Un recubrimiento óptico es una o más capas delgadas de material depositadas sobre un componente óptico como una lente , prisma o 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 revestimiento altamente reflectante , que se puede utilizar para producir espejos que reflejan más del 99,99% de la luz que incide sobre ellos. Los recubrimientos ópticos más complejos exhiben una alta reflexión en un rango de longitudes de onda y antirreflectantes 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 crear superficies de espejo, un proceso conocido como plateado . El metal utilizado determina las características de reflexión del espejo; El aluminio es el revestimiento más barato y común y produce una reflectividad de alrededor del 88% al 92% en el espectro visible . Más cara es la plata , que tiene una reflectividad del 95% al 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 proporciona una reflectividad excelente (98%-99%) en todo el infrarrojo , pero una reflectividad limitada en longitudes de onda inferiores a 550 nm , lo que da como resultado el típico color dorado.
Controlando el espesor y la densidad de los recubrimientos metálicos, es posible disminuir la reflectividad y aumentar la transmisión de la superficie, dando como resultado un espejo medio plateado . A veces se utilizan como " espejos unidireccionales ".
El otro tipo importante de recubrimiento óptico es el recubrimiento dieléctrico (es decir, que utiliza materiales con un índice de refracción diferente al del sustrato). Están construidos a partir de finas capas de materiales como fluoruro de magnesio , fluoruro de calcio y diversos óxidos metálicos, que se depositan sobre el sustrato óptico. Mediante una elección cuidadosa de la composición, el espesor y el número exactos de estas capas, es posible adaptar la reflectividad y transmitividad del recubrimiento para producir casi cualquier característica deseada. Los coeficientes de reflexión de las superficies se pueden reducir a menos del 0,2%, produciendo un revestimiento antirreflectante (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 algún rango de longitudes de onda. Estos espejos se utilizan a menudo como divisores de haz y como acopladores de salida en láseres . Alternativamente, el recubrimiento se puede diseñar de 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 lleva 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.
A veces se aplican capas dieléctricas sobre la parte superior de las 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. También se utilizan combinaciones de metal y dieléctrico para fabricar recubrimientos avanzados que no se pueden fabricar de otra manera. Un ejemplo es el llamado " espejo perfecto ", que exhibe una reflexión alta (pero no perfecta), con una sensibilidad inusualmente baja a la longitud de onda, el ángulo y la polarización . [1]
Los recubrimientos antirreflectantes se utilizan para reducir los reflejos de las superficies. Siempre que un rayo de luz se mueve de un medio a otro (como cuando la luz entra en una lámina de vidrio después de viajar por el aire ), una parte de la luz se refleja desde la superficie (conocida como interfaz ) entre los dos medios.
Se utilizan varios efectos diferentes para reducir la reflexión. La más sencilla es utilizar una fina capa 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 delgada y y son los índices de los dos medios. Los índices de refracción óptimos para múltiples capas de recubrimiento en ángulos de incidencia distintos de 0 ° los dan Moreno et al. (2005). [2]
Dichos recubrimientos pueden reducir la reflexión del vidrio ordinario desde aproximadamente un 4% por superficie hasta aproximadamente un 2%. Este fue el primer tipo de revestimiento antirreflectante conocido, descubierto por Lord Rayleigh en 1886. Descubrió que las piezas de vidrio viejas y ligeramente deslustradas transmitían más luz que las piezas nuevas y limpias debido a este efecto.
Los revestimientos antirreflectantes prácticos se basan en una capa intermedia no sólo para reducir directamente el coeficiente de reflexión, sino que también aprovechan 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 (un recubrimiento de un cuarto de onda ), los reflejos de los lados frontal y posterior de la capa delgada interferirán destructivamente y cancelarán cada uno de ellos. otro.
En la práctica, el rendimiento de un revestimiento de interferencia simple de una capa está limitado por el hecho de que los reflejos sólo se cancelan exactamente para una longitud de onda de luz en un ángulo, y por las dificultades para encontrar materiales adecuados. Para vidrio ordinario ( n ≈1,5), el índice de recubrimiento óptimo es n ≈1,23. Pocas sustancias útiles tienen el índice de refracción requerido. A menudo se utiliza fluoruro de magnesio (MgF 2 ), ya que es resistente y se puede aplicar fácilmente a los sustratos mediante deposición física de vapor , aunque su índice es superior al deseable (n=1,38). Con tales recubrimientos, se puede lograr una reflexión tan baja como el 1% en vidrio común y se pueden obtener mejores resultados en medios de índice más alto.
Es posible una mayor reducción mediante el uso de múltiples capas de revestimiento, diseñadas de manera que los reflejos de las superficies sufran la máxima interferencia destructiva. Utilizando dos o más capas, normalmente se pueden conseguir 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%. Alternativamente, se puede utilizar una serie de capas con pequeñas diferencias en el índice de refracción para crear un recubrimiento antirreflectante de banda ancha mediante un gradiente de índice de refracción .
Los recubrimientos de alta reflexión (HR) funcionan de manera opuesta a los recubrimientos antirreflectantes. La idea general suele basarse en el sistema de capas periódicas compuesto por dos materiales, uno con un índice alto, como el sulfuro de zinc ( n =2,32) o dióxido de titanio ( n =2,4), y otro con un índice bajo, como el magnesio. fluoruro ( n =1,38) o dióxido de silicio ( n =1,49). Este sistema periódico mejora significativamente la reflectividad de la superficie en un cierto rango de longitud de onda llamado banda eliminada , cuyo ancho está determinado por la relación de los dos índices utilizados únicamente (para sistemas de cuarto de onda), mientras que la reflectividad máxima aumenta hasta casi 100. % con varias capas en la pila . Los espesores de las capas son generalmente de un cuarto de onda (luego dan paso a la banda de alta reflexión más amplia en comparación con los sistemas que no son de un cuarto de onda compuestos por los mismos materiales), esta vez diseñados de tal manera que los haces reflejados interfieren constructivamente entre sí para maximizar la reflexión y minimizar la transmisión. Los mejores de estos recubrimientos, formados a partir de materiales dieléctricos sin pérdidas 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 utiliza lejos de la incidencia normal, el rango reflectante cambia a longitudes de onda más cortas y depende 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 en 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 recubrimiento puede diseñarse como un filtro de paso largo o corto, un filtro de paso de banda o de muesca, o un espejo con una reflectividad específica (útil en láseres). Por ejemplo, el conjunto de prisma dicroico utilizado en algunas cámaras requiere dos recubrimientos dieléctricos, un filtro de paso de longitud de onda larga que refleja la luz por debajo de 500 nm (para separar el componente azul de la luz) y un filtro de paso corto para reflejar la luz roja, arriba. Longitud de onda de 600 nm. La luz transmitida restante es el componente verde.
En la porción EUV del espectro (longitudes de onda inferiores a aproximadamente 30 nm), casi todos los materiales absorben fuertemente, lo que dificulta enfocar o manipular la luz en este rango de longitud 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 el vidrio . Cada par de capas está diseñado para tener un espesor igual a la mitad de la longitud de onda de la luz 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 metálico normal en luz visible. Utilizando ópticas multicapa es posible reflejar hasta el 70% de la luz EUV incidente (en 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 . Se utilizan revestimientos conductores para proteger la apertura de interferencias electromagnéticas , mientras que se utilizan revestimientos disipativos para evitar la acumulación de electricidad estática . Los recubrimientos conductores transparentes también se utilizan ampliamente para proporcionar electrodos en situaciones en las que 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, la ITO no es muy transparente desde el punto de vista óptico. Las capas deben ser delgadas para proporcionar una transparencia sustancial, particularmente en el extremo azul del espectro. Usando ITO, se pueden lograr resistencias de lámina de 20 a 10.000 ohmios por cuadrado . Un revestimiento de ITO se puede combinar con un revestimiento 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. Se aplica una clase especial de recubrimientos conductores transparentes a las películas infrarrojas para óptica militar de aire-teatro donde las ventanas transparentes IR deben tener propiedades ( radar ) sigilosas ( tecnología Stealth ). Estos se conocen como RAIT (Atenuación de radar / Transmisión de infrarrojos) e incluyen materiales como DLC ( carbono tipo diamante ) dopado con boro [ cita requerida ] .
Las múltiples reflexiones internas en los prismas de tejado provocan un desfase de la luz transmitida dependiente de la polarización , similar a un rombo de Fresnel . Esto debe suprimirse 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 depósitos de capas de recubrimiento de vapor superpuestas diferentes, lo que lo convierte en un proceso de producción complejo.
En un prisma de techo sin revestimiento corrector de fase, la luz polarizada s y la polarizada p adquieren cada una una fase geométrica diferente a medida que pasan a través del prisma superior. Cuando los dos componentes polarizados se recombinan, la interferencia entre la luz polarizada s y polarizada p da como resultado una distribución de intensidad diferente perpendicular al borde del techo en comparación con la que se encuentra a lo largo del borde del techo. Este efecto reduce el contraste y la resolución en la imagen perpendicular al borde del techo, produciendo una imagen inferior en comparación con la de un sistema de montaje de prisma de 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 Pancharatnam , [3] y en física cuántica un fenómeno equivalente se conoce como fase Berry . [4]
Este efecto se puede ver en el alargamiento del disco de Airy en la dirección perpendicular a la cresta del techo, ya que es una difracción de la discontinuidad en la cresta del techo.
Los efectos de interferencia no deseados se suprimen mediante la aplicación de vapor de un recubrimiento dieléctrico especial, conocido como recubrimiento de compensación de fase, sobre las superficies del techo del prisma de techo. Este revestimiento de corrección de fase o revestimiento P en las superficies del tejado fue desarrollado en 1988 por Adolf Weyrauch en Carl Zeiss [5]. Pronto siguieron otros fabricantes y, desde entonces, los revestimientos de corrección de fase se utilizan de forma generalizada en tejados de calidad media y alta. binoculares de prisma . Este recubrimiento corrige la diferencia de fase geométrica entre la luz polarizada s y p, de modo que ambas tengan efectivamente el mismo cambio de fase, evitando interferencias que degraden la imagen. [6]
Desde un punto de vista técnico, la capa de recubrimiento de corrección de fase no corrige el cambio de fase real, sino más bien la polarización parcial de la luz que resulta de la reflexión total. Esta corrección sólo puede realizarse siempre para una longitud de onda seleccionada y para un ángulo de incidencia específico ; sin embargo, es posible corregir aproximadamente un prisma de tejado para una luz policromática superponiendo varias capas. [7] De este modo, desde los años 90 los binoculares con prisma de techo han alcanzado también valores de resolución que hasta ahora sólo se podían alcanzar con prismas de porro. [8] La presencia de un revestimiento de corrección de fase se puede comprobar en binoculares sin abrir utilizando dos filtros de polarización. [5]
Los recubrimientos ópticos resonantes Fano (FROC) representan una nueva categoría de recubrimientos ópticos. [9] Los FROC exhiben la resonancia fotónica de Fano al acoplar una nanocavidad de banda ancha, que sirve como continuo, con una nanocavidad de 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 de 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, propiedad que no se puede lograr con filtros de transmisión, espejos dieléctricos o metales semitransparentes.
Los FROC disfrutan de notables propiedades de coloración estructural , ya que pueden producir colores en una amplia gama de colores con alto brillo y alta pureza. [10] Además, la dependencia del color del 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 una coloración independiente o dependiente del ángulo. Esto incluye fines decorativos y medidas contra la falsificación.
Los FROC se utilizaron como divisores de espectro monolíticos y como absorbentes solares selectivos, lo que los hace adecuados para la generación híbrida de energía solar-térmica. [9] Pueden diseñarse para reflejar rangos de longitud de onda específicos, alineándose con la banda prohibida 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 celda fotovoltaica. La temperatura reducida también aumenta la vida útil de la celda. Además, su baja emisividad infrarroja minimiza las pérdidas térmicas, aumentando la eficiencia optotérmica general del sistema. [9]
