Pengenalan dan Klasifikasi Pelapis Optik

Dalam tampilan layar ponsel cerdas yang jelas, dalam gambar galaksi jauh yang ditangkap oleh teleskop astronomi, dan di ruang operasi laser yang presisi, sebuah "teknologi tak kasat mata" memainkan peran inti - yaitu lapisan optik. Ini adalah lapisan material ultra-tipis yang diendapkan pada permukaan substrat optik melalui proses khusus, biasanya hanya pada tingkat ketebalan nanometer, namun lapisan ini dapat secara tepat mengontrol pantulan, transmisi, penyerapan, dan sifat cahaya lainnya, sehingga memungkinkan perangkat optik untuk menerobos kemacetan kinerja. Aplikasi pelapisan optik ada di mana-mana, mulai dari barang konsumsi sehari-hari hingga bidang teknologi mutakhir. Artikel ini akan secara sistematis menafsirkan esensi lapisan optik dan fokus pada tiga produk inti: film anti-refleksi AR, film dan filter refleksi tinggi HR, mengungkap misteri teknis dan nilai penerapannya.

Pelapisan optik bukanlah suatu teknologi tunggal melainkan istilah umum untuk kategori proses pembentukan lapisan tipis pada permukaan substrat optik seperti kaca, plastik, dan logam melalui metode fisik atau kimia. Prinsip intinya didasarkan pada fenomena interferensi cahaya – ketika dua berkas cahaya dengan frekuensi yang sama dan beda fasa yang konstan bertemu, maka akan menghasilkan efek saling menguatkan (interferensi konstruktif) atau melemah (interferensi destruktif). Dengan merancang material, ketebalan, dan jumlah lapisan film secara tepat, para insinyur dapat memanfaatkan prinsip ini untuk mencapai kendali arah cahaya.

Proses pelapisan yang umum meliputi deposisi uap fisik (PVD) dan deposisi uap kimia (CVD). Diantaranya, proses PVD adalah yang paling banyak digunakan, meliputi penguapan vakum, sputtering magnetron dan metode lainnya. Ia dapat mengatomisasi bahan pelapis dan menyimpannya secara seragam di permukaan substrat dalam lingkungan vakum tinggi, memastikan kemurnian dan keseragaman film. Sebaliknya, proses CVD menghasilkan film melalui reaksi kimia dan lebih cocok untuk menyiapkan pelapis dengan fungsi khusus. Apa pun proses yang digunakan, terdapat persyaratan yang sangat tinggi untuk kebersihan lingkungan, pengendalian suhu, dan laju pengendapan. Penyimpangan sekecil apa pun dapat menyebabkan kegagalan kinerja pelapisan.

Perangkat optik yang belum menjalani perawatan pelapisan sering kali memiliki cacat yang nyata. Misalnya, permukaan kaca biasa memantulkan sekitar 4% hingga 5% cahaya tampak. Untuk kamera yang terdiri dari 10 lensa, hilangnya pantulan saja dapat mencegah lebih dari 40% cahaya mencapai sensor, sehingga menghasilkan gambar redup disertai silau parah. Munculnya lapisan optik justru untuk mengatasi masalah tersebut. Ini seperti mengenakan "pelindung kinerja" pada perangkat optik, membuat perambatan dan pemanfaatan cahaya lebih sesuai dengan kebutuhan sebenarnya.

Lapisan Anti-Reflektif AR adalah lapisan optik yang paling dekat dengan kehidupan sehari-hari. Fungsi intinya adalah untuk mengurangi cahaya yang dipantulkan pada permukaan optik sekaligus memaksimalkan transmisi cahaya. Kacamata miopia yang kita pakai, layar ponsel, dan lensa kamera kita hampir semuanya mengandalkan dukungannya.

Prinsip kerja lapisan anti-pantulan AR adalah penerapan khas interferensi pembatalan. Biasanya terdiri dari bahan dielektrik satu atau multi-lapisan, yang paling umum adalah silikon dioksida, magnesium fluorida, dll. Insinyur akan secara tepat mengontrol ketebalan lapisan film pada seperempat panjang gelombang cahaya target. Ketika cahaya menyinari permukaan lapisan film, sebagian cahaya akan dipantulkan dari permukaan atas lapisan film, sedangkan sebagian lainnya akan menembus lapisan film dan dipantulkan dari antarmuka antara lapisan film dan substrat. Perbedaan jalur optik antara dua berkas cahaya yang dipantulkan ini persis setengah panjang gelombangnya, dan fasenya sangat berlawanan. Saat keduanya bertemu, keduanya akan saling menghilangkan, sehingga mengurangi reflektifitas secara signifikan.

Lapisan anti-pantulan AR awal sebagian besar merupakan struktur lapisan tunggal dan hanya dapat mencapai efek anti-pantulan pada panjang gelombang tertentu, dengan rentang aplikasi terbatas. Film anti-refleksi AR modern telah berkembang menjadi struktur komposit multi-lapis. Dengan melapisi lapisan film dengan bahan dan ketebalan berbeda, reflektifitas dapat dikurangi hingga kurang dari 1% dan transmisi cahaya dapat ditingkatkan hingga lebih dari 95% di seluruh spektrum cahaya tampak (400-700nm). Beberapa film AR kelas atas juga menambahkan lapisan hidrofobik dan oleofobik, yang tidak hanya mengurangi pantulan tetapi juga mencegah sidik jari dan noda, sehingga menjadi teknologi "standar" untuk layar ponsel cerdas.

Nilai film anti-refleksi AR ditunjukkan sepenuhnya di berbagai bidang. Dalam industri fotovoltaik, film AR pada permukaan panel surya dapat meningkatkan transmisi cahaya sebesar 5% hingga 10%, yang secara langsung berarti peningkatan efisiensi pembangkit listrik, yang sangat penting dalam pemanfaatan energi baru. Di bidang kedirgantaraan, film AR pada kaca depan pesawat dapat mengurangi gangguan pantulan sinar matahari pada penglihatan pilot dan meningkatkan keselamatan penerbangan. Pada peralatan medis, film AR pada lensa endoskopi memungkinkan dokter memperoleh gambaran internal yang lebih jelas, sehingga memberikan jaminan diagnosis yang tepat.

Bertentangan dengan fungsi "anti-pantulan" dari Lapisan anti-pantulan AR, peran inti lapisan HR High-Reflective adalah memaksimalkan reflektifitas permukaan optik, bahkan mencapai efek pantulan lebih dari 99%, jauh melebihi kapasitas pantulan cermin logam biasa. Oleh karena itu, ini banyak digunakan dalam skenario yang memerlukan pantulan cahaya yang presisi.

Prinsip kerja film refleksi tinggi HR didasarkan pada interferensi timbal balik, dan strukturnya biasanya merupakan superposisi bergantian dari "bahan indeks bias tinggi + bahan indeks bias rendah". Ketika cahaya menyinari sistem lapisan film, cahaya yang dipantulkan dari setiap lapisan akan saling menguatkan karena fase yang konsisten, sehingga membentuk efek pemantulan yang sangat kuat. Jumlah lapisan film secara langsung menentukan kinerja refleksi - sistem film dengan sekitar 10 lapisan dapat mencapai tingkat refleksi lebih dari 95%, sedangkan sistem film presisi tinggi dengan lebih dari 30 lapisan dapat melebihi tingkat refleksi 99,9%. Dibandingkan dengan lapisan reflektif logam tradisional seperti film aluminium dan film perak, film reflektifitas tinggi HR tidak hanya memiliki reflektifitas yang lebih tinggi tetapi juga menghindari cacat pada bahan logam seperti mudahnya oksidasi dan penyerapan energi cahaya. Ia berkinerja sangat baik pada pita inframerah dan ultraviolet.

Teknologi laser adalah skenario aplikasi inti film HR dengan reflektifitas tinggi. Rongga resonansi laser memerlukan sepasang cermin reflektor tinggi untuk mencapai refleksi bolak-balik dan amplifikasi cahaya. Salah satu cermin menggunakan film reflektor tinggi HR untuk mencapai refleksi hampir 100%, sementara cermin lainnya menggunakan film reflektor parsial untuk mengeluarkan sinar laser. Tanpa kontrol yang tepat terhadap film HR dengan reflektifitas tinggi, laser tidak dapat menghasilkan keluaran energi yang stabil, dan teknologi seperti pemotongan industri, laser medis, dan lidar tidak akan mungkin dilakukan.

Di bidang observasi astronomi, film HR dengan reflektifitas tinggi juga sangat diperlukan. Cermin utama Teleskop Luar Angkasa Hubble mengadopsi sistem film HR multi-lapis, yang secara efisien dapat memantulkan cahaya redup benda langit yang jauh dan membantu manusia menangkap gambar galaksi yang jaraknya miliaran tahun cahaya. Di bidang pencahayaan, setelah cangkir reflektor lampu LED diberi lapisan HR, lampu tersebut dapat memusatkan cahaya dan memancarkannya ke arah tertentu, sehingga secara signifikan meningkatkan efisiensi pencahayaan dan mengurangi pemborosan energi. Selain itu, pada peralatan seperti proyektor dan penerangan panggung, film HR dengan reflektifitas tinggi juga memainkan peran penting dalam memandu cahaya.

Jika film AR dan film HR adalah "pengaturan komprehensif" cahaya, maka filter adalah "filter presisi" cahaya - filter dapat secara selektif membiarkan cahaya dengan panjang gelombang tertentu melewatinya sambil menghalangi cahaya dengan panjang gelombang lain, sehingga memenuhi kebutuhan ekstraksi sinyal cahaya dalam berbagai skenario. Menurut metode penyaringan yang berbeda, filter dapat diklasifikasikan ke dalam jenis penyerapan, jenis interferensi dan jenis polarisasi, dll. Diantaranya, filter jenis interferensi telah menjadi arus utama dalam aplikasi industri karena presisi tinggi dan kinerjanya yang stabil.

Prinsip kerja filter interferensi mirip dengan film AR dan HR, keduanya didasarkan pada fenomena interferensi cahaya, namun strukturnya lebih kompleks. Ia secara tepat mengontrol interferensi konstruktif dan destruktif cahaya dengan panjang gelombang berbeda dengan melapiskan lusinan atau bahkan ratusan lapisan film dielektrik, sehingga mencapai "pelepasan" panjang gelombang target dan "intersepsi" panjang gelombang interferensi. Misalnya, filter pita sempit yang umum hanya dapat melewati panjang gelombang tertentu (seperti lampu merah 650nm), dengan bandwidth yang dikontrol dalam beberapa nanometer, yang setara dengan memasang "kacamata monokromatik" pada sistem optik.

Di bidang pencitraan digital, filter merupakan inti dari pencitraan warna. Sensor gambar pada ponsel pintar dan kamera sendiri tidak dapat membedakan warna cahaya yang berbeda. Hal ini harus dicapai melalui susunan filter warna (CFA) yang menutupi permukaan sensor - susunan ini terdiri dari sejumlah besar unit filter merah, hijau, dan biru, yang masing-masing menyaring cahaya dengan panjang gelombang yang sesuai dan kemudian mensintesis gambar berwarna melalui algoritma. Selain itu, filter UV yang biasa digunakan pada lensa kamera dapat menghalangi sinar ultraviolet dan mencegah gambar tampak berkabut. Filter pemutus inframerah dapat menyaring cahaya inframerah untuk memastikan keakuratan reproduksi warna.

Di bidang diagnosis medis, kemampuan penyaringan filter yang tepat memainkan peran penting. Detektor glukosa darah dapat mengidentifikasi sinyal cahaya yang dihasilkan oleh reaksi antara glukosa dalam darah dan reagen uji melalui filter dengan panjang gelombang tertentu, sehingga mencapai pengukuran kadar glukosa darah dengan cepat. Mikroskop fluoresensi menggunakan filter untuk memisahkan cahaya eksitasi dari sinyal fluoresensi, memungkinkan peneliti mengamati dengan jelas zat berlabel fluoresensi di dalam sel. Dalam pemantauan lingkungan, alat pendeteksi gas dapat secara akurat mendeteksi konsentrasi polutan di udara dengan menyaring karakteristik panjang gelombang serapan gas target melalui filter. Di bidang keamanan, filter inframerah dapat digunakan bersama dengan kamera night vision untuk menangkap gambar inframerah yang jelas di lingkungan gelap.

Dengan berkembangnya teknologi, teknologi pelapisan optik bergerak ke arah "lebih tipis, lebih cerdas, dan serba guna". Di bidang elektronik fleksibel, teknologi pelapisan fleksibel ultra tipis telah mencapai terobosan dan dapat diterapkan pada kaca fleksibel ponsel layar lipat. Ini tidak hanya mempertahankan kinerja anti transmisi dan anti gores tetapi juga dapat beradaptasi dengan pembengkokan berulang. Di bidang regulasi cerdas, produk baru seperti pelapisan elektrokromik dan pelapisan termokromik telah muncul. Mereka dapat secara dinamis menyesuaikan transmisi atau pantulan cahaya berdasarkan sinyal eksternal dan dapat diterapkan pada skenario seperti jendela mobil pintar dan kacamata adaptif di masa depan.

Sementara itu, dalam aplikasi lingkungan yang ekstrim, kinerja pelapis optik juga terus ditingkatkan. Menanggapi tuntutan eksplorasi ruang angkasa, lapisan khusus yang tahan terhadap radiasi dan suhu tinggi telah diterapkan pada peralatan optik wahana Mars. Untuk eksplorasi laut dalam, lapisan tahan tekanan tinggi dan tahan korosi memastikan pengoperasian kamera bawah air yang stabil. Selain itu, dengan perkembangan nanoteknologi, pelapisan baru berdasarkan graphene dan bahan dua dimensi menjadi pusat penelitian, dan diharapkan dapat mencapai kinerja optik yang lebih baik dan skenario aplikasi yang lebih luas.

Dari kebutuhan sehari-hari hingga teknologi mutakhir, lapisan optik, dengan kemampuan pengaturan cahaya yang tepat, telah menjadi pendukung inti teknologi optik modern. Film anti-refleksi AR membuat bidang penglihatan kita lebih jelas, film refleksi tinggi HR membuat pemanfaatan cahaya lebih efisien, dan filter membuat ekstraksi sinyal cahaya lebih akurat. Dengan kemajuan teknologi yang berkelanjutan, "film tak kasat mata" ini akan menciptakan nilai di lebih banyak bidang dan menyediakan alat yang lebih canggih bagi umat manusia untuk menjelajahi dunia cahaya.