Introduction et classification des revêtements optiques

Dans l'affichage clair des écrans de smartphones, dans les images des galaxies lointaines capturées par les télescopes astronomiques, et dans les salles d'opération précises des chirurgies au laser, une "technologie invisible" joue un rôle central - il s'agit du revêtement optique. Il s'agit d'une couche de matériau ultra-mince déposée sur la surface des substrats optiques grâce à un procédé spécial, généralement d'une épaisseur de l'ordre du nanomètre, mais qui peut contrôler avec précision la réflexion, la transmission, l'absorption et d'autres propriétés de la lumière, permettant aux dispositifs optiques de franchir les goulets d'étranglement des performances. Les applications des revêtements optiques sont omniprésentes, allant des biens de consommation quotidiens aux domaines technologiques de pointe. Cet article interprétera systématiquement l'essence du revêtement optique et se concentrera sur trois produits principaux : le film antireflet AR, le film à haute réflectivité HR et le filtre, révélant leurs mystères techniques et leurs valeurs d'application.

Le revêtement optique n'est pas une technologie unique, mais un terme générique pour une catégorie de procédés qui forment des films minces sur la surface de substrats optiques tels que le verre, le plastique et le métal par des méthodes physiques ou chimiques. Le principe de base est basé sur le phénomène d'interférence de la lumière - lorsque deux faisceaux lumineux de même fréquence et d'une différence de phase constante se rencontrent, ils produisent un effet de renforcement mutuel (interférence constructive) ou d'affaiblissement (interférence destructive). En concevant avec précision le matériau, l'épaisseur et le nombre de couches du film, les ingénieurs peuvent utiliser ce principe pour obtenir un contrôle directionnel de la lumière.

Les procédés de revêtement courants comprennent le dépôt physique en phase vapeur (PVD) et le dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Parmi eux, le procédé PVD est le plus largement utilisé, couvrant l'évaporation sous vide, la pulvérisation cathodique magnétron et d'autres méthodes. Il peut atomiser le matériau de revêtement et le déposer uniformément sur la surface du substrat dans un environnement à vide poussé, assurant la pureté et l'uniformité du film. En revanche, le procédé CVD génère des films par réactions chimiques et est plus adapté à la préparation de revêtements avec des fonctions spéciales. Quel que soit le procédé adopté, il existe des exigences extrêmement élevées en matière de propreté de l'environnement, de contrôle de la température et de vitesse de dépôt. Même la moindre déviation peut entraîner l'échec des performances du revêtement.

Les dispositifs optiques qui n'ont pas subi de traitement de revêtement présentent souvent des défauts évidents. Par exemple, la surface du verre ordinaire réfléchit environ 4 % à 5 % de la lumière visible. Pour un appareil photo composé de 10 lentilles, la seule perte par réflexion peut empêcher plus de 40 % de la lumière d'atteindre le capteur, ce qui se traduit par une image sombre accompagnée d'éblouissement sévère. L'émergence du revêtement optique est précisément destinée à résoudre de tels problèmes. C'est comme mettre une "armure de performance" sur les dispositifs optiques, rendant la propagation et l'utilisation de la lumière plus conformes aux besoins réels.

Le revêtement antireflet AR est le revêtement optique le plus proche de la vie quotidienne. Sa fonction principale est de réduire la lumière réfléchie sur la surface optique tout en maximisant la transmission de la lumière. Les lunettes de myopie que nous portons, les écrans de nos téléphones portables et les lentilles de nos appareils photo reposent presque tous sur son soutien.

Le principe de fonctionnement du revêtement antireflet AR est une application typique de l'interférence par annulation. Il est généralement composé de matériaux diélectriques monocouches ou multicouches, dont les plus courants sont le dioxyde de silicium, le fluorure de magnésium, etc. Les ingénieurs contrôleront avec précision l'épaisseur de la couche de film à un quart de la longueur d'onde de la lumière cible. Lorsque la lumière brille sur la surface de la couche de film, une partie de la lumière sera réfléchie par la surface supérieure de la couche de film, tandis que l'autre partie pénétrera la couche de film et sera réfléchie par l'interface entre la couche de film et le substrat. La différence de trajet optique entre ces deux faisceaux lumineux réfléchis est exactement une demi-longueur d'onde, et leurs phases sont complètement opposées. Lorsqu'ils se rencontrent, ils s'annulent, réduisant ainsi considérablement la réflectivité.

Les premiers revêtements antireflets AR étaient principalement des structures monocouches et ne pouvaient obtenir des effets antireflets qu'à des longueurs d'onde spécifiques, avec des plages d'application limitées. Les films antireflets AR modernes se sont développés en structures composites multicouches. En superposant des couches de film de différents matériaux et épaisseurs, la réflectivité peut être réduite à moins de 1 % et la transmission de la lumière peut être augmentée à plus de 95 % sur l'ensemble du spectre de la lumière visible (400-700 nm). Certains films AR haut de gamme ajoutent également des couches hydrophobes et oléophobes, qui peuvent non seulement réduire la réflexion, mais aussi empêcher les empreintes digitales et les taches, devenant une technologie "standard" pour les écrans de smartphones.

La valeur des films antireflets AR est pleinement démontrée dans divers domaines. Dans l'industrie photovoltaïque, le film AR sur la surface des panneaux solaires peut augmenter la transmission de la lumière de 5 % à 10 %, ce qui se traduit directement par une amélioration de l'efficacité de la production d'électricité, ce qui est d'une grande importance pour l'utilisation des nouvelles énergies. Dans le domaine aérospatial, le film AR sur les pare-brise des avions peut réduire l'interférence de la réflexion de la lumière du soleil sur la vision des pilotes et améliorer la sécurité des vols. Dans les équipements médicaux, le film AR sur la lentille de l'endoscope permet aux médecins d'obtenir des images internes plus claires, offrant une garantie pour un diagnostic précis.

Contrairement à la fonction "antireflet" du revêtement antireflet AR, le rôle principal du revêtement à haute réflectivité HR est de maximiser la réflectivité des surfaces optiques, atteignant même un effet de réflexion de plus de 99 %, dépassant de loin la capacité de réflexion des miroirs métalliques ordinaires. Par conséquent, il est largement utilisé dans les scénarios qui nécessitent une réflexion précise de la lumière.

Le principe de fonctionnement du film à haute réflectivité HR est basé sur l'interférence réciproque, et sa structure est généralement une superposition alternée de "matériau à indice de réfraction élevé + matériau à faible indice de réfraction". Lorsque la lumière brille sur le système de couches de film, la lumière réfléchie par chaque couche se renforcera mutuellement en raison de la phase constante, formant ainsi un effet de réflexion extrêmement fort. Le nombre de couches de film détermine directement les performances de réflexion - un système de film d'environ 10 couches peut atteindre un taux de réflexion de plus de 95 %, tandis qu'un système de film de haute précision avec plus de 30 couches peut dépasser un taux de réflexion de 99,9 %. Comparé aux couches réfléchissantes métalliques traditionnelles telles que le film d'aluminium et le film d'argent, le film à haute réflectivité HR a non seulement une réflectivité plus élevée, mais évite également les défauts des matériaux métalliques tels que l'oxydation facile et l'absorption de l'énergie lumineuse. Il fonctionne particulièrement bien dans les bandes infrarouges et ultraviolettes.

La technologie laser est le principal scénario d'application du film à haute réflectivité HR. La cavité résonnante du laser nécessite une paire de miroirs à réflecteur élevé pour obtenir une réflexion et une amplification réciproques de la lumière. L'un des miroirs utilise un film à réflecteur élevé HR pour obtenir une réflexion de près de 100 %, tandis que l'autre utilise un film à réflecteur partiel pour émettre le faisceau laser. Sans le contrôle précis des films à haute réflectivité HR, les lasers ne peuvent pas former une sortie d'énergie stable, et des technologies telles que la découpe industrielle, les lasers médicaux et le lidar seraient toutes hors de question.

Dans le domaine de l'observation astronomique, les films à haute réflectivité HR sont également indispensables. Le miroir primaire du télescope spatial Hubble adopte un système de film HR multicouche, qui peut réfléchir efficacement la faible lumière des corps célestes lointains et aider les humains à capturer des images de galaxies à des milliards d'années-lumière. Dans le domaine de l'éclairage, après que les réflecteurs des lampes LED ont été traités avec un revêtement HR, ils peuvent concentrer la lumière et l'émettre dans une direction spécifique, améliorant considérablement l'efficacité de l'éclairage et réduisant le gaspillage d'énergie. De plus, dans des équipements tels que les projecteurs et l'éclairage de scène, les films à haute réflectivité HR jouent également un rôle crucial dans le guidage de la lumière.

Si les films AR et HR sont la "régulation globale" de la lumière, alors les filtres sont les "filtres précis" de la lumière - ils peuvent sélectivement permettre à la lumière de longueurs d'onde spécifiques de passer tout en bloquant la lumière d'autres longueurs d'onde, répondant ainsi aux besoins d'extraction du signal lumineux dans différents scénarios. Selon les différentes méthodes de filtrage, les filtres peuvent être classés en type absorption, type interférence et type polarisation, etc. Parmi eux, les filtres interférentiels sont devenus la norme dans les applications industrielles en raison de leur haute précision et de leurs performances stables.

Le principe de fonctionnement des filtres interférentiels est similaire à celui des films AR et HR, tous deux basés sur le phénomène d'interférence de la lumière, mais leurs structures sont plus complexes. Il contrôle avec précision l'interférence constructive et destructive de la lumière de différentes longueurs d'onde en superposant des dizaines, voire des centaines, de couches de film diélectrique, réalisant ainsi la "libération" des longueurs d'onde cibles et l'"interception" des longueurs d'onde parasites. Par exemple, un filtre à bande étroite courant ne peut laisser passer qu'une longueur d'onde spécifique (telle que la lumière rouge de 650 nm), avec une largeur de bande contrôlée à quelques nanomètres près, ce qui équivaut à installer des "lunettes monochromes" sur le système optique.

Dans le domaine de l'imagerie numérique, les filtres sont au cœur de l'imagerie couleur. Les capteurs d'image des smartphones et des appareils photo eux-mêmes ne peuvent pas distinguer les différentes couleurs de la lumière. Cela doit être réalisé grâce à une matrice de filtres colorés (CFA) recouvrant la surface du capteur - cette matrice est composée d'un grand nombre d'unités de filtre rouge, vert et bleu, qui filtrent respectivement la lumière des longueurs d'onde correspondantes, puis synthétisent des images couleur grâce à des algorithmes. De plus, le filtre UV couramment utilisé dans les objectifs d'appareil photo peut bloquer les rayons ultraviolets et empêcher l'image d'avoir un aspect brumeux. Les filtres infrarouges peuvent filtrer la lumière infrarouge pour assurer la précision de la reproduction des couleurs.

Dans le domaine du diagnostic médical, la capacité de filtrage précise des filtres joue un rôle crucial. Le détecteur de glycémie peut identifier le signal lumineux produit par la réaction entre le glucose dans le sang et le réactif de test grâce à un filtre d'une longueur d'onde spécifique, réalisant ainsi une mesure rapide des niveaux de glycémie. Les microscopes à fluorescence utilisent des filtres pour séparer la lumière d'excitation des signaux de fluorescence, permettant aux chercheurs d'observer clairement les substances marquées par fluorescence à l'intérieur des cellules. En matière de surveillance environnementale, les instruments de détection des gaz peuvent détecter avec précision la concentration de polluants dans l'air en filtrant les longueurs d'onde d'absorption caractéristiques du gaz cible grâce à des filtres. Dans le domaine de la sécurité, les filtres infrarouges peuvent être utilisés en conjonction avec des caméras de vision nocturne pour capturer des images infrarouges claires dans des environnements sombres.

Avec le développement de la technologie, la technologie des revêtements optiques évolue vers la direction d'être "plus fine, plus intelligente et plus complète". Dans le domaine de l'électronique flexible, la technologie de revêtement flexible ultra-mince a fait une percée et peut être appliquée au verre flexible des téléphones à écran pliable. Il maintient non seulement les performances anti-transmission et anti-rayures, mais peut également s'adapter à des pliages répétés. Dans le domaine de la régulation intelligente, de nouveaux produits tels que le revêtement électrochrome et le revêtement thermochrome ont vu le jour. Ils peuvent ajuster dynamiquement la transmission ou la réflectivité de la lumière en fonction de signaux externes et peuvent être appliqués à des scénarios tels que les vitres de voiture intelligentes et les lunettes adaptatives à l'avenir.

Parallèlement, dans les applications environnementales extrêmes, les performances des revêtements optiques sont également en constante amélioration. En réponse aux exigences de l'exploration spatiale, des revêtements spéciaux résistants aux radiations et aux températures élevées ont été appliqués aux équipements optiques des sondes martiennes. Pour l'exploration en haute mer, le revêtement résistant à la haute pression et à la corrosion assure le fonctionnement stable des caméras sous-marines. De plus, avec le développement des nanotechnologies, de nouveaux revêtements à base de graphène et de matériaux bidimensionnels deviennent un sujet de recherche brûlant, et devraient permettre d'obtenir de meilleures performances optiques et un éventail plus large de scénarios d'application.

Des produits de première nécessité à la technologie de pointe, le revêtement optique, avec sa capacité de régulation précise de la lumière, est devenu le support central de la technologie optique moderne. Le film antireflet AR rend notre champ de vision plus clair, le film à haute réflectivité HR rend l'utilisation de la lumière plus efficace, et le filtre rend l'extraction des signaux lumineux plus précise. Avec les progrès continus de la technologie, ces "films invisibles" sont appelés à créer de la valeur dans davantage de domaines et à fournir des outils plus puissants à l'humanité pour explorer le monde de la lumière.