Технология оптического покрытия: введение, развитие и будущие тенденции

Технология оптических покрытий: Введение, развитие и будущие тенденции

Технология оптических покрытий является ключевой технологией, объединяющей множество дисциплин, таких как материаловедение, вакуумная физика и оптическая инженерия. Нанося один или несколько слоев пленок на поверхность оптических компонентов, она точно регулирует отражение, пропускание, поглощение, поляризацию и т. д. света, тем самым повышая производительность оптических систем и расширяя сценарии их применения. От повседневных предметов, таких как очки и камеры мобильных телефонов, до высокотехнологичного лазерного оборудования, космических зондов и устройств квантовой связи, технология оптических покрытий играет незаменимую роль и является «основой» современных оптоэлектронных отраслей.

Оптическое покрытие относится к процессу нанесения слоя (или нескольких слоев) металлических, диэлектрических или композитных пленок на поверхность оптических компонентов физическими или химическими методами. Основная цель этого процесса — модифицировать оптические свойства поверхности материала для удовлетворения требований использования в различных сценариях. Проще говоря, оптическое покрытие похоже на «нанесение специального пальто» на оптические компоненты. Это «пальто» тонкое (толщиной обычно от нанометров до микрометров), но оно может выполнять три основные функции: во-первых, оно уменьшает потери света на отражение и повышает пропускание оптических компонентов (например, просветляющие покрытия на линзах очков); во-вторых, оно увеличивает способность отражения света и создает зеркала с высоким коэффициентом отражения (например, зеркальные пластины в лазерных резонаторах); в-третьих, оно реализует специальные функции, такие как разделение, фильтрация и поляризация света (например, фильтрующие покрытия на объективах камер и поляризационные покрытия на AR-очках).

Основной принцип оптического покрытия основан на интерференционном эффекте света. Когда свет падает на поверхность пленки, он претерпевает многократные отражения и прохождения на верхней и нижней поверхностях слоя пленки, образуя многолучевую интерференцию. Точно контролируя показатель преломления, толщину и количество слоев пленки, можно добиться суперпозиции или взаимного уничтожения отраженного и прошедшего света, тем самым достигая ожидаемого оптического эффекта. Например, просветляющие пленки достигают этого путем проектирования одного или нескольких слоев диэлектрических пленок определенной толщины, позволяя отраженному свету взаимно гасить друг друга, позволяя большему количеству света проходить через компонент; зеркала с высоким коэффициентом отражения, напротив, достигают этого путем суперпозиции нескольких слоев пленок, заставляя отраженный свет взаимно усиливаться, достигая чрезвычайно высокого коэффициента отражения.

Согласно основным принципам электромагнетизма, коэффициент отражения и пропускания света можно рассчитать с помощью формул. Когда воздушный слой (с показателем преломления 1,0), покрытие (например, диэлектрик с показателем преломления 1,5) и стекло (с показателем преломления 1,8) образуют перекрывающуюся структуру, пропускание может увеличиться с примерно 85% без покрытия до более чем 91%, полностью демонстрируя основную ценность оптического покрытия.

По своим функциям оптические покрытия можно разделить на четыре основные категории: первая — просветляющие покрытия (также известные как покрытия для снижения отражения), которые используются для уменьшения отражения от поверхности и увеличения пропускания, и широко применяются в очках, объективах камер, оптических окнах и т. д.; вторая — зеркала с высоким коэффициентом отражения, которые используются для усиления отражения света и применяются в лазерных отражателях, солнечных отражателях и т. д.; третья — фильтрующие покрытия, которые используются для фильтрации света определенных длин волн, например, инфракрасные и ультрафиолетовые фильтрующие покрытия, и применяются в системах видеонаблюдения, медицинской визуализации и т. д.; четвертая — покрытия со специальными функциями, такие как поляризационные покрытия, проводящие покрытия, самоочищающиеся покрытия и т. д., которые подходят для новых сценариев, таких как AR/VR и автомобильная оптика.

По классификации процессов изготовления, основные технологии можно разделить на две большие категории: физическое осаждение из паровой фазы (PVD) и химическое осаждение из паровой фазы (CVD). Среди них технология PVD используется наиболее широко, в основном включая: электронно-лучевое испарение, магнетронное распыление и ионно-ассистированное осаждение (IAD) и т. д. Электронно-лучевое испарение осаждает материал путем бомбардировки мишени высокоэнергетическими электронными пучками, что имеет преимущества высокой чистоты и высокой точности, что делает его подходящим для высокоточных оптических компонентов; магнетронное распыление достигает осаждения путем бомбардировки мишени ионами плазмы, что имеет преимущество плотного слоя пленки и хорошей однородности, что делает его подходящим для крупномасштабного производства; ионно-ассистированное осаждение улучшает структуру слоя пленки путем введения высокоэнергетических ионов, повышая плотность и стабильность слоя пленки, и может достигать высококачественного покрытия при комнатной температуре, подходящего для специальных подложек, таких как пластик.

Выбор материалов для оптических покрытий напрямую определяет характеристики слоя покрытия. Обычно используемые материалы можно разделить на три категории: во-первых, это диэлектрические материалы, такие как диоксид кремния (SiO₂), диоксид титана (TiO₂), оксид циркония (ZrO₂), фторид магния (MgF₂), и т. д. Эти материалы обладают хорошей светопропускающей способностью и регулируемыми показателями преломления, и являются основными материалами для просветляющих пленок, зеркал с высоким коэффициентом отражения и фильтрующих пленок. Среди них фторид магния может увеличить пропускание, диоксид кремния обладает высокой твердостью и хорошей химической стабильностью, а оксид циркония имеет высокий показатель преломления и термостойкость; во-вторых, это металлические материалы, такие как алюминий, серебро, золото и т. д., которые в основном используются для изготовления зеркал с высоким коэффициентом отражения и проводящих пленок. Коэффициент отражения большинства металлов может достигать от 78% до 98%, и его можно дополнительно увеличить до более чем 99% путем нанесения покрытия, удовлетворяя требованиям высокотехнологичной оптики; в-третьих, это композитные и новые материалы, такие как наночастицы, квантовые точки, стекло халькогенидов и т. д., которые используются для изготовления многофункциональных композитных пленок и специальных функциональных пленок, адаптированных к экстремальным условиям и новым сценариям.

История развития технологии оптических покрытий — это путь от «эмпирических исследований» к «точному контролю», от «одиночной функции» к «интеграции многофункциональности», и от «отставания» к «лидерству». Ее можно условно разделить на четыре этапа, охватывающих почти два столетия, и глубоко отмеченных следами технологического развития Китая.

В 1835 году немецкий химик Либих изобрел реакцию серебряного зеркала, впервые добившись контролируемого осаждения металлических пленок, тем самым положив начало технологии оптических покрытий. В этот период технология нанесения покрытий в основном опиралась на ручные операции и простую подготовку металлических пленок, с ограниченными сценариями применения, использовалась только для производства простых отражателей. В 1930-х годах британский физик Болл впервые получил однослойную просветляющую пленку из фторида магния, увеличив пропускание линзы с 80% до 95%, заложив теоретическую основу для оптических покрытий и ознаменовав переход от «эмпирической эксплуатации» к «теоретическому руководству» технологией нанесения покрытий. На этом этапе технология нанесения покрытий в Китае практически отсутствовала, и лишь немногие учреждения могли вручную наносить простые отражатели, при этом основная технология монополизировалась европейскими и американскими странами.

С первоначальным развитием оптических приборов и лазерных технологий технология оптических покрытий вступила в стадию систематического развития. Основные прорывы были сосредоточены на оборудовании для вакуумного нанесения покрытий и технологии многослойных пленок. В 1951 году Ван Дахэн основал первую оптическую лабораторию в Новом Китае в Чанчуне, используя простое оборудование для разработки первой отечественной просветляющей пленки, положив конец истории Китая «отсутствия пленок» и открыв путь для самостоятельных исследований Китая в области технологии оптических покрытий. В 1958 году Чанчуньский институт оптики, точной механики и физики разработал первую в Китае машину для вакуумного нанесения покрытий, добившись серийного производства многослойных диэлектрических пленок; в 1965 году Шанхайский институт оптики и точной механики разработал зеркало с высоким коэффициентом отражения для лазерного термоядерного синтеза с коэффициентом отражения 99,9%, заложив основу для устройства «Шэнь Гуан». В этот период на международном уровне постепенно было реализовано крупномасштабное производство многослойных пленок, а точность контроля толщины слоя пленки улучшилась до нанометрового уровня. Процесс нанесения покрытий эволюционировал от термического испарения к электронно-лучевому испарению и магнетронному распылению, а сценарии применения расширились до лазерной, аэрокосмической и других областей. Однако китайские технологии все еще отставали от международных примерно на 20 лет, в основном полагаясь на имитацию и догоняющее развитие.

С быстрым развитием мировой оптоэлектронной промышленности технология оптических покрытий вступила в стадию развития «высокой точности, крупномасштабности и диверсификации». Китай вступил в период быстрого догоняющего развития. В этот период процессы, такие как магнетронное распыление и ионно-ассистированное осаждение, получившие распространение в международном сообществе, постепенно созрели, достигнув крупномасштабного и высокооднородного покрытия, подходящего для крупномасштабных сценариев, таких как фотовольтаика и дисплейные панели; проектирование пленочной системы эволюционировало от простых периодических структур к сложным непериодическим структурам, и высокопроизводительные пленочные системы, такие как широкополосные просветляющие пленки и узкополосные фильтрующие пленки, постепенно стали широко распространены.

В этот период Китай добился нескольких ключевых прорывов: Чжэцзянский университет преодолел технологию очистки диоксида циркония (ZrO₂), снизив стоимость отечественных материалов для покрытий на 70%; станок для нанесения покрытий KAI-400, разработанный Вторым научно-исследовательским институтом Китайской корпорации электронной техники, имеет вакуум до 10⁻⁶ Па, приближаясь к передовому международному уровню; Fuyao Glass внедрила технологию нанесения покрытий Low-E, а затем абсорбировала и использовала ее, разработав китайские стандарты для покрытий строительного стекла, разрушив иностранную монополию. В 2008 году мембранная структура «Птичьего гнезда» для Олимпийских игр в Пекине использовала отечественное покрытие из ПТФЭ с долговечностью 30 лет, демонстрируя миру скорость догоняющего развития Китая в области технологий покрытий. В то же время Китай постепенно добился импортозамещения оборудования и материалов для покрытий, снизив зависимость от импорта, а его применение охватило потребительскую электронику, строительство, лазеры и другие области, постепенно сокращая разрыв с передовыми международными уровнями.

В начале 2010-х годов XXI века, с прорывами в передовых оптоэлектронных технологиях, квантовых технологиях и аэрокосмических технологиях, технология оптических покрытий вступила в новую стадию «прецизионности на атомном уровне, интеграции многофункциональности и глобальной конкуренции». Китай постепенно добился трансформации от «последователя» к «лидеру». На международном уровне постепенно созрели передовые процессы, такие как атомно-слоевое осаждение (ALD) и магнетронное распыление с высокой мощностью импульсов (HiPIMS), а точность контроля слоя покрытия улучшилась до субнанометрового уровня. Новые технологии нанесения покрытий, такие как метаматериалы и интеллектуальные реактивные покрытия, постепенно вошли в стадию применения.

Китай добился множества прорывов в высокотехнологичной области: 40-слойная пленка Mo/Si, разработанная Институтом оптики и электроники Китайской академии наук, имеет коэффициент отражения 98,5%, что поддерживает производство отечественных чипов с разрешением 28 нм; узкополосная пленка Crystal Optoelectronics с длиной волны 905 нм занимает 70% мирового рынка, снижая стоимость интеллектуальных автомобилей на 60%; однофотонная поляризационно-сохраняющая пленка, разработанная Университетом науки и технологий Китая, имеет потери при передаче квантового состояния менее 0,1%, помогая спутнику «Моси» достичь распределения запутанности на 1000 километров. В 2023 году Китай возглавил разработку «Международного стандарта для нано-многослойных оптических покрытий» (ISO 23618), добившись трансформации от «последователя» к «установщику стандартов», что означает, что технология оптических покрытий Китая вошла в число передовых международных достижений. В настоящее время годовой объем экспорта оборудования для нанесения покрытий в Китае увеличивается на 25%, а технология лицензируется обратно в Европу и США, формируя полную промышленную цепочку. Его доля на рынке в таких областях, как потребительская электроника, автомобильная оптика и квантовая связь, постепенно растет.

С быстрым развитием новых областей, таких как ИИ, квантовые технологии, AR/VR и автономное вождение, технология оптических покрытий эволюционирует от «пассивных оптических функциональных слоев» к «интеллектуальным, точным, экологичным и многофункциональным интегрированным» активным системам управления фотонами. Основные тенденции можно свести к шести направлениям, учитывая как технологическое обновление, так и расширение сценариев, чтобы вывести фотонную промышленность на более высокий уровень развития.

ИИ и цифровые технологии переопределяют весь процесс оптического покрытия, значительно повышая эффективность проектирования, точность и выход продукции, и становятся основной движущей силой будущего развития. Традиционное проектирование многослойных пленок опирается на опыт и итеративные процессы, которые занимают много времени и затрудняют достижение глобальной оптимальности. Однако модели ИИ (такие как OptoGPT) могут быстро перебирать огромное количество комбинаций материалов и параметров толщины пленки, завершая традиционный многомесячный процесс оптимизации всего за несколько часов. Это позволяет проектировать сложные системы покрытий с широкой полосой пропускания, низкими потерями и высоким порогом повреждения. В настоящее время доля непериодических пленочных систем увеличилась до 67%, а возможность расширения широкополосности улучшилась более чем на 40% по сравнению с традиционными структурами.

В то же время, путем интеграции машинного обучения с технологиями онлайн-мониторинга (такими как оптический мониторинг, масс-спектрометрия и эллипсометрия), достигается обратная связь в реальном времени и адаптивная корректировка процесса осаждения, что позволяет повысить точность контроля толщины пленки с нанометрового уровня до субнанометрового. Выход высококачественных фильтров значительно увеличился с 75% до 96,5%, а цикл производства одной детали сократился на 30%. Применение технологий виртуального моделирования и цифровых двойников может заранее предсказать напряжение, адгезию и стабильность пленки к воздействию окружающей среды, снижая затраты на пробные и ошибочные решения, ускоряя переход от исследований и разработок к массовому производству и способствуя переходу оптических покрытий от «производства» к «интеллектуальному производству».

Традиционный процесс PVD прошел непрерывные итерации, и такие технологии, как атомно-слоевое осаждение (ALD), магнетронное распыление с высокой мощностью импульсов (HiPIMS) и ионно-ассистированное осаждение (IAD), стали основными в высокотехнологичном производстве, добившись прорывов в «контролируемости на атомном уровне, однородности на большой площади и низком уровне дефектов». Атомно-слоевое осаждение (ALD) точно выращивает отдельные атомные слои с контролем толщины до 0,1 нм и плотностью, приближающейся к теоретическому значению. Оно подходит для сценариев с нулевой терпимостью к дефектам, таких как сверхточная оптика, квантовые устройства и биосенсоры, и, как ожидается, займет 35% рынка высокотехнологичных оптических компонентов для обнаружения полупроводников к 2026 году.

Магнетронное распыление с высокой мощностью импульсов (HiPIMS) увеличивает кинетическую энергию распыляемых частиц в 10-100 раз, что приводит к получению плотных, высокоадгезионных и контролируемых по напряжению пленок. Оно обеспечивает как высокую чистоту, так и высокую производительность, постепенно сокращая разрыв в производительности по сравнению с электронно-лучевым испарением. Ионно-ассистированное осаждение (IAD) значительно повышает плотность, твердость и стабильность пленки к воздействию окружающей среды путем введения высокоэнергетических ионов. Просветляющие пленки, обработанные IAD, демонстрируют смещение центральной длины волны менее 1 нм после старения в течение 1000 часов при 85°C/85% относительной влажности, что делает их стандартным процессом для лазерной оптики и инфракрасных окон.