مقدمه و طبقه‌بندی پوشش‌های نوری

در صفحه نمایش شفاف گوشی های هوشمند، در تصاویر کهکشان های دور گرفته شده توسط تلسکوپ های نجومی، و در اتاق های دقیق عمل جراحی لیزر،یک "تکنولوژی نامرئی" نقش اصلی دارد - این پوشش نوری استاین یک لایه بسیار نازک از مواد است که از طریق یک فرآیند خاص، معمولاً فقط در سطح نانومتر ضخامت در سطح بستر های نوری قرار می گیرد.با اين وجود مي تونه با دقت بازتاب رو کنترل کنه، انتقال، جذب و سایر خواص نور، که به دستگاه های نوری اجازه می دهد تا از طریق تنگنای عملکرد عبور کنند. کاربردهای پوشش نوری در همه جا وجود دارد.از کالاهای مصرف روزمره تا زمینه های فناوری پیشرفتهاین مقاله به طور سیستماتیک ماهیت پوشش نوری را تفسیر می کند و بر سه محصول اصلی تمرکز می کند: فیلم ضد انعکاس AR، فیلم و فیلتر بازتاب بالا HR،راز های فنی و ارزش های کاربرد آنها را آشکار می کند.

پوشش نوری یک تکنولوژی واحد نیست بلکه یک اصطلاح کلی برای دسته ای از فرآیندهایی است که فیلم های نازک را بر روی سطح زیربناهای نوری مانند شیشه، پلاستیک،و فلز از طریق روش های فیزیکی یا شیمیاییاصول اصلی بر روی پدیده تداخل نور - زمانی که دو پرتو نور با فرکانس یکسان و تفاوت فاز ثابت با هم برخورد می کنند، مبتنی است.آنها اثر تقویت متقابل (مداخلات سازنده) یا تضعیف (مداخلات مخرب) را ایجاد می کنند.با طراحی دقیق مواد، ضخامت و تعداد لایه های فیلم، مهندسان می توانند از این اصل برای دستیابی به کنترل جهت نور استفاده کنند.

فرآیندهای پوشش رایج شامل رسوب بخار فیزیکی (PVD) و رسوب بخار شیمیایی (CVD) است. در میان آنها، فرآیند PVD به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد، شامل تبخیر خلاء،اسپتر کردن مغناطیس و روش های دیگر. این می تواند مواد پوشش را به صورت متراکم و به طور یکنواخت در سطح بستر در یک محیط خلاء بالا قرار دهد، اطمینان از خلوص و یکنواخت فیلم.فرآیند CVD فیلم ها را از طریق واکنش های شیمیایی تولید می کند و برای تهیه پوشش های دارای عملکرد ویژه مناسب تر است.مهم نیست که کدام فرآیند مورد استفاده قرار می گیرد، الزامات بسیار بالایی برای تمیز بودن محیط زیست، کنترل درجه حرارت و میزان رسوب وجود دارد.حتی کوچکترین انحراف ممکن است منجر به شکست عملکرد پوشش شود.

دستگاه های نوری که تحت درمان پوشش قرار نگرفته اند اغلب دارای نقص های آشکار هستند. به عنوان مثال، سطح شیشه معمولی حدود 4 تا 5 درصد نور مرئی را منعکس می کند.برای یک دوربین متشکل از ۱۰ لنز، از دست دادن انعکاس به تنهایی می تواند بیش از 40٪ نور را از رسیدن به سنسور جلوگیری کند، که منجر به یک تصویر ضعیف همراه با درخشش شدید می شود.ظهور پوشش نوری دقیقا برای حل این مشکلات استاین مانند قرار دادن یک "دستکش عملکردی" برای دستگاه های نوری است، که گسترش و استفاده از نور را بیشتر با نیازهای واقعی مطابقت می دهد.

پوشش ضد انعکاس AR نزدیک ترین پوشش نوری به زندگی روزمره است. عملکرد اصلی آن کاهش نور انعکاس یافته بر روی سطح نوری در حالی که حداکثر انتقال نور است.عینک های نزدیک بینی که می پوشیم، صفحه نمایش تلفن های همراه ما و لنزهای دوربین های ما تقریبا همه به پشتیبانی آن تکیه می کنند.

اصل کار پوشش ضد انعکاس AR یک کاربرد معمولی از تداخل لغو است. این معمولا از مواد دی الکتریک تک یا چند لایه تشکیل شده است،که رایج ترین آن دی اکسید سیلیکون است.مهندسان ضخامت لایه فیلم را با دقت در یک چهارم از طول موج هدف نور کنترل می کنند.بخشی از نور از سطح بالای لایه فیلم منعکس می شود.، در حالی که قسمت دیگر به لایه فیلم نفوذ می کند و از رابط بین لایه فیلم و بستر منعکس می شود.تفاوت مسیر نوری بین این دو پرتو نور منعکس شده دقیقا نصف طول موج است، و فازهای آنها کاملاً مخالف هستند. وقتی آنها با هم ملاقات می کنند، یکدیگر را لغو می کنند، بنابراین بازتاب پذیری را به طور قابل توجهی کاهش می دهند.

روکش های ضد انعکاس AR اولیه عمدتاً ساختارهای تک لایه ای بودند و فقط می توانستند اثرات ضد انعکاس را در طول موج های خاص با محدوده های کاربردی محدود به دست آورند.فیلم های ضد انعکاس AR مدرن به ساختارهای ترکیبی چند لایه ای تبدیل شده اندبا قرار دادن لایه های فیلم از مواد و ضخامت های مختلف،بازتاب پذیری را می توان به کمتر از ۱٪ کاهش داد و انتقال نور را می توان به بیش از ۹۵٪ در کل طیف نور مرئی (۴۰۰-۷۰۰nm) افزایش دادبرخی از فیلم های AR پیشرفته همچنین لایه های هیدروفوبک و اولیوفوبک را اضافه می کنند که نه تنها می توانند بازتاب را کاهش دهند بلکه از اثر انگشت و لکه ها نیز جلوگیری می کنند.تبدیل شدن به یک تکنولوژی " استاندارد " برای صفحه نمایش گوشی های هوشمند.

ارزش فیلم های ضد انعکاس AR در زمینه های مختلف به طور کامل نشان داده شده است.فیلم AR روی سطح پنل های خورشیدی می تواند انتقال نور را 5 تا 10 درصد افزایش دهداین امر به طور مستقیم به بهبود بهره وری تولید برق که برای استفاده از انرژی های جدید بسیار مهم است، تبدیل می شود.فیلم AR روی شیشه های جلو هواپیما می تواند تداخل بازتاب نور خورشید را در بینایی خلبانان کاهش دهد و ایمنی پرواز را افزایش دهددر تجهیزات پزشکی، فیلم AR بر روی لنز اندوسکوپ به پزشکان امکان می دهد تصاویر داخلی واضح تر را بدست آورند و تضمین تشخیص دقیق را فراهم کنند.

برخلاف عملکرد "ضد انعکاس" پوشش ضد انعکاس AR، نقش اصلی پوشش HR High-Reflective این است که انعکاس سطوح نوری را به حداکثر برساند،حتی به دست آوردن اثر بازتاب بیش از 99٪، بسیار بیشتر از ظرفیت بازتاب آینه های فلزی معمولی است. بنابراین، آن را به طور گسترده ای در سناریوهای که نیاز به بازتاب دقیق نور استفاده می شود.

اصل کار فیلم بازتاب دهنده بالا HR بر روی تداخل متقابل است.و ساختار آن معمولاً یک قرار دادن متناوب از "مواد با شاخص بزرگ شکنندگی + مواد با شاخص پایین شکنندگی" است.هنگامی که نور بر روی سیستم لایه فیلم می درخشد، نور منعکس شده از هر لایه به دلیل فاز سازگار یکدیگر را تقویت می کند و در نتیجه یک اثر منعکس بسیار قوی ایجاد می کند.تعداد لایه های فیلم به طور مستقیم عملکرد بازتاب را تعیین می کند - یک سیستم فیلم با حدود 10 لایه می تواند نرخ بازتاب بیش از 95٪ را به دست آورد، در حالی که یک سیستم فیلم با دقت بالا با بیش از 30 لایه می تواند نرخ بازتاب را از 99.9٪ فراتر ببرد. در مقایسه با لایه های بازتاب فلزی سنتی مانند فیلم آلومینیومی و فیلم نقره،فیلم بازتاب پذیری بالا HR نه تنها بازتاب پذیری بالاتر دارد بلکه از نقص مواد فلزی مانند اکسیداسیون آسان و جذب انرژی نور نیز جلوگیری می کندبه خصوص در باند های مادون قرمز و ماوراء بنفش عملکرد خوبی دارد.

تکنولوژی لیزر، سناریوی اصلی کاربرد فیلم بازتاب پذیری بالا HR است.حفره رزونانس لیزر نیاز به یک جفت آینه های بازتاب دهنده بالا برای دستیابی به بازتاب متقابل و تقویت نور. یکی از آینه ها از فیلم بازتاب دهنده بالا HR برای دستیابی به تقریباً 100٪ بازتاب استفاده می کند ، در حالی که دیگری از فیلم بازتاب دهنده جزئی برای خروجی پرتو لیزر استفاده می کند.بدون کنترل دقیق فیلم های بازتاب دهنده HR، لیزرها نمی توانند انرژی پایدار تولید کنند، و فناوری هایی مانند برش صنعتی، لیزرهای پزشکی و لیدار همه از این موضوع خارج می شوند.

در زمینه مشاهدات نجومی، فیلم های بازتاب دهنده بالا HR نیز ضروری هستند. آینه اصلی تلسکوپ فضایی هابل یک سیستم فیلم چند لایه ای HR را اتخاذ می کند.که می تواند به طور موثر نور ضعیف اجرام آسمانی دور را منعکس کند و به انسان کمک کند تا تصاویر کهکشان های میلیاردها سال نوری دور را به دست آورددر زمینه نورپردازی، پس از درمان لیوان های بازتاب دهنده لامپ های LED با پوشش HR، می توانند نور را متمرکز کنند و آن را در یک جهت خاص منتشر کنند.بهبود قابل توجهی در بهره وری نورپردازی و کاهش اتلاف انرژیعلاوه بر این، در تجهیزات مانند پروژکتورها و نورپردازی صحنه، فیلم های بازتاب دهنده HR نیز نقش مهمی در هدایت نور دارند.

اگر فیلم های AR و فیلم های HR "تنظیم جامع" نور باشند،پس فیلترها "فیلترهای دقیق" نور هستند - آنها می توانند به طور انتخابی اجازه دهند نور طول موج خاصی را عبور دهند در حالی که نور طول موج های دیگر را مسدود می کنندبر اساس روش های غربالگری مختلف، فیلترها را می توان به نوع جذب طبقه بندی کرد.نوع تداخل و نوع قطبی شدناز جمله فیلترهای نوع تداخل به دلیل دقت بالا و عملکرد پایدار خود در کاربردهای صنعتی تبدیل به جریان اصلی شده اند.

اصل کار فیلترهای تداخل مشابه فیلمهای AR و HR است، هر دو بر اساس پدیده تداخل نور هستند، اما ساختار آنها پیچیده تر است.با دقت کنترل مزاحمت سازنده و مخرب نور با طول موج های مختلف را با قرار دادن ده ها یا حتی صدها لایه فیلم دی الکتریک، به این ترتیب به "افزایش" طول موج هدف و "اصطلاح" طول موج مداخله ای دست پیدا می کند. به عنوان مثال،یک فیلتر باند باریک معمولی فقط می تواند طول موج خاصی (مانند نور قرمز 650nm) را عبور دهد، با پهنای باند کنترل شده در چند نانومتر، که معادل نصب "چشمی تک رنگ" در سیستم نوری است.

در زمینه تصویربرداری دیجیتال، فیلترها هسته تصویربرداری رنگی هستند. سنسورهای تصویر گوشی های هوشمند و دوربین ها نمی توانند رنگ های مختلف نور را تشخیص دهند.این باید از طریق یک آرایه فیلتر رنگ (CFA) که سطح سنسور را پوشش می دهد، به دست آید - این آرایه از تعداد زیادی از رنگ قرمز تشکیل شده است، واحد های فیلتر سبز و آبی که به ترتیب نور طول موج مربوطه را غربالگری می کنند و سپس تصاویر رنگی را از طریق الگوریتم ها ترکیب می کنند.فیلتر UV که معمولاً در لنزهای دوربین استفاده می شود می تواند اشعه ماوراء بنفش را مسدود کند و از ظاهر مه دار شدن تصویر جلوگیری کندفیلترهای قطع مادون قرمز می توانند نور مادون قرمز را فیلتر کنند تا دقت بازتولید رنگ را تضمین کنند.

در زمینه تشخیص پزشکی، قابلیت غربالگری دقیق فیلتر نقش مهمی دارد.آشکارساز قند خون می تواند سیگنال نوری تولید شده توسط واکنش بین قند خون و واکنش دهنده آزمایش را از طریق فیلتر با طول موج خاص شناسایی کند.میکروسکوپ های فلورسنت از فیلترها برای جدا کردن نور تحریک از سیگنال های فلورسنت استفاده می کنند.اجازه می دهد تا محققان به وضوح مواد فلوروسنت را در سلول مشاهده کننددر نظارت بر محیط زیست،دستگاه های تشخیص گاز می توانند غلظت آلاینده های موجود در هوا را با فیلتر کردن طول موج های جذب خاص گاز هدف از طریق فیلترها به طور دقیق تشخیص دهند.در زمینه امنیت، فیلترهای مادون قرمز می توانند در کنار دوربین های دید شب برای گرفتن تصاویر مادون قرمز در محیط های تاریک استفاده شوند.

با توسعه تکنولوژی، تکنولوژی پوشش نوری به سمت "رقیق تر، هوشمندتر و همه جانبه تر" حرکت می کند. در زمینه الکترونیک انعطاف پذیر،تکنولوژی پوشش انعطاف پذیر فوق نازک یک پیشرفت بزرگ را به دست آورده است و می تواند در شیشه انعطاف پذیر صفحه نمایش تاشو تلفن های همراه استفاده شود.این نه تنها عملکرد ضد انتقال و ضد خراش را حفظ می کند بلکه می تواند به خم کردن مکرر نیز سازگار شود.محصولات جدیدی مانند پوشش الکترو کرومی و پوشش ترمو کرومی به وجود آمده استآنها می توانند به طور پویا انتقال نور یا بازتاب نور را با توجه به سیگنال های خارجی تنظیم کنند و می توانند در آینده در سناریوهای مانند پنجره های هوشمند خودرو و عینک های انطباقی اعمال شوند.

در همین حال، در کاربردهای محیط زیست شدید، عملکرد پوشش های نوری نیز به طور مداوم در حال بهبود است.پوشش های ویژه ای که در برابر تشعشعات و دماهای بالا مقاوم هستند بر تجهیزات نوری کاوشگرهای مریخ اعمال شده استبرای اکتشافات در اعماق دریا، پوشش مقاوم در برابر فشار بالا و مقاوم در برابر خوردگی، عملکرد پایدار دوربین های زیر آب را تضمین می کند.پوشش های جدید مبتنی بر گرافین و مواد دو بعدی در حال تبدیل شدن به یک نقطه گرم تحقیق هستند، و انتظار می رود عملکرد نوری بهتر و طیف گسترده تری از سناریوهای کاربرد را به دست آورند.

از لوازم روزمره تا تکنولوژی پیشرفته، پوشش نوری با توانایی دقیق تنظیم نور، به پشتیبانی اصلی فناوری نوری مدرن تبدیل شده است.فيلم ضد انعکاس AR ميدان ديد ما را شفاف تر مي کند، فيلم بازتابي عالي HR استفاده از نور را کارآمدتر مي کند و فيلتر استخراج سيگنال هاي نور را دقيق تر مي کند.این "فیلم های نامرئی" باید ارزش بیشتری در زمینه های مختلف ایجاد کنند و ابزارهای قدرتمندتری را برای انسان برای کشف دنیای نور فراهم کنند..