Teknologi Pelapisan Optik: Pengenalan, Perkembangan dan Tren Masa Depan 

Teknologi Pelapisan Optik: Pengantar, Perkembangan, dan Tren Masa Depan

Teknologi pelapisan optik adalah teknologi inti yang mengintegrasikan berbagai disiplin ilmu seperti ilmu material, fisika vakum, dan teknik optik. Dengan mengendapkan satu atau lebih lapisan film pada permukaan komponen optik, teknologi ini secara presisi mengatur pantulan, transmisi, penyerapan, polarisasi, dll. cahaya, sehingga meningkatkan kinerja sistem optik dan memperluas skenario aplikasinya. Dari barang sehari-hari seperti kacamata dan kamera ponsel, hingga peralatan laser kelas atas, wahana antariksa, dan perangkat komunikasi kuantum, teknologi pelapisan optik memainkan peran yang tak tergantikan dan merupakan "fondasi inti" industri optoelektronik modern.

Pelapisan optik mengacu pada proses pengendapan satu lapisan (atau beberapa lapisan) film logam, medium, atau komposit pada permukaan komponen optik melalui metode fisik atau kimia. Tujuan utama dari proses ini adalah untuk memodifikasi sifat optik permukaan material agar memenuhi persyaratan penggunaan di berbagai skenario. Sederhananya, pelapisan optik seperti "memakaikan mantel khusus" pada komponen optik. "Mantel" ini tipis (dengan ketebalan biasanya berkisar dari nanometer hingga mikrometer), tetapi dapat mencapai tiga fungsi inti: pertama, mengurangi kehilangan pantulan cahaya dan meningkatkan transmisi komponen optik (seperti lapisan anti-pantulan pada lensa kacamata); kedua, meningkatkan kemampuan pantulan cahaya dan menyiapkan cermin pantulan tinggi (seperti pelat lensa di resonator laser); ketiga, mewujudkan fungsi khusus seperti pemisahan, penyaringan, dan polarisasi cahaya (seperti lapisan filter pada lensa kamera dan lapisan polarisasi pada kacamata AR).

Prinsip inti pelapisan optik didasarkan pada efek interferensi cahaya. Ketika cahaya jatuh pada permukaan film, ia akan mengalami pantulan dan transmisi berulang kali pada permukaan atas dan bawah lapisan film, membentuk interferensi multi-sinar. Dengan mengontrol indeks bias, ketebalan, dan jumlah lapisan film secara presisi, superposisi atau pembatalan cahaya pantulan dan cahaya yang ditransmisikan dapat dicapai, sehingga mencapai efek optik yang diharapkan. Misalnya, film anti-pantulan mencapainya dengan merancang satu atau beberapa lapisan film medium dengan ketebalan tertentu, memungkinkan cahaya pantulan saling membatalkan, sehingga lebih banyak cahaya dapat melewati komponen; sebaliknya, film pantulan tinggi mencapainya melalui superposisi beberapa lapisan film, membuat cahaya pantulan saling menguatkan, mencapai reflektivitas yang sangat tinggi.

Menurut prinsip dasar elektromagnetisme, reflektivitas dan transmisivitas cahaya dapat dihitung menggunakan rumus. Ketika lapisan udara (dengan indeks bias 1,0), lapisan (seperti medium dengan indeks bias 1,5) dan kaca (dengan indeks bias 1,8) membentuk struktur yang tumpang tindih, transmisivitas dapat meningkat dari sekitar 85% tanpa lapisan menjadi lebih dari 91%, sepenuhnya menunjukkan nilai inti pelapisan optik.

Menurut fungsinya, lapisan optik dapat diklasifikasikan menjadi empat kategori utama: Pertama adalah lapisan anti-pantulan (juga dikenal sebagai lapisan pengurangan pantulan), yang digunakan untuk mengurangi pantulan permukaan dan meningkatkan transmisi, dan banyak diterapkan pada kacamata, lensa kamera, jendela optik, dll.; Kedua adalah lapisan pantulan tinggi, yang digunakan untuk meningkatkan pantulan cahaya dan diterapkan pada reflektor laser, reflektor surya, dll.; Ketiga adalah lapisan filter, yang digunakan untuk menyaring panjang gelombang cahaya tertentu, seperti lapisan filter inframerah dan lapisan filter ultraviolet, dan diterapkan pada pemantauan keamanan, pencitraan medis, dll.; Keempat adalah lapisan fungsi khusus, seperti lapisan polarisasi, lapisan konduktif, lapisan pembersih mandiri, dll., yang cocok untuk skenario baru seperti AR/VR dan optik otomotif.

Menurut klasifikasi proses persiapan, teknologi utama dapat dibagi menjadi dua kategori besar: deposisi uap fisik (PVD) dan deposisi uap kimia (CVD). Di antaranya, teknologi PVD paling banyak digunakan, terutama meliputi: evaporasi berkas elektron, sputtering magnetron, dan deposisi berbantuan ion (IAD), dll. Evaporasi berkas elektron mengendapkan material dengan membombardir target dengan berkas elektron berenergi tinggi, yang memiliki keunggulan kemurnian tinggi dan presisi tinggi, sehingga cocok untuk komponen optik presisi kelas atas; sputtering magnetron mencapai deposisi dengan membombardir target dengan ion plasma, yang memiliki keunggulan lapisan film padat dan keseragaman yang baik, sehingga cocok untuk produksi skala besar; deposisi berbantuan ion meningkatkan struktur lapisan film dengan memperkenalkan ion berenergi tinggi, meningkatkan kepadatan dan stabilitas lapisan film, dan dapat mencapai pelapisan berkualitas tinggi pada suhu kamar, cocok untuk substrat khusus seperti plastik.

Pemilihan material pelapis optik secara langsung menentukan kinerja lapisan pelapis. Material yang umum digunakan terutama dapat diklasifikasikan menjadi tiga kategori: Pertama, material dielektrik, seperti silikon dioksida (SiO₂), titanium dioksida (TiO₂), zirkonium dioksida (ZrO₂), magnesium fluorida (MgF₂), dll. Material ini memiliki transmisi cahaya yang baik dan indeks bias yang dapat disesuaikan, dan merupakan material inti untuk film anti-pantulan, film pantulan tinggi, dan film filter. Di antaranya, magnesium fluorida dapat meningkatkan transmisi, silikon dioksida memiliki kekerasan tinggi dan stabilitas kimia yang baik, dan zirkonium dioksida memiliki indeks bias tinggi dan ketahanan suhu tinggi; kedua, material logam, seperti aluminium, perak, emas, dll., yang terutama digunakan untuk menyiapkan film pantulan tinggi dan film konduktif. Tingkat pantulan sebagian besar logam dapat mencapai 78% hingga 98%, dan dapat ditingkatkan lebih lanjut hingga lebih dari 99% melalui pelapisan, memenuhi persyaratan optik kelas atas; ketiga, material komposit dan baru, seperti nanopartikel, titik kuantum, kaca kalkogenida, dll., yang digunakan untuk menyiapkan film komposit multifungsi dan film fungsional khusus, beradaptasi dengan lingkungan ekstrem dan skenario baru.

Sejarah perkembangan teknologi pelapisan optik adalah perjalanan dari "eksplorasi empiris" menjadi "kontrol presisi", dari "fungsi tunggal" menjadi "integrasi multi-fungsi", dan dari "tertinggal" menjadi "memimpin". Ini dapat dibagi menjadi empat tahap, mencakup hampir dua abad, dan sangat terukir dengan jejak perkembangan teknologi Tiongkok.

Pada tahun 1835, ahli kimia Jerman Liebig menemukan reaksi cermin perak, berhasil mengendapkan film logam secara terkontrol untuk pertama kalinya, sehingga memulai teknologi pelapisan optik. Selama periode ini, teknologi pelapisan terutama mengandalkan operasi manual dan persiapan film logam sederhana, dengan skenario aplikasi terbatas, hanya digunakan untuk produksi reflektor sederhana. Pada tahun 1930-an, fisikawan Inggris Ball adalah yang pertama menyiapkan film anti-pantulan magnesium fluorida satu lapis, meningkatkan transmisi lensa dari 80% menjadi 95%, meletakkan dasar teoritis untuk pelapisan optik dan menandai transisi dari "operasi empiris" menjadi "panduan teoretis" untuk teknologi pelapisan. Selama tahap ini, teknologi pelapisan Tiongkok hampir tidak ada, dan hanya beberapa institusi yang dapat melapisi reflektor sederhana secara manual, dengan teknologi inti dimonopoli oleh negara-negara Eropa dan Amerika.

Dengan perkembangan awal instrumen optik dan teknologi laser, teknologi pelapisan optik memasuki tahap pengembangan sistematis. Terobosan inti berfokus pada peralatan pelapisan vakum dan teknologi film berlapis. Pada tahun 1951, Wang Daheng mendirikan laboratorium optik pertama di Tiongkok Baru di Changchun, menggunakan peralatan sederhana untuk mengembangkan film anti-pantulan buatan dalam negeri pertama, mengakhiri sejarah Tiongkok "tidak ada film yang tersedia" dan membuka jalan bagi eksplorasi independen Tiongkok terhadap teknologi pelapisan optik. Pada tahun 1958, Institut Optik, Mekanika Halus dan Fisika Changchun mengembangkan mesin pelapis vakum pertama Tiongkok, mencapai produksi massal film dielektrik berlapis; pada tahun 1965, Institut Optik dan Mekanika Halus Shanghai mengembangkan film pantulan tinggi untuk fusi nuklir laser, dengan tingkat pantulan 99,9%, meletakkan dasar inti untuk perangkat "Shen Guang". Selama periode ini, secara internasional, produksi massal film berlapis secara bertahap terealisasi, dengan akurasi kontrol ketebalan lapisan film meningkat hingga tingkat nanometer. Proses pelapisan berevolusi dari evaporasi termal ke evaporasi berkas elektron dan sputtering magnetron, dan skenario aplikasi meluas ke laser, kedirgantaraan, dan bidang lainnya. Namun, teknologi Tiongkok masih tertinggal sekitar 20 tahun dari tingkat internasional, terutama mengandalkan imitasi dan mengejar.

Dengan pesatnya perkembangan industri optoelektronik global, teknologi pelapisan optik telah memasuki tahap pengembangan "presisi tinggi, skala besar, dan diversifikasi". Tiongkok telah memasuki periode pengejaran yang pesat. Selama periode ini, proses seperti sputtering magnetron dan deposisi berbantuan ion di komunitas internasional secara bertahap matang, mencapai pelapisan area luas dan sangat seragam, cocok untuk skenario skala besar seperti fotovoltaik dan panel tampilan; desain sistem film berevolusi dari struktur periodik sederhana menjadi struktur non-periodik yang kompleks, dan sistem film berkinerja tinggi seperti film anti-pantulan pita lebar dan film filter pita sempit secara bertahap menjadi umum.

Selama periode ini, Tiongkok mencapai beberapa terobosan kunci: Universitas Zhejiang mengatasi teknologi pemurnian zirkonium dioksida (ZrO₂), mengurangi biaya material pelapis domestik sebesar 70%; mesin pelapis KAI-400 yang dikembangkan oleh Institut Kedua Grup Perusahaan Teknologi Elektronik Tiongkok memiliki tingkat vakum 10⁻⁶Pa, mendekati tingkat internasional yang maju; Fuyao Glass memperkenalkan teknologi pelapisan Low-E dan kemudian menyerap dan memanfaatkannya, merumuskan standar pelapisan kaca bangunan Tiongkok, memecahkan monopoli asing. Pada tahun 2008, struktur membran "Sarang Burung" untuk Olimpiade Beijing menggunakan pelapisan PTFE domestik, dengan daya tahan 30 tahun, menunjukkan kecepatan pengejaran Tiongkok dalam teknologi pelapisan kepada dunia. Pada saat yang sama, Tiongkok secara bertahap mencapai substitusi domestik peralatan dan material pelapisan, mengurangi ketergantungannya pada impor, dan aplikasinya mencakup elektronik konsumen, konstruksi, laser, dan bidang lainnya, secara bertahap mempersempit kesenjangan dengan tingkat internasional yang maju.

Pada awal tahun 2010-an abad ke-21, dengan terobosan dalam teknologi optoelektronik canggih, teknologi kuantum, dan teknologi kedirgantaraan, teknologi pelapisan optik memasuki tahap baru "presisi tingkat atom, integrasi multi-fungsi, dan persaingan global". Tiongkok secara bertahap mencapai transformasi dari "mengikuti" menjadi "memimpin". Secara internasional, proses canggih seperti deposisi lapisan atom (ALD) dan sputtering magnetron pulsa daya tinggi (HiPIMS) secara bertahap matang, dan akurasi kontrol lapisan pelapis telah ditingkatkan ke tingkat sub-nanometer. Teknologi pelapisan baru seperti metamaterial dan lapisan responsif cerdas secara bertahap memasuki tahap aplikasi.

Tiongkok telah mencapai berbagai terobosan di bidang kelas atas: Film Mo/Si 40 lapis yang dikembangkan oleh Institut Optik dan Elektronika Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok memiliki tingkat pantulan 98,5%, yang mendukung pembuatan chip domestik 28nm; film pita sempit 905nm Crystal Optoelectronics menempati 70% pangsa pasar global, mengurangi biaya kendaraan cerdas sebesar 60%; film pelestari polarisasi foton tunggal yang dikembangkan oleh University of Science and Technology of China memiliki kehilangan transmisi keadaan kuantum kurang dari 0,1%, membantu satelit "Moxi" mencapai distribusi keterikatan 1.000 kilometer. Pada tahun 2023, Tiongkok memimpin perumusan "Standar Internasional untuk Teknologi Pelapisan Optik Nano Multilapis" (ISO 23618), mencapai transformasi dari "pengikut" menjadi "pembuat standar", menandakan bahwa teknologi pelapisan optik Tiongkok telah memasuki jajaran internasional yang maju. Saat ini, volume ekspor tahunan peralatan pelapisan di Tiongkok meningkat sebesar 25%, dan teknologinya dilisensikan kembali ke Eropa dan Amerika Serikat, membentuk rantai industri yang lengkap. Pangsa pasarnya di bidang-bidang seperti elektronik konsumen, optik otomotif, dan komunikasi kuantum terus meningkat.

Dengan pesatnya perkembangan bidang-bidang baru seperti AI, teknologi kuantum, AR/VR, dan kemudi otonom, teknologi pelapisan optik berevolusi dari "lapisan fungsional optik pasif" menjadi sistem kontrol fotonik aktif "cerdas, presisi, hijau, dan terintegrasi multi-fungsi". Tren inti dapat diringkas menjadi enam arah, dengan mempertimbangkan peningkatan teknologi dan perluasan skenario, untuk mendorong industri fotonik ke tingkat pengembangan yang lebih tinggi.

AI dan teknologi digital mendefinisikan ulang seluruh proses pelapisan optik, secara signifikan meningkatkan efisiensi desain, akurasi, dan hasil, serta menjadi kekuatan pendorong inti untuk pengembangan di masa depan. Desain film berlapis tradisional bergantung pada pengalaman dan proses iteratif, yang memakan waktu dan sulit untuk mencapai optimalitas global. Namun, model AI (seperti OptoGPT) dapat dengan cepat menjelajahi berbagai kombinasi material dan parameter ketebalan film, menyelesaikan proses optimasi yang memakan waktu berbulan-bulan dalam beberapa jam saja. Hal ini memungkinkan desain sistem pelapisan multi-pita lebar yang kompleks, kehilangan rendah, dan ambang batas kerusakan tinggi. Saat ini, proporsi sistem pelapisan non-periodik telah meningkat menjadi 67%, dan kemampuan ekspansi pita lebar telah meningkat lebih dari 40% dibandingkan dengan struktur tradisional.

Pada saat yang sama, dengan mengintegrasikan pembelajaran mesin dengan teknologi pemantauan online (seperti pemantauan optik, spektrometri massa, dan elipsometri), umpan balik waktu nyata dan penyesuaian adaptif dari proses deposisi dicapai, memungkinkan akurasi kontrol ketebalan film didorong dari tingkat nanometer ke tingkat sub-nanometer. Hasil filter kelas atas telah meningkat secara signifikan dari 75% menjadi 96,5%, dan siklus produksi per unit telah dipersingkat sebesar 30%. Penerapan teknologi simulasi virtual dan kembaran digital dapat memprediksi tegangan, adhesi, dan stabilitas lingkungan lapisan film sebelumnya, mengurangi biaya percobaan dan kesalahan, mempercepat transformasi dari penelitian dan pengembangan ke produksi massal, dan mempromosikan transisi pelapisan optik dari "manufaktur" menjadi "manufaktur cerdas".

Proses PVD tradisional telah mengalami iterasi berkelanjutan, dan teknologi seperti deposisi lapisan atom (ALD), sputtering magnetron pulsa daya tinggi (HiPIMS), dan deposisi berbantuan ion (IAD) telah menjadi arus utama dalam manufaktur kelas atas, mencapai terobosan dalam "kontrol tingkat atom, keseragaman area luas, dan tingkat cacat rendah". Deposisi lapisan atom (ALD) secara presisi menumbuhkan lapisan atom tunggal, dengan kontrol ketebalan mencapai tingkat 0,1nm, dan kepadatan mendekati nilai teoritis. Ini cocok untuk skenario dengan toleransi nol terhadap cacat seperti optik ultra-presisi, perangkat kuantum, dan biosensor, dan diharapkan menempati 35% pangsa pasar komponen optik deteksi semikonduktor kelas atas pada tahun 2026.

Sputtering magnetron pulsa daya tinggi (HiPIMS) meningkatkan energi kinetik partikel yang terpercik 10 hingga 100 kali lipat, menghasilkan film yang padat, sangat melekat, dan dapat dikontrol tegangannya. Ini menawarkan kemurnian tinggi dan kapasitas produksi tinggi, secara bertahap mempersempit kesenjangan kinerja dibandingkan dengan evaporasi berkas elektron. Deposisi berbantuan ion (IAD) secara signifikan meningkatkan kepadatan, kekerasan, dan stabilitas lingkungan film dengan memperkenalkan ion berenergi tinggi. Film anti-pantulan yang diperlakukan dengan IAD menunjukkan pergeseran panjang gelombang pusat kurang dari 1 nm setelah penuaan selama 1000 jam pada 85°C/85% RH, menjadikannya proses standar untuk optik laser dan jendela inframerah.