تکنولوژی پوشش نوری: معرفی، توسعه و روند آینده

تکنولوژی پوشش نوری: معرفی، توسعه و روند آینده

تکنولوژی پوشش نوری یک فناوری اصلی است که رشته های متعددی مانند علوم مواد، فیزیک خلاء و مهندسی نوری را ادغام می کند.با قرار دادن یک یا چند لایه فیلم بر روی سطح اجزای نوری، آن را به دقت منعکس کننده، انتقال، جذب، قطبی شدن و غیره از نور را تنظیم می کند، در نتیجه افزایش عملکرد سیستم های نوری و گسترش سناریوهای کاربرد آنها.از وسایل روزمره مانند عینک و دوربین تلفن همراهاز تجهیزات لیزر پیشرفته، کاوشگرهای فضایی و دستگاه های ارتباطی کوانتومی، تکنولوژی پوشش نوری نقش غیرقابل جایگزینی ای ایفا می کند و "اساس اصلی" صنایع مدرن اپتو الکترونیک است..

پوشش نوری به فرآیند سپرده گذاری یک لایه (یا چندین لایه) از فیلم های فلزی، متوسط یا کامپوزیت بر روی سطح اجزای نوری از طریق روش های فیزیکی یا شیمیایی اشاره دارد.هدف اصلی این فرآیند تغییر خواص نوری سطح ماده برای پاسخگویی به الزامات استفاده از سناریوهای مختلف استبه عبارت ساده، پوشش نوری مانند "پوشیدن یک پوشش خاص" بر روی اجزای نوری است. این "پوش" نازک است (با ضخامت معمولاً از نانومتر تا میکرومتر) ،اما می تواند سه عملکرد اصلی را انجام دهد: اول، کاهش بازتاب نور و بهبود انتقال اجزای نوری (مانند پوشش ضد بازتاب در لنزهای عینک) ؛ دوم،توانایی بازتاب نور را افزایش می دهد و آینه های بازتابی بالا را آماده می کند (مانند صفحات لنز در رزوناتورهای لیزر)؛ سوم، آن را به تحقق رساندن توابع ویژه ای مانند تقسیم، فیلتر و قطب بندی نور (مانند پوشش فیلتر در لنزهای دوربین و پوشش قطب بندی در عینک AR).

اصل اصلی پوشش نوری بر اثر تداخل نور است. وقتی نور بر روی سطح فیلم قرار می گیرد،آن را به بازتاب های متعدد و انتقال در سطوح بالا و پایین لایه فیلم مبتلا می شود.با کنترل دقیق شاخص شکستگی، ضخامت و تعداد لایه های لایه فیلم،قرار دادن یا لغو نور منعکس شده و نور منتقل شده می تواند به دست آیدبرای مثال، فیلم های ضد انعکاس این کار را با طراحی لایه های تک یا چند لایه از فیلم های متوسط با ضخامت خاص انجام می دهند.اجازه دادن به نور منعکس شده برای لغو یکدیگر، اجازه می دهد تا نور بیشتری از طریق قطعه عبور کند؛ از سوی دیگر، فیلم های بازتابی بالا، این کار را با قرار دادن چندین لایه فیلم انجام می دهند.باعث می شود نور منعکس شده به طور متقابل تقویت شود، به دست آوردن بازتاب بسیار بالا.

بر اساس اصول اساسی الکترومغناطیس، بازتاب و انتقال نور را می توان با استفاده از فرمول ها محاسبه کرد.یک پوشش (مانند یک رسانه با شاخص شکنندگی 1.5) و شیشه (با شاخص شکنندگی 1.8) یک ساختار همپوشانی را تشکیل می دهند، انتقال پذیری می تواند از حدود 85٪ بدون پوشش به بیش از 91٪ افزایش یابد،به طور کامل نشان دادن ارزش اصلی پوشش نوری.

بر اساس عملکرد آنها، پوشش های نوری را می توان به چهار دسته اصلی طبقه بندی کرد: اولین آنها پوشش های ضد انعکاس (همچنین به عنوان پوشش های کاهش انعکاس شناخته می شود) ،که برای کاهش بازتاب سطحی و افزایش نفوذ استفاده می شود، و به طور گسترده ای در عینک، لنز دوربین، پنجره های نوری و غیره استفاده می شود. دومین پوشش های بازتاب دهنده بالا است که برای افزایش بازتاب نور استفاده می شود و در بازتاب دهنده های لیزر استفاده می شود.بازتاب دهنده های خورشیدی، و غیره. سومین پوشش فیلتر است که برای فیلتر کردن طول موج های خاص نور استفاده می شود، مانند پوشش فیلتر مادون قرمز و پوشش فیلتر ماوراء بنفش و در نظارت امنیتی استفاده می شود.تصاویر پزشکی، و غیره؛ چهارمین پوشش عملکرد ویژه، مانند پوشش های قطبی، پوشش های رسانا، پوشش های خود تمیز کننده و غیره،که برای سناریوهای نوظهور مانند AR / VR و نوری خودرو مناسب است.

بر اساس طبقه بندی فرآیند آماده سازی، فناوری های جریان اصلی را می توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد: سپرده گیری بخار فیزیکی (PVD) و سپرده گذاری بخار شیمیایی (CVD).در میان آنها، فناوری PVD به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد ، که شامل: تبخیر پرتوی الکترون ، اسپتر کردن ماگنترون و رسوب کمک یون (IAD) ، و غیره است.تبخیر پرتو الکترون مواد را با بمباران هدف با پرتو های الکترون با انرژی بالا به جا می گذارد، که دارای مزایای خلوص بالا و دقت بالا است، که آن را برای قطعات نوری با دقت بالا مناسب می کند؛اسپتر کردن ماگنترون با بمباران هدف با یون های پلاسما به رسوب می رسد، که دارای مزیت لایه فیلم متراکم و یکسانی خوب است، که آن را برای تولید در مقیاس بزرگ مناسب می کند؛رسوب کمک یون باعث بهبود ساختار لایه فیلم با معرفی یون های پر انرژی می شود.، افزایش تراکم و ثبات لایه فیلم، و می تواند پوشش با کیفیت بالا را در دمای اتاق به دست آورد، مناسب برای زیربناهای خاص مانند پلاستیک.

انتخاب مواد پوشش نوری به طور مستقیم عملکرد لایه پوشش را تعیین می کند. مواد رایج مورد استفاده را می توان به طور عمده به سه دسته طبقه بندی کرد:مواد دي الکتريکي وجود دارد، مانند دی اکسید سیلیکون (SiO2) ، دی اکسید تیتانیوم (TiO2) ، اکسید زیرکونیوم (ZrO2) ، فلوراید منیزیم (MgF2) ، و غیره. این مواد دارای انتقال نور خوب و شاخص های شکن قابل تنظیم هستند،و مواد اصلی فیلم های ضد انعکاس هستند، فیلم های بازتاب دهنده بالا و فیلم های فیلتر. در میان آنها، فلوراید منیزیم می تواند انتقال را افزایش دهد، دی اکسید سیلیکون دارای سخت بودن بالا و ثبات شیمیایی خوب است.و اکسید زرکونیوم دارای شاخص شکنندگی بالا و مقاومت در برابر دمای بالا استدوم، مواد فلزی مانند آلومینیوم، نقره، طلا و غیره وجود دارد که عمدتا برای تهیه فیلم های بازتاب دهنده و فیلم های رسانا استفاده می شود.نرخ بازتاب بیشتر فلزات می تواند به 78٪ تا 98٪ برسد، و می توان آن را با پوشش بیش از 99٪ افزایش داد، که نیازهای نوری پیشرفته را برآورده می کند؛ سوم، مواد کامپوزیت و مواد جدید مانند نانوذرات، نقاط کوانتومی،شیشه ی کالکوجناید، و غیره ، که برای آماده سازی فیلم های کامپوزیت چند منظوره و فیلم های کاربردی ویژه ، سازگار با محیط های شدید و سناریوهای نوظهور استفاده می شود.

تاریخچه توسعه تکنولوژی پوشش نوری یک سفر از "جستجو تجربی" به "کنترل دقیق"، از "وظیفه واحد" به "انجام چند وظیفایی"،و از عقب مانده شدن به رهبری کردنمی توان آن را به طور کلی به چهار مرحله تقسیم کرد، که تقریبا دو قرن طول می کشد، و به شدت با نشانه های توسعه تکنولوژیکی چین تحت تاثیر قرار می گیرد.

در سال 1835، شیمی دان آلمانی لیبیگ واکنش آینه نقره را اختراع کرد و برای اولین بار به رسمیت شناخته شدن فیلم های فلزی را به دست آورد و به این ترتیب فناوری پوشش نوری را آغاز کرد.در طول این دورهدر دهه ۱۹۳۰، تکنولوژی پوشش عمدتاً به عملیات دستی و آماده سازی فیلم فلزی ساده متکی بود، با سناریوهای کاربردی محدود، فقط برای تولید بازتاب دهنده های ساده استفاده می شد.فیزیکدان بریتانیایی بال اولین کسی بود که یک فیلم ضد انعکاس فلوراید منیزیم یک لایه ای را تهیه کرد، افزایش نفوذ لنز از 80٪ به 95٪،ایجاد پایه های نظری برای پوشش نوری و نشان دادن انتقال از "عملیات تجربی" به "روند نظری" برای تکنولوژی پوششدر این مرحله، تکنولوژی پوشش چین تقریباً وجود نداشت، و فقط چند موسسه می توانستند به صورت دستی بازتاب دهنده های ساده را پوشش دهند،با تکنولوژی هسته ای انحصار شده توسط کشورهای اروپایی و آمریکایی.

با توسعه اولیه ابزارهای نوری و تکنولوژی لیزر، تکنولوژی پوشش نوری وارد مرحله توسعه سیستماتیک شد.پیشرفت های اصلی بر روی تجهیزات پوشش خلاء و فن آوری فیلم چند لایه متمرکز شده استدر سال 1951، وانگ داهنگ اولین آزمایشگاه نوری در چین جدید را در چانگچون تاسیس کرد، با استفاده از تجهیزات ساده برای توسعه اولین فیلم ضد انعکاس تولید شده در کشور،پایان دادن به تاریخچه چین در "خوردن هیچ فیلم در دسترس" و باز کردن مسیر برای اکتشاف مستقل چین از تکنولوژی پوشش نوریدر سال ۱۹۵۸، موسسه چانگچون اپتیک، مکانیک خوب و فیزیک اولین ماشین پوشش خلاء چین را توسعه داد و تولید دسته ای از فیلم های چند لایه دی الکتریک را به دست آورد. در سال ۱۹۶۵،انستیتوی نوری و مکانیک خوب شانگهای یک فیلم بازتاب دهنده برای همجوشی هسته ای لیزر را توسعه داد.، با نرخ بازتاب 99.9٪ ، پایه اصلی دستگاه "شن گوانگ" را قرار می دهد. در این دوره ، در سطح بین المللی ، تولید در مقیاس بزرگ فیلم های چند لایه به تدریج تحقق یافت ،با دقت کنترل ضخامت لایه فیلم بهبود تا سطح نانومترفرآیند پوشش از تبخیر حرارتی به تبخیر پرتوی الکترون و اسپتر کردن مغنترون تکامل یافت و سناریوهای کاربرد به لیزر، هوافضا و سایر زمینه ها گسترش یافت.تکنولوژی چین هنوز حدود 20 سال از سطح بین المللی عقب بود، عمدتا به تقليد و به دست آوردن تکیه می کنند.

با توسعه سریع صنعت اپتوالکترونیک جهانی، فناوری پوشش نوری وارد مرحله "دقیقیت بالا، مقیاس بزرگ و متنوع" شده است.چين وارد دوره ي پيگيري سريع شدهدر طول این دوره، فرآیندهایی مانند اسپتر کردن ماگنترون و رسوب کمک یون در جامعه بین المللی به تدریج بالغ شده اند و به پوشش بزرگ و بسیار یکنواخت دست یافته اند.مناسب برای سناریوهای مقیاس بزرگ مانند فتوولتائیک و پانل های نمایشطراحی سیستم فیلم از ساختارهای دوره ای ساده به ساختارهای پیچیده غیر دوره ای تکامل یافته است.و سیستم های فیلم با عملکرد بالا مانند فیلم های ضد انعکاس پهن باند و فیلم های فیلتر باند باریک به تدریج گسترش یافته اند.

در طول این دوره چین چندین پیشرفت کلیدی را به دست آورد: دانشگاه ژجیانگ از تکنولوژی تصفیه دی اکسید زرقونیوم (ZrO2) ،کاهش 70 درصد هزینه مواد پوشش داخلیماشین پوشش KAI-400 که توسط موسسه دوم گروه فناوری الکترونیک چین توسعه یافته است، درجه خلاء 10-6Pa را دارد که به سطح پیشرفته بین المللی نزدیک می شود.فویائو گلس تکنولوژی پوشش کم E را معرفی کرد و سپس آن را جذب و استفاده کرددر سال ۲۰۰۸، ساختار غشا "عش پرنده" برای بازی های المپیک پکن از پوشش PTFE داخلی استفاده شد،با دوام 30 سالدر عین حال، چین به تدریج به جایگزینی داخلی تجهیزات و مواد پوشش،کاهش وابستگی به واردات، و کاربردهای آن شامل الکترونیک مصرفی، ساخت و ساز، لیزر و سایر زمینه ها بود و به تدریج شکاف با سطوح پیشرفته بین المللی را کاهش داد.

در اوایل دهه 2010 قرن 21، با پیشرفت های پیشرفته در تکنولوژی اپتوالکترونیک، تکنولوژی کوانتومی، و تکنولوژی هوافضا،تکنولوژی پوشش نوری وارد مرحله جدیدی از "دقیقیت سطح اتمی" شده است.چین به تدریج به تحول از "پیروی" به "رهبری" دست یافت.فرآیندهای پیشرفته مانند سپرده گذاری لایه اتمی (ALD) و اسپتر کردن مغناطیس پالس با قدرت بالا (HiPIMS) به تدریج بالغ شده اند، و دقت کنترل لایه پوشش به سطح زیر نانومتر بهبود یافته است.فناوری های جدید پوشش مانند متامینال ها و پوشش های هوشمند به تدریج وارد مرحله استفاده شده اند.

چين در زمينه هاي بالا دستاوردهاي بسياري داشته است:فیلم ۴۰ لایه ای Mo/Si که توسط موسسه نوری و الکترونیک آکادمی علوم چین توسعه یافته است، نرخ بازتاب ۹۸.5٪، که از تولید تراشه های داخلی 28nm پشتیبانی می کند؛ فیلم باند باریک 905nm کریستال آپتو الکترونیکس 70٪ از بازار جهانی را اشغال می کند و هزینه وسایل نقلیه هوشمند را 60٪ کاهش می دهد؛فيلم نگهدارنده قطبيت تک فوتوني که توسط دانشگاه علم و تکنولوژي چين توسعه يافته از دست دادن انتقال حالت کوانتومي کمتر از 0.1٪، کمک به ماهواره "موکسی" برای رسیدن به یک توزیع 1000 کیلومتری پیچیدگی. در سال 2023,چین در ساخت "استانداردی بین المللی برای فناوری پوشش نانو چند لایه نوری" (ISO 23618) رهبری کرد.، به دست آوردن یک تحول از "پیرو" به "استانداردی" نشان می دهد که تکنولوژی پوشش نوری چین وارد صف های پیشرفته بین المللی شده است. در حال حاضر،حجم صادرات سالانه تجهیزات پوشش در چین 25 درصد افزایش می یابد، و این فناوری به اروپا و ایالات متحده مجوز معکوس داده می شود و یک زنجیره صنعتی کامل را تشکیل می دهد. سهم بازار آن در زمینه هایی مانند الکترونیک مصرفی، نوری خودرو،و ارتباطات کوانتومی به تدریج در حال افزایش است.

با توسعه سریع زمینه های نوظهور مانند هوش مصنوعی، تکنولوژی کوانتومی، AR / VR، و رانندگی خودکار،تکنولوژی پوشش نوری در حال تکامل است از "پوشیدهای کاربردی نوری غیرفعال" به "هوشمند"سیستم های کنترل فوتونیک فعال، دقیق، سبز و چند منظوره. روند اصلی را می توان به شش جهت خلاصه کرد:با توجه به ارتقاء تکنولوژی و گسترش سناریو، تا صنعت فوتونیک را به سطح بالاتری از توسعه برساند.

هوش مصنوعی و فن آوری های دیجیتال کل فرآیند پوشش نوری را دوباره تعریف می کنند و به طور قابل توجهی کارایی طراحی، دقت و بهره وری را افزایش می دهند.و تبدیل شدن به نیروی محرکه اصلی برای توسعه آیندهطراحی سنتی فیلم چند لایه ای به تجربه و فرآیندهای تکراری متکی است که زمان بر است و دستیابی به بهینه سازی جهانی دشوار است.مدل های هوش مصنوعی (مانند OptoGPT) می توانند به سرعت تعداد زیادی از ترکیبات مواد و پارامترهای ضخامت فیلم را عبور دهنداین امکان را برای طراحی سیستم های پوشش پیچیده چند پهنای باند، کم ضرر و آستانه آسیب بالا فراهم می کند.در حال حاضر، نسبت سیستم های پوشش غیر دوره ای به 67٪ افزایش یافته است و ظرفیت گسترش پهن باند در مقایسه با سازه های سنتی بیش از 40٪ بهبود یافته است.

در عین حال، با ادغام یادگیری ماشین با فناوری های نظارت آنلاین (مانند نظارت نوری، طیف سنجی جرم و بیضوی) ،بازخورد در زمان واقعی و تنظیمات سازگاری فرآیند سپرده گذاری به دست می آید، اجازه می دهد تا دقت کنترل ضخامت فیلم از سطح نانومتر به سطح زیر نانومتر افزایش یابد. بهره وری فیلترهای پیشرفته به طور قابل توجهی از 75٪ به 96.5٪ افزایش یافته است.و چرخه تولید تک قطعه 30 درصد کوتاه شده استاستفاده از شبیه سازی مجازی و تکنولوژی دوقلو دیجیتال می تواند استرس، چسبندگی و ثبات محیط زیست لایه فیلم را از قبل پیش بینی کند و هزینه آزمایش و خطا را کاهش دهد.سرعت بخشیدن به تحول از تحقیق و توسعه به تولید انبوه، و ترویج انتقال پوشش نوری از "تولید" به "تولید هوشمند".

فرآیند سنتی PVD تکرار های مداوم را تجربه کرده است و فناوری هایی مانند سپرده گذاری لایه اتمی (ALD) ، اسپتر کردن مغناطیس پالس با قدرت بالا (HiPIMS) ،و رسوب کمک یون (IAD) به جریان اصلی در تولید بالا تبدیل شده اند، به دست آوردن پیشرفت در "کنترول پذیری سطح اتمی، یکنواخت منطقه بزرگ و نرخ نقص کم".با کنترل ضخامت که به 0 می رسدسطح.1nm، و تراکم نزدیک به ارزش نظری. مناسب برای سناریوهای با تحمل صفر برای نقص هایی مانند نوری فوق دقیق، دستگاه های کوانتومی، و بایوسنسینگ،و انتظار می رود تا سال 2026 35 درصد از سهم بازار قطعات نوری تشخیص نیمه هادی بالا را در اختیار داشته باشد..

اسپاترینگ ماگنترونی پالس با قدرت بالا (HiPIMS) انرژی حرکتی ذرات اسپاتر شده را 10 تا 100 برابر افزایش می دهد و در نتیجه فیلم های فشاری متراکم، بسیار چسبنده و قابل کنترل ایجاد می شود.هم طهارت بالا و هم ظرفیت تولید بالا داره، کاهش تدریجی شکاف عملکرد در مقایسه با تبخیر پرتو الکترون.و ثبات محیط زیست فیلم با معرفی یون های پر انرژیفیلم های ضد انعکاس درمان شده با IAD نشان می دهد یک حرکت طول موج مرکزی کمتر از 1 نانومتر پس از پیری 1000 ساعت در 85 ° C/85٪ RH،که آنها را به یک فرآیند استاندارد برای نوری لیزر و پنجره های مادون قرمز تبدیل می کند.