Tecnologia dei rivestimenti ottici: introduzione, sviluppo e tendenze future

Tecnologia del rivestimento ottico: introduzione, sviluppo e tendenze future

La tecnologia di rivestimento ottico è una tecnologia di base che integra più discipline come la scienza dei materiali, la fisica del vuoto e l'ingegneria ottica.Con depositi di uno o più strati di film sulla superficie dei componenti ottici, regola con precisione il riflesso, la trasmissione, l'assorbimento, la polarizzazione, ecc. della luce, migliorando così le prestazioni dei sistemi ottici e ampliando i loro scenari di applicazione.Da oggetti di uso quotidiano come occhiali e telecamere per cellulariLa tecnologia del rivestimento ottico svolge un ruolo insostituibile ed è il "fondamento fondamentale" delle moderne industrie optoelettroniche..

Il rivestimento ottico si riferisce al processo di deposito di uno strato (o più strati) di film metallici, medi o compositi sulla superficie dei componenti ottici mediante metodi fisici o chimici.Lo scopo principale di questo processo è quello di modificare le proprietà ottiche della superficie del materiale per soddisfare i requisiti di utilizzo di diversi scenariIn termini semplici, il rivestimento ottico è come "mettere un rivestimento speciale" su componenti ottici.ma può raggiungere tre funzioni fondamentali: in primo luogo, riduce la perdita di riflessione della luce e migliora la trasmittanza dei componenti ottici (come i rivestimenti antiriflesso sulle lenti degli occhiali); in secondo luogo,migliora la capacità di riflessione della luce e prepara specchi ad alto riflesso (come le piastre delle lenti nei risonatori laser)In terzo luogo, realizza funzioni speciali come la scissione, il filtraggio e la polarizzazione della luce (come i rivestimenti filtranti sulle lenti della fotocamera e i rivestimenti di polarizzazione sugli occhiali AR).

Il principio fondamentale del rivestimento ottico si basa sull'effetto di interferenza della luce.subirà riflessioni e trasmissioni multiple sulle superfici superiore e inferiore dello strato di pellicolaControllando con precisione l'indice di rifrazione, lo spessore e il numero di strati dello strato di pellicolala sovrapposizione o cancellazione della luce riflessa e della luce trasmessa può essere ottenuta, ottenendo così l'effetto ottico atteso, ad esempio mediante la progettazione di film antiriflesso a strati singoli o multipli di film medi di spessore specifico,permettendo alla luce riflessa di annullare l'altra, permettendo un maggiore passaggio di luce attraverso il componente; le pellicole ad alto riflesso, invece, lo fanno sovrapponendo più strati di pellicole,rendendo la luce riflessa reciprocamente potenziata, raggiungendo una riflettività estremamente elevata.

Secondo i principi fondamentali dell'elettromagnetismo, la riflettività e la trasmissività della luce possono essere calcolate utilizzando formule.un rivestimento (come un mezzo con indice di rifrazione di 1.5) e il vetro (con indice di rifrazione 1,8) formano una struttura sovrapposta, la trasmissività può aumentare da circa l'85% senza rivestimento a oltre il 91%,dimostrare pienamente il valore fondamentale del rivestimento ottico.

In base alle loro funzioni, i rivestimenti ottici possono essere classificati in quattro categorie principali:con una lunghezza massima di 20 mm o più ma non superiore a 50 mm, e sono ampiamente applicati in occhiali, lenti per fotocamere, finestre ottiche, ecc.; il secondo sono i rivestimenti ad alto riflesso, che vengono utilizzati per migliorare il riflesso della luce e sono applicati nei riflettori laser,riflettori solari, ecc.; il terzo è costituito da rivestimenti filtranti, utilizzati per filtrare lunghezze d'onda specifiche di luce, come i rivestimenti filtranti a infrarossi e i rivestimenti filtranti ad ultraviolette, e utilizzati nel monitoraggio della sicurezza,Imaging medico, ecc.; il quarto è costituito da rivestimenti per funzioni speciali, quali rivestimenti polarizzanti, rivestimenti conduttivi, rivestimenti auto-puliti, ecc.;che sono adatti a scenari emergenti come AR/VR e ottica automobilistica.

Secondo la classificazione del processo di preparazione, le tecnologie tradizionali possono essere suddivise in due categorie principali: deposizione fisica di vapore (PVD) e deposizione chimica di vapore (CVD).Tra questi:, la tecnologia PVD è la più utilizzata, comprendente principalmente: evaporazione del fascio elettronico, sputtering magnetronico e deposizione assistita dagli ioni (IAD), ecc.L'evaporazione del raggio di elettroni deposita il materiale bombardando l'obiettivo con raggi di elettroni ad alta energia, che ha i vantaggi di alta purezza e precisione, rendendolo adatto a componenti ottici di alta precisione;Lo sputtering magnetron ottiene la deposizione bombardando l'obiettivo con ioni plasmatici, che ha il vantaggio di uno strato di pellicola denso e di una buona uniformità, che lo rende adatto alla produzione su larga scala;la deposizione assistita dagli ioni migliora la struttura dello strato di pellicola introducendo ioni ad alta energia, migliorando la densità e la stabilità dello strato di pellicola, e può ottenere un rivestimento di alta qualità a temperatura ambiente, adatto a substrati speciali come le materie plastiche.

La selezione dei materiali di rivestimento ottico determina direttamente le prestazioni dello strato di rivestimento.ci sono materiali dielettrici, come il biossido di silicio (SiO2), il biossido di titanio (TiO2), l'ossido di zirconio (ZrO2), il fluoruro di magnesio (MgF2), ecc. Questi materiali hanno una buona trasmissione della luce e indici di rifrazione regolabili,e sono i materiali di base per le pellicole antiriflessiveTra questi, il fluoruro di magnesio può aumentare la trasmissibilità, il biossido di silicio ha un'elevata durezza e una buona stabilità chimica,e l'ossido di zirconio ha un elevato indice di rifrazione e una resistenza alle alte temperatureIn secondo luogo, ci sono materiali metallici, quali alluminio, argento, oro, ecc., che sono utilizzati principalmente per la preparazione di pellicole ad alto riflesso e pellicole conduttive.Il tasso di riflessione della maggior parte dei metalli può raggiungere il 78% al 98%, e può essere ulteriormente aumentata fino a superare il 99% mediante rivestimento, soddisfacendo i requisiti dell'ottica di fascia alta;vetro a calcogenuro, ecc., che sono utilizzati per la preparazione di pellicole composite multifunzionali e pellicole funzionali speciali, adattabili a ambienti estremi e scenari emergenti.

La storia dello sviluppo della tecnologia di rivestimento ottico è un viaggio dall'esplorazione empirica al controllo preciso, dalla funzione singola all'integrazione multifunzionale.e da "in ritardo" a "primo piano"Si può suddividere in quattro fasi, che coprono quasi due secoli, e sono profondamente improntate dalle impronte dello sviluppo tecnologico cinese.

Nel 1835, il chimico tedesco Liebig inventò la reazione dello specchio d'argento, ottenendo per la prima volta la deposizione controllata di film metallici, dando così inizio alla tecnologia di rivestimento ottico.Durante questo periodo, la tecnologia di rivestimento si basava principalmente su operazioni manuali e semplice preparazione di pellicole metalliche, con scenari di applicazione limitati, utilizzati solo per la produzione di riflettori semplici.Il fisico britannico Ball fu il primo a preparare una pellicola antiriflesso a fluoruro di magnesio a strato singolo, aumentando la trasmissibilità della lente dall'80% al 95%,che stabilisce le basi teoriche per il rivestimento ottico e segna il passaggio da "operazione empirica" a "guida teorica" per la tecnologia di rivestimentoDurante questa fase, la tecnologia di rivestimento cinese era quasi inesistente, e solo poche istituzioni potevano rivestire manualmente semplici riflettori.con la tecnologia di base monopolizzata dai paesi europei e americani.

Con lo sviluppo iniziale degli strumenti ottici e della tecnologia laser, la tecnologia del rivestimento ottico è entrata in una fase di sviluppo sistematico.Le principali innovazioni si sono concentrate sulle attrezzature per il rivestimento a vuoto e sulla tecnologia dei film multicapaNel 1951, Wang Daheng ha fondato il primo laboratorio ottico della Nuova Cina a Changchun, utilizzando semplici attrezzature per sviluppare la prima pellicola antiriflesso di produzione nazionale,chiudere la storia della Cina di "non avere film disponibili" e aprire la strada all'esplorazione indipendente della Cina della tecnologia di rivestimento otticoNel 1958, l'Istituto di ottica, meccanica fine e fisica di Changchun sviluppò la prima macchina di rivestimento a vuoto della Cina, ottenendo la produzione di lotti di film dielettrici multistrato; nel 1965,L'Istituto di Ottica e Meccanica Fine di Shanghai ha sviluppato una pellicola ad alta riflessione per la fusione nucleare laser.Nel corso di questo periodo, a livello internazionale, la produzione su larga scala di pellicole multistrato è stata gradualmente realizzata,con precisione di controllo dello spessore dello strato di pellicola che migliora al livello nanometricoIl processo di rivestimento si è evoluto dall'evaporazione termica all'evaporazione del raggio di elettroni e allo sputtering magnetronico, e gli scenari di applicazione si sono estesi al laser, all'aerospaziale e ad altri campi.La tecnologia cinese era ancora indietro di circa 20 anni rispetto ai livelli internazionali, basandosi principalmente sull'imitazione e sul raggiungimento.

Con il rapido sviluppo dell'industria optoelettronica globale, la tecnologia di rivestimento ottico è entrata in una fase di sviluppo "di alta precisione, su larga scala e diversificata".La Cina è entrata in un periodo di rapido recuperoNel corso di questo periodo, processi quali lo sputtering magnetronico e la deposizione assistita da ioni nella comunità internazionale sono maturati gradualmente, ottenendo un rivestimento di grande area e altamente uniforme.adatti a scenari su larga scala come il fotovoltaico e i pannelli di visualizzazione■ la progettazione del sistema di pellicole si è evoluta da semplici strutture periodiche a strutture non periodiche complesse,e sistemi di pellicola ad alte prestazioni quali pellicole antiriflesso a banda larga e pellicole filtriche a banda stretta sono diventati gradualmente diffusi.

Durante questo periodo la Cina ha raggiunto diverse scoperte chiave: l'Università dello Zhejiang ha superato la tecnologia per la purificazione del biossido di zirconio (ZrO2),riduzione del costo dei materiali di rivestimento domestici del 70%; la macchina di rivestimento KAI-400 sviluppata dal secondo istituto della China Electronics Technology Group Corporation ha un grado di vuoto di 10−6Pa, che si avvicina al livello internazionale avanzato;Fuyao Glass ha introdotto la tecnologia di rivestimento Low-E e poi l'ha assorbita e utilizzataNel 2008, la struttura della membrana del "Nido degli uccelli" per le Olimpiadi di Pechino ha usato rivestimento PTFE nazionale,con una durata di 30 anni, dimostrando al mondo la velocità di recupero della Cina nella tecnologia di rivestimento. Allo stesso tempo, la Cina ha gradualmente raggiunto la sostituzione domestica di attrezzature e materiali di rivestimento,riduzione della dipendenza dalle importazioni, e le sue applicazioni hanno riguardato l'elettronica di consumo, la costruzione, il laser e altri settori, riducendo gradualmente il divario con i livelli avanzati internazionali.

Nei primi anni 2010 del 21° secolo, con i progressi nella tecnologia optoelettronica avanzata, nella tecnologia quantistica e nella tecnologia aerospaziale,La tecnologia di rivestimento ottico è entrata in una nuova fase di "precisione a livello atomico"La Cina ha gradualmente raggiunto la trasformazione da "seguire" a "guidare".i processi avanzati come la deposizione di strati atomici (ALD) e lo sputtering magnetron pulsato ad alta potenza (HiPIMS) sono gradualmente maturati, e la precisione di controllo dello strato di rivestimento è stata migliorata fino al livello subnanometrico.Le nuove tecnologie di rivestimento, quali i metamateriali e i rivestimenti intelligenti, sono gradualmente entrate nella fase di applicazione.

La Cina ha raggiunto molteplici scoperte nel campo dell' high-end:La pellicola Mo/Si a 40 strati sviluppata dall'Istituto di ottica ed elettronica dell'Accademia cinese delle scienze ha un tasso di riflessione di 980,5%, che supporta la produzione di chip nazionali a 28 nm; la pellicola a banda stretta a 905 nm di Crystal Optoelectronics occupa il 70% del mercato mondiale, riducendo il costo dei veicoli intelligenti del 60%;La pellicola di conservazione della polarizzazione del singolo fotone sviluppata dall'Università di Scienza e Tecnologia della Cina ha una perdita di trasmissione di stato quantistico inferiore a 0.1%, aiutando il satellite "Moxi" a raggiungere una distribuzione di entanglement di 1.000 chilometri.La Cina ha guidato la formulazione dello "Standard internazionale per la tecnologia di rivestimento ottico nano multilivello" (ISO 23618), raggiungendo una trasformazione da "seguitore" a "standard setter", segnando che la tecnologia di rivestimento ottico cinese è entrata nei ranghi avanzati internazionali.il volume annuale delle esportazioni di attrezzature per rivestimenti in Cina aumenta del 25%, e la tecnologia è concessa in licenza inversa in Europa e negli Stati Uniti, formando una catena industriale completa.e la comunicazione quantistica sta gradualmente aumentando.

Con il rapido sviluppo di campi emergenti come l'IA, la tecnologia quantistica, AR/VR e la guida autonoma,La tecnologia di rivestimento ottico si sta evolvendo da "strati ottici funzionali passivi" a "strati ottici intelligenti"I sistemi di controllo fotonico attivo integrati, precisi, ecologici e multifunzionali.tenendo conto sia dell'ammodernamento tecnologico che dell'espansione dello scenario, per portare l'industria fotonica ad un livello di sviluppo superiore.

L'IA e le tecnologie digitali stanno ridefinendo l'intero processo di rivestimento ottico, migliorando significativamente l'efficienza, la precisione e la resa della progettazione,e diventare la forza trainante principale per lo sviluppo futuroLa progettazione tradizionale di film a più strati si basa sull'esperienza e sui processi iterativi, che richiedono tempo e sono difficili da raggiungere.I modelli di IA (come OptoGPT) possono attraversare rapidamente un gran numero di combinazioni di materiali e parametri di spessore del filmIn questo modo, è possibile progettare sistemi di rivestimento complessi a larghezza di banda multipla, a basse perdite e a soglia di danno elevata.Attualmente, la percentuale di sistemi di rivestimento non periodici è aumentata al 67% e la capacità di espansione della banda larga è migliorata di oltre il 40% rispetto alle strutture tradizionali.

Allo stesso tempo, integrando l'apprendimento automatico con le tecnologie di monitoraggio online (come il monitoraggio ottico, la spettrometria di massa e l'ellissometria),si ottiene un feedback in tempo reale e adeguamenti adattivi del processo di deposito, che consente di aumentare la precisione di controllo dello spessore della pellicola dal livello nanometrico al livello subnanometrico.e il ciclo di produzione a singolo pezzo è stato ridotto del 30%L'applicazione della simulazione virtuale e della tecnologia gemella digitale può prevedere in anticipo lo stress, l'adesione e la stabilità ambientale dello strato di pellicola, riducendo i costi di prova ed errore.accelerare la trasformazione dalla ricerca e dallo sviluppo alla produzione di massa, e promuovendo la transizione del rivestimento ottico dalla "produzione" alla "produzione intelligente".

Il processo tradizionale di PVD ha subito iterazioni continue e tecnologie come la deposizione di strati atomici (ALD), lo sputtering magnetron pulsato ad alta potenza (HiPIMS),e la deposizione assistita da ioni (IAD) sono diventate la corrente principale nella produzione di fascia alta, raggiungendo scoperte in "controllabilità a livello atomico, uniformità di grande area e bassi tassi di difetti".con controllo dello spessore che raggiunge lo 0È adatto per scenari con tolleranza zero per difetti come l'ottica di ultra-precisione, i dispositivi quantistici e il biosensing,e dovrebbe occupare il 35% della quota di mercato dei componenti ottici per il rilevamento di semiconduttori di fascia alta entro il 2026.

Lo sputtering magnetron pulsato ad alta potenza (HiPIMS) aumenta l'energia cinetica delle particelle sputtatrici da 10 a 100 volte, producendo film di stress densi, altamente adesivi e controllabili.Offre un'alta purezza e una grande capacità produttiva., riducendo gradualmente il divario di prestazioni rispetto all'evaporazione del raggio di elettroni.e la stabilità ambientale del film introducendo ioni ad alta energiaLe pellicole antiriflesso trattate con IAD mostrano una deriva di lunghezza d'onda centrale inferiore a 1 nm dopo aver invecchiato per 1000 ore a 85°C/85% RH,rendendoli un processo standard per l'ottica laser e le finestre a infrarossi.