas son generalmente de cuarto de onda (entonces dan lugar a la banda de alta reflexión más amplia en comparación con los sistemas que no son de cuarto de onda compuestos por los mismos materiales), esta vez diseñados de tal manera que los rayos reflejados interfieren constructivamente entre sí para maximizar la reflexión y minimizar la transmisión. Los mejores de estos recubrimientos, fabricados a partir de materiales sin pérdidas dieléctricas depositados sobre superficies perfectamente lisas, pueden alcanzar reflectividades superiores al 99,999 % (en un rango bastante estrecho de longitudes de onda). Los recubrimientos HR comunes pueden alcanzar una reflectividad del 99,9 % en un amplio rango de longitudes de onda (decenas de nanómetros en el rango del espectro visible).
En cuanto a los recubrimientos AR, los recubrimientos HR se ven afectados por el ángulo de incidencia de la luz. Cuando se utilizan lejos de la incidencia normal, el rango de reflexión cambia a longitudes de onda más cortas y se vuelve dependiente de la polarización. Este efecto se puede aprovechar para producir recubrimientos que polaricen un haz de luz.
Al manipular el espesor y la composición exactos de las capas de la pila reflectante, las características de reflexión se pueden ajustar a una aplicación particular y pueden incorporar regiones de longitud de onda tanto altamente reflectantes como antirreflectantes. El revestimiento se puede diseñar como un filtro de paso largo o corto, un filtro de paso de banda o de ranura, o un espejo con una reflectividad específica (útil en láseres). Por ejemplo, el conjunto de prismas dicroicos que se utiliza en algunas cámaras requiere dos revestimientos dieléctricos, un filtro de paso de longitud de onda larga que refleja la luz por debajo de los 500 nm (para separar el componente azul de la luz) y un filtro de paso corto para reflejar la luz roja, por encima de la longitud de onda de 600 nm. La luz transmitida restante es el componente verde.
En la porción EUV del espectro (longitudes de onda más cortas que aproximadamente 30 nm) casi todos los materiales absorben fuertemente, lo que dificulta enfocar o manipular de otra manera la luz en este rango de longitudes de onda. Los telescopios como TRACE o EIT que forman imágenes con luz EUV utilizan espejos multicapa que están construidos con cientos de capas alternas de un metal de alta masa como molibdeno o tungsteno , y un espaciador de baja masa como silicio , depositado al vacío sobre un sustrato como vidrio . Cada par de capas está diseñado para tener un espesor igual a la mitad de la longitud de onda de la luz que se va a reflejar. La interferencia constructiva entre la luz dispersada de cada capa hace que el espejo refleje la luz EUV de la longitud de onda deseada como lo haría un espejo de metal normal en luz visible. Usando óptica multicapa es posible reflejar hasta el 70% de la luz EUV incidente (a una longitud de onda particular elegida cuando se construye el espejo).
Los recubrimientos conductores transparentes se utilizan en aplicaciones donde es importante que el recubrimiento conduzca electricidad o disipe la carga estática . Los recubrimientos conductores se utilizan para proteger la apertura de la interferencia electromagnética , mientras que los recubrimientos disipativos se utilizan para evitar la acumulación de electricidad estática . Los recubrimientos conductores transparentes también se utilizan ampliamente para proporcionar electrodos en situaciones donde se requiere que pase la luz, por ejemplo, en tecnologías de pantallas planas y en muchos experimentos fotoelectroquímicos . Una sustancia común utilizada en recubrimientos conductores transparentes es el óxido de indio y estaño (ITO). Sin embargo, el ITO no es muy transparente ópticamente. Las capas deben ser delgadas para proporcionar una transparencia sustancial, particularmente en el extremo azul del espectro. Usando ITO, se pueden lograr resistencias de hoja de 20 a 10,000 ohmios por cuadrado . Un recubrimiento de ITO se puede combinar con un recubrimiento antirreflectante para mejorar aún más la transmitancia . Otros TCO (óxidos conductores transparentes) incluyen AZO (óxido de zinc dopado con aluminio), que ofrece una transmisión UV mucho mejor que el ITO. Una clase especial de recubrimientos conductores transparentes se aplica a las películas infrarrojas para la óptica militar aérea de teatro donde las ventanas transparentes de infrarrojos deben tener propiedades de sigilo ( tecnología de sigilo ) ( radar ). Estos se conocen como RAIT (atenuación de radar/transmisión de infrarrojos) e incluyen materiales como el DLC dopado con boro ( carbono tipo diamante ) [ cita requerida ] .
Las múltiples reflexiones internas en los prismas de techo provocan un desfase dependiente de la polarización de la luz transmitida, de forma similar a un rombo de Fresnel . Esto se debe suprimir mediante recubrimientos de corrección de fase multicapa aplicados a una de las superficies del techo para evitar efectos de interferencia no deseados y una pérdida de contraste en la imagen. Los recubrimientos de prismas de corrección de fase dieléctrica se aplican en una cámara de vacío con quizás 30 capas de recubrimiento de vapor superpuestas diferentes, lo que hace que sea un proceso de producción complejo.
En un prisma de techo sin un revestimiento corrector de fase, la luz polarizada en s y la luz polarizada en p adquieren cada una una fase geométrica diferente a medida que pasan a través del prisma superior. Cuando se recombinan los dos componentes polarizados, la interferencia entre la luz polarizada en s y la luz polarizada en p da como resultado una distribución de intensidad diferente perpendicular al borde del techo en comparación con la que se produce a lo largo del borde del techo. Este efecto reduce el contraste y la resolución en la imagen perpendicular al borde del techo, lo que produce una imagen inferior en comparación con la de un sistema de montaje de prismas porro . Este efecto de difracción del borde del techo también puede verse como un pico de difracción perpendicular al borde del techo generado por puntos brillantes en la imagen. En óptica técnica, esta fase también se conoce como fase de Pancharatnam [4] y en física cuántica un fenómeno equivalente se conoce como fase de Berry [5] .
Este efecto se puede ver en el alargamiento del disco de Airy en la dirección perpendicular a la cresta del techo, ya que se trata de una difracción de la discontinuidad en la cresta del techo.
Los efectos de interferencia no deseados se suprimen depositando por vapor un revestimiento dieléctrico especial conocido como revestimiento de compensación de fase en las superficies del techo del prisma de techo. Este revestimiento de corrección de fase o revestimiento P en las superficies del techo fue desarrollado en 1988 por Adolf Weyrauch en Carl Zeiss [6]. Otros fabricantes siguieron pronto el ejemplo y, desde entonces, los revestimientos de corrección de fase se utilizan en todos los binoculares de prisma de techo de calidad media y alta . Este revestimiento corrige la diferencia de fase geométrica entre la luz polarizada s y p, de modo que ambas tienen efectivamente el mismo cambio de fase, lo que evita la interferencia que degrada la imagen. [7]
Desde un punto de vista técnico, la capa de corrección de fase no corrige el desfase real, sino la polarización parcial de la luz que resulta de la reflexión total. Esta corrección siempre se puede realizar solo para una longitud de onda seleccionada y para un ángulo de incidencia específico ; sin embargo, es posible corregir aproximadamente un prisma de techo para la luz policromática mediante la superposición de varias capas. [8] De esta manera, desde la década de 1990, los binoculares con prisma de techo también han logrado valores de resolución que antes solo se podían lograr con prismas porro. [9] La presencia de un recubrimiento de corrección de fase se puede verificar en binoculares sin abrir utilizando dos filtros de polarización. [6]
Los recubrimientos ópticos resonantes Fano (FROC) representan una nueva categoría de recubrimientos ópticos. [10] Los FROC exhiben la resonancia Fano fotónica al acoplar una nanocavidad de banda ancha, que sirve como continuo, con una nanocavidad Fabry-Perot de banda estrecha, que representa el estado discreto. La interferencia entre estas dos resonancias se manifiesta como una forma de línea de resonancia Fano asimétrica. Los FROC se consideran una categoría separada de recubrimientos ópticos porque disfrutan de propiedades ópticas que no se pueden reproducir utilizando otros recubrimientos ópticos. Principalmente, los FROC semitransparentes actúan como un filtro divisor de haz que refleja y transmite el mismo color, una propiedad que no se puede lograr con filtros de transmisión, espejos dieléctricos o metales semitransparentes.
Los FROC gozan de notables propiedades de coloración estructural , ya que pueden producir colores en una amplia gama de colores con alto brillo y alta pureza. [11] Además, la dependencia del color con respecto al ángulo de la luz incidente se puede controlar a través del material de la cavidad dieléctrica, lo que hace que los FROC sean adaptables para aplicaciones que requieren coloración independiente del ángulo o dependiente del ángulo. Esto incluye fines decorativos y medidas contra la falsificación.
Los FROC se utilizaron como divisores de espectro monolíticos y absorbedores solares selectivos, lo que los hace adecuados para la generación de energía solar-térmica híbrida. [10] Se pueden diseñar para reflejar rangos de longitud de onda específicos, alineándose con la brecha de banda de energía de las células fotovoltaicas, mientras absorben el espectro solar restante. Esto permite una mayor eficiencia fotovoltaica a concentraciones ópticas elevadas al reducir la temperatura de la célula fotovoltaica. La temperatura reducida también aumenta la vida útil de la célula. Además, su baja emisividad infrarroja minimiza las pérdidas térmicas, lo que aumenta la eficiencia optotérmica general del sistema. [10]
