Technologie des revêtements optiques : Introduction, développement et tendances futures

Technologie de revêtement optique: introduction, développement et tendances futures

La technologie de revêtement optique est une technologie de base qui intègre plusieurs disciplines telles que la science des matériaux, la physique du vide et l'ingénierie optique.En déposant une ou plusieurs couches de films sur la surface des composants optiques, il régule précisément la réflexion, la transmission, l'absorption, la polarisation, etc. de la lumière, améliorant ainsi les performances des systèmes optiques et élargissant leurs scénarios d'application.Des objets de tous les jours comme des lunettes et des appareils photo de téléphones portablesLa technologie des revêtements optiques joue un rôle irremplaçable et constitue le "fondement" des industries optoélectroniques modernes..

Le revêtement optique désigne le processus de dépôt d'une couche (ou de plusieurs couches) de films métalliques, médiums ou composites sur la surface des composants optiques par des méthodes physiques ou chimiques.L'objectif principal de ce procédé est de modifier les propriétés optiques de la surface du matériau pour répondre aux exigences d'utilisation de différents scénariosEn termes simples, le revêtement optique est comme "mettre une couche spéciale" sur des composants optiques.mais il peut réaliser trois fonctions principales: premièrement, il réduit la perte de réflexion de la lumière et améliore la transmission des composants optiques (comme les revêtements antireflet sur les verres de lunettes);il améliore la capacité de réflexion de la lumière et prépare des miroirs à haute réflexion (tels que les plaques de lentilles dans les résonateurs laser)Troisièmement, il réalise des fonctions spéciales telles que la scission, le filtrage et la polarisation de la lumière (comme les revêtements de filtre sur les objectifs d'appareil photo et les revêtements de polarisation sur les lunettes AR).

Le principe de base du revêtement optique est basé sur l'effet d'interférence de la lumière.Il subira plusieurs réflexions et transmissions sur les surfaces supérieure et inférieure de la couche de filmEn contrôlant avec précision l'indice de réfraction, l'épaisseur et le nombre de couches de la couche de film,la superposition ou l'annulation de la lumière réfléchie et de la lumière transmise peuvent être réalisées, ce qui permet d'obtenir l'effet optique attendu, par exemple en concevant des films antireflet à couches simples ou multiples de films moyens d'épaisseur spécifique,permettant à la lumière réfléchie de s'annuler mutuellement, permettant à plus de lumière de traverser le composant; les films à haute réflexion, en revanche, le font par superposition de plusieurs couches de films,ce qui rend la lumière réfléchie mutuellement renforcée, atteignant une très haute réflectivité.

Selon les principes de base de l'électromagnétisme, la réflectivité et la transmissibilité de la lumière peuvent être calculées à l'aide de formules.un revêtement (comme un milieu ayant un indice de réfraction de 1.5) et le verre (avec un indice de réfraction de 1,8) forment une structure superposée, la transmissibilité peut passer d'environ 85% sans revêtement à plus de 91%,démontrant pleinement la valeur fondamentale du revêtement optique.

Selon leurs fonctions, les revêtements optiques peuvent être classés en quatre catégories principales: le premier est le revêtement anti-réflexion (également appelé revêtement de réduction réfléchissante),qui sont utilisés pour réduire la réflexion de surface et augmenter la transmission, et sont largement utilisés dans les lunettes, les lentilles de caméra, les fenêtres optiques, etc.; le second est les revêtements à haut reflet, qui sont utilisés pour améliorer la réflexion de la lumière et sont appliqués dans les réflecteurs laser,réflecteurs solaires, etc.; le troisième est celui des revêtements filtrants, qui sont utilisés pour filtrer des longueurs d'onde spécifiques de lumière, tels que les revêtements filtrants infrarouges et les revêtements filtrants ultraviolets, et sont appliqués dans la surveillance de la sécurité,imagerie médicale, etc.; le quatrième est constitué de revêtements à fonction spéciale, tels que les revêtements polarisants, les revêtements conducteurs, les revêtements auto-nettoyants, etc.,qui conviennent à des scénarios émergents tels que la réalité augmentée/réelle et l'optique automobile.

Selon la classification des procédés de préparation, les technologies courantes peuvent être divisées en deux grandes catégories: le dépôt de vapeur physique (PVD) et le dépôt de vapeur chimique (CVD).Parmi eux, la technologie PVD est la plus largement utilisée, notamment: l'évaporation du faisceau d'électrons, la pulvérisation par magnétron et la déposition assistée par ions (IAD), etc.L'évaporation du faisceau d'électrons dépose le matériau en bombardant la cible avec des faisceaux d'électrons à haute énergie., qui présente les avantages d'une grande pureté et d'une grande précision, ce qui le rend approprié pour les composants optiques de haute précision;La pulvérisation par magnétron permet de déposer en bombardant la cible avec des ions plasma., qui présente l'avantage d'une couche de film dense et d'une bonne homogénéité, ce qui le rend adapté à la production à grande échelle;Le dépôt assisté par des ions améliore la structure de la couche de film en introduisant des ions à haute énergie, améliorant la densité et la stabilité de la couche de film, et peut obtenir un revêtement de haute qualité à température ambiante, adapté à des substrats spéciaux tels que les plastiques.

Le choix des matériaux de revêtement optique détermine directement les performances de la couche de revêtement.Il y a des matériaux diélectriques., tels que le dioxyde de silicium (SiO2), le dioxyde de titane (TiO2), l'oxyde de zirconium (ZrO2), le fluorure de magnésium (MgF2), etc. Ces matériaux ont une bonne transmission lumineuse et des indices de réfraction réglables,et sont les matériaux de base pour les films antirefletParmi eux, le fluorure de magnésium peut augmenter la transmittance, le dioxyde de silicium a une dureté élevée et une bonne stabilité chimique,et l'oxyde de zirconium a un indice de réfraction élevé et une résistance à haute températureDeuxièmement, il existe des matériaux métalliques, tels que l'aluminium, l'argent, l'or, etc., qui sont principalement utilisés pour préparer des films à haute réflexion et des films conducteurs.Le taux de réflexion de la plupart des métaux peut atteindre 78 à 98%, et il peut être encore augmenté à plus de 99% par revêtement, répondant aux exigences de l'optique haut de gamme; troisièmement, il existe des matériaux composites et de nouveaux matériaux, tels que les nanoparticules, les points quantiques,verre au chalcogénure, etc., qui sont utilisés pour préparer des films composites multifonctionnels et des films fonctionnels spéciaux, adaptés aux environnements extrêmes et aux scénarios émergents.

L'histoire du développement de la technologie de revêtement optique est un voyage de "exploration empirique" à "contrôle précis", de "fonction unique" à "intégration multifonctionnelle",et de "être en retard" à "guider la voie"Il peut être divisé en quatre étapes, couvrant près de deux siècles, et profondément imprimé avec les marques du développement technologique de la Chine.

En 1835, le chimiste allemand Liebig a inventé la réaction miroir argent, réalisant pour la première fois le dépôt contrôlé de films métalliques, initiant ainsi la technologie de revêtement optique.Pendant cette périodeDans les années 1930, la technologie de revêtement s'appuyait principalement sur des opérations manuelles et une simple préparation de film métallique, avec des scénarios d'application limités, utilisés uniquement pour la production de simples réflecteurs.Le physicien britannique Ball a été le premier à préparer un film anti-réflexion en fluorure de magnésium à couche unique., augmentation de la transmission de la lentille de 80% à 95%,établissant les bases théoriques du revêtement optique et marquant le passage de l'opération empirique à l'orientation théorique de la technologie du revêtementÀ cette époque, la technologie de revêtement de la Chine était presque inexistante, et seuls quelques établissements pouvaient revêtir manuellement des réflecteurs simples.avec la technologie de base monopolisée par les pays européens et américains.

Avec le développement initial des instruments optiques et de la technologie laser, la technologie des revêtements optiques est entrée dans une phase de développement systématique.Les principales percées ont porté sur les équipements de revêtement sous vide et la technologie de film multicoucheEn 1951, Wang Daheng a créé le premier laboratoire optique de la Nouvelle Chine à Changchun, en utilisant des équipements simples pour développer le premier film anti-réflexion de fabrication nationale,mettre fin à l'histoire de la Chine de "n'avoir aucun film disponible" et ouvrir la voie à l'exploration indépendante de la Chine de la technologie de revêtement optiqueEn 1958, l'Institut d'optique, de mécanique fine et de physique de Changchun a développé la première machine de revêtement sous vide en Chine, réalisant une production en lots de films diélectriques multicouches; en 1965,L'Institut d'optique et de mécanique fine de Shanghai a développé un film à haute réflexion pour la fusion nucléaire laser.Au cours de cette période, la production à grande échelle de films multicouches a été progressivement réalisée à l'échelle internationale.avec une précision de contrôle de l'épaisseur de la couche de film améliorée au niveau nanométriqueLe procédé de revêtement a évolué de l'évaporation thermique à l'évaporation par faisceau d'électrons et à la pulvérisation par magnétron, et les scénarios d'application se sont étendus au laser, à l'aérospatiale et à d'autres domaines.La technologie chinoise était encore à environ 20 ans du niveau international., s'appuyant principalement sur l'imitation et le rattrapage.

Avec le développement rapide de l'industrie optoélectronique mondiale, la technologie de revêtement optique est entrée dans une phase de développement "de haute précision, à grande échelle et diversifiée".La Chine est entrée dans une période de rattrapage rapideAu cours de cette période, des procédés tels que le pulvérisation par magnétron et le dépôt à l'aide d'ions dans la communauté internationale ont progressivement mûri, obtenant un revêtement de grande surface et très uniforme.adapté aux scénarios à grande échelle tels que les panneaux photovoltaïques et les panneaux d'affichage; la conception du système de film a évolué de simples structures périodiques à des structures complexes non périodiques,et les systèmes de films à haute performance tels que les films anti-réflexion à large bande et les films filtrants à bande étroite sont progressivement devenus largement répandus.

Au cours de cette période, la Chine a réalisé plusieurs percées clés: l'Université du Zhejiang a dépassé la technologie de purification du dioxyde de zirconium (ZrO2),réduire de 70% le coût des matériaux de revêtement domestiques; la machine de revêtement KAI-400 développée par le Second Institute of China Electronics Technology Group Corporation a un degré de vide de 10−6 Pa, ce qui se rapproche du niveau international avancé;Fuyao Glass a introduit la technologie de revêtement Low-E puis l'a absorbée et utiliséeEn 2008, la structure de membrane du "Nid d'oiseau" pour les Jeux Olympiques de Pékin a utilisé un revêtement PTFE domestique,d'une durée de vie de 30 ansEn même temps, la Chine a progressivement réalisé le remplacement national des équipements et matériaux de revêtement,réduire sa dépendance aux importations, et ses applications couvraient l'électronique grand public, la construction, le laser et d'autres domaines, réduisant progressivement l'écart avec les niveaux avancés internationaux.

Au début des années 2010 du 21e siècle, avec les avancées de la technologie optoélectronique avancée, de la technologie quantique et de la technologie aérospatiale,La technologie de revêtement optique est entrée dans une nouvelle phase de "précision au niveau atomique"La Chine a progressivement réalisé la transformation de "suivre" en "diriger".Les procédés avancés tels que le dépôt de couche atomique (ALD) et la pulsation de magnétrons à haute puissance (HiPIMS) ont progressivement mûri., et la précision de contrôle de la couche de revêtement a été améliorée au niveau sous nanomètre.De nouvelles technologies de revêtement telles que les métamatériaux et les revêtements intelligents ont progressivement été mises en application.

La Chine a réalisé de multiples percées dans le domaine haut de gamme:Le film Mo/Si à 40 couches développé par l'Institut d'optique et d'électronique de l'Académie chinoise des sciences a un taux de réflexion de 980,5%, ce qui permet la fabrication de puces nationales de 28 nm; le film à bande étroite de 905 nm de Crystal Optoelectronics occupe 70% du marché mondial, réduisant le coût des véhicules intelligents de 60%;Le film de conservation de la polarisation d'un seul photon développé par l'Université de science et technologie de Chine a une perte de transmission à l'état quantique inférieure à 0.1%, aidant le satellite "Moxi" à atteindre une distribution d'enchevêtrement de 1 000 km.La Chine a été à l'origine de la formulation de la "norme internationale pour la technologie de revêtement optique nano multicouche" (ISO 23618), réalisant une transformation d'un " suiveur " à un " standard setter ", marquant que la technologie de revêtement optique de la Chine est entrée dans les rangs avancés internationaux.le volume annuel des exportations de matériel de revêtement en Chine augmente de 25%, et la technologie est reverse-licencée en Europe et aux États-Unis, formant une chaîne industrielle complète.et la communication quantique augmente progressivement.

Avec le développement rapide des domaines émergents tels que l'IA, la technologie quantique, AR/VR, et la conduite autonome,La technologie du revêtement optique évolue de "couches optiques passives fonctionnelles" à "couches intelligentes"Les principales tendances peuvent être résumées en six directions:en tenant compte à la fois de la mise à niveau technologique et de l'expansion du scénario, pour pousser l'industrie photonique à un niveau de développement plus élevé.

L'IA et les technologies numériques redéfinissent l'ensemble du processus de revêtement optique, améliorant considérablement l'efficacité, la précision et le rendement de la conception,et devenir la force motrice centrale du développement futurLa conception traditionnelle de films multicouches repose sur l'expérience et les processus itératifs, qui prennent du temps et sont difficiles à optimiser globalement.Les modèles d'IA (tels que OptoGPT) peuvent rapidement traverser un grand nombre de combinaisons de matériaux et de paramètres d'épaisseur de filmLa conception d'un système de revêtement à faible perte et à seuil de dommages élevé permet de réaliser des revêtements complexes à large bande passante.Actuellement, la proportion de systèmes de revêtement non périodiques est passée à 67% et la capacité d'expansion du haut débit s'est améliorée de plus de 40% par rapport aux structures traditionnelles.

Dans le même temps, en intégrant l'apprentissage automatique aux technologies de surveillance en ligne (telles que la surveillance optique, la spectrométrie de masse et l'ellipsométrie),les retours en temps réel et les ajustements adaptatifs du processus de dépôt sont obtenus;Le rendement des filtres haut de gamme est significativement augmenté de 75% à 96,5%,et le cycle de production de la pièce unique a été raccourci de 30%L'application de la simulation virtuelle et de la technologie jumelle numérique peut prédire à l'avance la contrainte, l'adhérence et la stabilité environnementale de la couche de film, réduisant ainsi le coût des essais et erreurs.accélérer la transition de la recherche et du développement à la production de masse, et promouvoir la transition du revêtement optique de la "fabrication" à la "fabrication intelligente".

Le procédé PVD traditionnel a subi des itérations continues, et des technologies telles que le dépôt de couche atomique (ALD), la pulsation par pulsation magnétronique à haute puissance (HiPIMS),Les dépôts à l'aide d'ions (IAD) sont devenus le courant dominant dans la fabrication haut de gamme., réalisant des percées dans "la contrôlabilité au niveau atomique, l'uniformité de grande surface et les faibles taux de défauts".d'une épaisseur de contrôle atteignant 0Il convient pour des scénarios avec tolérance zéro pour les défauts tels que l'optique de haute précision, les dispositifs quantiques et la biosensibilisation,et devrait occuper 35% du marché des composants optiques de détection de semi-conducteurs haut de gamme d'ici 2026.

La pulsation magnétronique à haute puissance (HiPIMS) augmente l'énergie cinétique des particules pulsées de 10 à 100 fois, ce qui donne des films de contrainte denses, très adhésifs et contrôlables.Il offre à la fois une grande pureté et une grande capacité de production., réduisant progressivement l'écart de performance par rapport à l'évaporation par faisceau d'électrons.et la stabilité environnementale du film en introduisant des ions à haute énergieLes films antireflet traités avec IAD présentent une dérive de longueur d'onde centrale inférieure à 1 nm après un vieillissement de 1000 heures à 85°C/85% RH,ce qui en fait un procédé standard pour l'optique laser et les fenêtres infrarouges.