עידן חדש ל- Optical Spectroscopy: The Critical Role of Broadband Coatings

מכשירים ספקטרוסקופיה היו ארוכים העורכים של גילוי מדעי, המאפשרים לחוקרים לחקור את ההרכב של כוכבים, לזהות תרכובות כימיות, ולעקוב אחר חומרים סביבתיים.בלב של מכשירים אלה הוא בדיוק מנדסים אופטיים - אדמירים, עדשות, ומסננים - אשר ביצועים אלה לקבוע ישירות את הדיוק, הרגישות האינפרנציאלית בעבר, וטווח גל של המערכת.

ציפויים מתקדמים אלה מאפשרים כלי בודד לנתח בו זמנית אזורים ספקטרליים מרובים ללא החלפת אופטיקה, להגדיל באופן דרסטי את דרך המחשב וצמצום זמן המדידה.הם גם לשפר את יחס האות-ל-לאז, למזער אור משוטט, ולהרחיב את החיים התפעוליים של אלמנטים אופטיים יקרים.הבנת המדע, ההיסטוריה, ומימוש מעשי של ציפוי אופטי רחב הוא חיוני עבור כל מי מעורב בעיצוב, לציין, או באמצעות ציוד מודרני.

מה הם להקות אופטיות?

ציפוי אופטי רחב פס הם מבנים פילים דקים - מורכב באופן רטי משכבות משנה של חומרים עם אינדיקציות קירור שונות - ממוסכלים על תת-שכבות אופטיות כגון זכוכית, מבוללות, או sapphire. השכבות מונדסות כדי ליצור אפקטים מנוגדים השולטים בהשתקפות, שידור או ספיגה של אור על טווח גל מוגדר.

ב-spectroscopy, ציפויים אלה הם קריטיים עבור מספר פונקציות:

  • (ב) ⁇ (FLT:0) ⁇ (AR) ⁇ 1) אשר מפחיתה את ההשתקפות על פני השטח על פני להקה רחבה, למקסם את האור באמצעות עדשות וחלונות.
  • (FLT:0) ציפויים (HR) ⁇ 1) המשקפים כמעט את כל האור המתקרית בטווח רחב, חיוני עבור חללי לייזר ומראות בין-מטר.
  • (ב) ⁇ 0) ⁇ ופילטרים דיכרומטיים (FLT) 1 אשר מתחלקים או משלבים אור על בסיס אורך גל, המאפשרת מדידות רב ערוצים או במקביל.

מדד מפתח לכל ציפוי פס רחב הוא רוחב הפס ספקטרלי שעליו הוא שומר ביצועים מוגדרים, בדרך כלל נמדד הטווח בין אורכי הגל הקצרים והארוכים ביותר שבו רפלקטיביות או שידור נשאר מעל (או מתחת) סף, כגון: 99% עבור מראות HR או FLT:099.5% רפה מ-UV עד אמצע ה-IR.

פיתוח היסטורי של Broadband Coatings

הרעיון של שימוש בסרטים דקים כדי לשלוט באור מתוארך במאה ה-19, כאשר הפיזיקאים כמו ג'וזף פון פרנופר צפו בדפוסי התערבות צבעוניים בזכוכית מחוסמת, עם זאת, ציפוי אופטי מעשי לא יצאו עד שנות ה-30, כאשר טכניקות חיזוי ואקום התפתחו.הציפוי הנגד הראשון היו רק רבע-רובד של סרטי מגנזיום, אשר הפחיתו בערך מ-4% עד ל-1% מגלוי גל רחב.

השחר של Multilayer Dielectric Coatings (1950s-1960)

פריצת הדרך לביצועים רחבים של פס באה עם המצאת מחסניות רב-שכבות של מחסניות הידרואלקטריות מרובות.על ידי שינוי שכבות של חומרים שאינם ב-index ו- low-index - כגון טיטניום דו-חמצני (TiO2, n ⁇ 2.4) ו-סיליקון דו-חמצני (SiO2, n ⁇ 1.46) - מהנדסים יכולים ליצור התערבות בונה והרסנית בטווח רחב יותר של גלאזניכים מוקדמים, לעומת זאת, על ידי פיליפס, לעומת זאת, כולל גלקסיות מתוחות למחצה של תאים אופטיות (R) של תאים צרים (Ricpledwave-R) עם זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת 2, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, DARK-R) של תאים אופטיים יותר, עם יותר של תאים חשמליים) של דגמי פיליפס-Demsterineop-R.46-R.

The Quest for Broader Bandwidth (1970s–1990s)

בשנות ה-70, ההתקדמות בטכנולוגיית ההצבה, במיוחד אלקטרונים-באם evaporation ו-ion-sted deposition (IAD), אפשרה לסרטים צפופים יותר, עמידים יותר עם שליטה טובה יותר באינדקס, זה איפשר ייצור של ציפויים עם פיזור מופחת וקליטה, קריטי עבור UV ויישומים עמוקים של אטומים (nRV) ב -80, צורך בציפוי רחבים גדולים במיקרוסקופ האסטרונומי -2, כגון: מצופה מ- 10 מצופה מ-co מוגן מפני שיפור רחב של מצופה מ- 400 מצופה מ- 000 מצופה מ- 000 מצופה מ- 000 מצופה מ- 000 מצופה מ- 000 מצופה מ- 000 מצופה מ- 000 מצופה מ- 000 מצופה מ- 000 מצופה מ- 000 סגסוגת מוגן על ידי מצופה מ- 000 סגסוגת מוגן על ידי סגסוגת מוגן על ידי מצופה מ- 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 מוגן על ידי מצופה על ידי מצופה מ- 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

חידושים מודרניים (2000–Present)

כיום, השדה התבגר עם הצגתן של ion-beam sputtering (IBS), שכבת אטומית של שכבת אטומית (ALD), ומערכות ניטור אופטי מתקדמות המאפשרות שליטה מדויקת של שכבות למטה לרמה האנסטרום.טכניקות אלה הפכו ציפויים אפשריים עם הפסדים נמוכים מאוד ופסיביבות רוחב פס מעל שלושה octaves (למשל, 400-2000 nm), בנוסף, באמצעות דרישות חישוביות (אופטימיזציה גלובלית).

פיתוחים ב Broadband Coating Design

Multilayer Interference Stacks

חסימה הבניין היסודי של ציפויי פס רחב היא ערימה רב-שכבות. על ידי בחירת בקפידה של אינדיקציות השבירה, עוביים ומספר שכבות, מעצבים יכולים להתאים את התגובה הספקטרום. גישה נפוצה עבור מראות פס רחב היא ה-FLT:0chirped מייצרת הצצה באופן קיצוני FLT:1, שבו עוביים משתנים בהדרגה דרך הערימה, באופן יעיל לשקף גלים שונים במעמקי עיצוב שונים.

טכניקות מתקדמות

  • (FLT:0) Electron-Beam Evaporation (EBEura): 1 השתמש קרן אלקטרוני ממוקדת כדי חומר מקור חום בוואקום, מה שגורם לו להתמדה ולקוות על תת-הקודש.טוב לפוט גבוה, אך יכול לייצר סרטי ⁇ שתופסים מים, שינוי ביצועים.
  • (ב) [ה]התהליך האנרגטי ביותר שבו קרן יון-באם מכה מטרה, חומר מזרק אשר מופקד על המצע.מפיקים סרטים צפופים מאוד, חלק עם פיזור נמוך וקליטה. אידיאלי עבור אופטיקה לייזר ביצועים גבוהים ופס רחב.
  • (FLT:0) Atomic Layer Deposition (ALD): תהליך של ריקבון כימי בונה סרטים מונוlayer אטום אחד בכל פעם, המציע שליטה עוביים שאין כמותו וכיסוי תואם.
  • (FLT:0)Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD): veFLT:1 משמש לעתים לפקדת שכבות דיאלקטריות עם אינדקס פריצה פולשני, במיוחד בפוטניקה משולבת.

חידושים חומריים

בחירת חומרי ציפוי היא קריטית לביצועים רחבים של פס.תכונות מפתח כוללות:

  • טווח השקיפות: החומר לא צריך לספוג אור בלהקות ספקטרום המיועד.
  • ניגודיות לאינדקס רפלקאקטיבי: ניגוד גבוה (למשל, בין Nb2O5 ו- SiO2) מאפשר פחות שכבות כדי להשיג ביצועים פס רחב.
  • עמידות מכנית וסביבתית: ציפויים חייבים לעמוד בניקוי, לחות, שינויים בטמפרטורה, ולפעמים נזק לייזר.

חומרים נפוצים ב-iO2, Ta2O5, Nb2O5, HfO2, Si3N4. Common low-index: SiO2, MgF2, Al2O3. for Deep UV, Al2O3 ו- Fluoride-based Materials (למשל, MgF2, LAF2, LAF3) משמשים עבור חומרים אינפרא אדום, כמו ZSide, ו-G, הם משתמשים ב-G, כמו GSide.

טכנולוגיות ויישומים ב- Spectroscopy

ציפוי אופטי רחב פס הם עכשיו חלק אינטגרלי כמעט כל טכניקה מודרנית ספקטרוסקופית.כאן כמה דוגמאות בולטות:

UV-Vis-NIR Spectrophotometry

ניתוח כימי Routine באמצעות ספקטרום כפול-beam מסתמך מאוד על ציפוי פס רחב. monochromator gratings לעתים קרובות יש ציפויים רחב נגד פס כדי להגביר את היעילות, ואת הגלאיים משתמשים כסף מוגן או ציפויים אלומיניום כדי לשמור על רפה גבוהה מ 200 nm עד 2500 nm. זה מאפשר כלי אחד למדידת ספיגה ספקטרום מן UV עמוק עד חילופים כמעט ללא phostras אופטית.

Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy

מכשירים FTIR משתמשים בין מדממים עם beamsplitters כי חייב לעבוד על טווחים אינפרא אדום רחב. טיפוסי אשלגן bromide (KBr) beamsplitters הם מכוסים עם ערימה רחב פס רחב דיואלקטרי כדי להשיג 50 / 50 פיצול מ 2.5 עד 25 מיקרומטר. התפתחויות האחרונות באמצעות ציפוי nanocomposite הרחיבו את הטווח עוד לתוך רחוק, המאפשר ניתוח של חומרים חדשים.

ראומן Spectroscopy

כלי ראמן דורשים דחייה יעילה מאוד של קו ריילי, תוך העברת אות ראמן החלש. Edge מסננים ופילטרים עם שידור פס רחב מחוץ ללהקה הדחייה מתאפשרת על ידי ציפויים מורכבים.פילטרים פס רחב מודרני יכול לכסות שינויים סטואוס מ 50 ס"מ - 1 עד יותר מ -4,000 ס"מ -1, המאפשר מדידה של דגימות מגוונות עם מסנן יחיד.

ספקטרוסקופיה אסטרונומית

טלסקופים גדולים משתמשים בציפוי פס רחב על מראות ראשוניים ומשניים.הטלסקופ הגדול מאוד (VLT) משתמש בציפוי כסף מוגנים להשגת > 96% מ-400 nm ל-20 מיקרומטר, המאפשר תצפיות על פני להקות גלויות ו- IR.ללא ציפויים כאלה, אסטרונומים יידרשו להשתמש מראות שונים עבור משטרים שונים של גל, ובכך להפחית את היעילות ההתבוננות.

לייזר-הפצה של ספקטרוסקופיה (LIBS)

מנתחים LIBS משתמשים בספקטרום קומפקטי עם אופטיקה רחבה AR-קומדית לאסוף אור מפני הדופק לייזר פגום.הציפויים חייבים להתמודד עם כוחות שיא גבוהים ללא נזק, שוב להסתמך על ערמות דיאלקטריות חזקות של IBS.

בדיקה ואופי של Broadband

הבטחת כי ציפוי פס רחב עונה מפרטים דורש מטרופולין מתוחכמת.טכניקות נפוצות כוללות:

  • (FLT:0)Spectrophotometry:FLT:1 Measurement of Reflectance and משדר על הלהקה המיועדת באמצעות כלי calibrated.This אימות ביצועים ספקטרליים ומזהה כל rips או להקות ספיגה.
  • (ב) ⁇ :0) אלפלסטומטריה: 1FLT משמש כדי לקבוע את מדד השבירה ואת עובי של כל שכבה ללא הרס.
  • (FLT:0)Laser damage Threshold (LDT) בדיקות:FLT 1:1 עבור ציפויים המשמשים בספקטרום לייזר בעוצמה גבוהה, LDT חייב להיות נמדד לכל ISO 21254 כדי להבטיח ניתוח בטוח.
  • (FLT:0) בדיקות סביבתיות: FLT:1 , מתקפלות הן כפופות לחות, רכיבה על טמפרטורה, שחיקה (per MIL-C-48497), ובדיקות דבקות כדי לאמת עמידות.

התאמה מתקדמת כוללת גם מדידה של גסות פני השטח (באמצעות מיקרוסקופית כוח אטומי) ופיזור (באמצעות פיזור), שכן פיזור יכול לדרג את יחס האות-ל-לא-רעש - במיוחד ב-UV.

אתגרים סביבתיים ויציבות

ציפויים פס רחב חייבים לשרוד תנאי הפעלה קשים.לדוגמה, ציפויים במערכות UV נוטים להפחתה פוטוכימית של פוטונים באנרגיה גבוהה. במערכות IR, רכיבה תרמית עלולה לגרום לדיכאון מושרה מתח. overcoats הגנה חדש, כגון Al2O3 או Y2O3, מוחלים על מנת להגן על ערערת המים הבסיסית.

כיוונים עתידיים ב Broadband Optical Coatings

דחיפה אפילו רוחב פס רחב יותר, עמידות גבוהה יותר, ועלויות נמוכות יותר ממשיכות להניע חדשנות.כמה טכנולוגיות מתפתחות מבטיחות לעצב מחדש את הנוף:

עקבו אחרי Metasurface Coatings

חלקיקים באורך גלים - כגון מבנים Moth-eye או ננופילר מקיפים - יכולים ליצור שכבות כיתהd-index המספקות תכונות אנטי-reset אולטרה-band.אלה כבר בשימוש בחלק מהיישומים של תאים סולאריים והם נחקרים עבור ספקטרוסקופיה אופטית, במיוחד ב-UV שבו חומרים קונבנציונליים קולטים.

כוונון אופטי

ציפויים חכמים שיכולים לשנות את התכונות האופטיות שלהם בתגובה לגירוי חיצוני (שדה חשמלי, טמפרטורה או לחץ) נמצאים בשלבים מוקדמים של מחקר. ציפויים כאלה יכולים לאפשר ספקטרום כדי לכוון באופן דינמי את רצועת הספקטרום ללא חלקים נעים, פשט עיצוב כלי ויכולות הרחבה.

Machine Learning in the Coating Design

אינטליגנציה מלאכותית היא מאיצה את גילוי עיצובים חדשים של ציפוי.על ידי הכשרת רשתות עצביות על אלפי ספקטרה מדומה, החוקרים יכולים לזהות במהירות ערימה של שכבות שעומדות בדרישות פס רחב מורכבות שאינן אינטואיציה אנושית.זה חשוב במיוחד עבור עיצוב ציפויים עם קריטריונים מרובים (למשל, אובדן אולטרה סגול מעל שלושה octaves בתוספת התנגדות לייזר).

ייצור Scalability

כיום, ציפוי פס רחב ביצועים גבוהים כמו אלה שנעשו על ידי IBS הם יקרים ואט לייצר. טכניקות חדשות כגון מגנטון כוח גבוה כוח גבוהה sputtering (HiPIMS) וגלגל-to-roll ALD מפותחים כדי להפחית עלויות תוך שמירה על איכות, אשר תעשה ציפוי פס רחב נגיש עבור מכשירים ספקטרוסקופיה ברמת הצרכן.

מסקנה

הפיתוח של ציפויים אופטיים פס רחב היה מאפשר שקט אך מכריע של ספקטרוסקופיה מודרנית. מן הציפוי AR של הציפוי של היום מורכב מאות שכבות המשתרעות אולטרה סגולה לאדום אינפרא אדום, כל התקדמות הרחיבה את טווח של מכשירים אנליטיים. חוקרים יכולים עכשיו למדוד חתימות מולקולריות על פני טווחים רחבים עם רגישות ומהירות חסרת תקדים.

לקריאה נוספת על עקרונות העיצוב והחומרים המשמשים בציפוי פס רחב, להתייעץ עם חוברת ה- SPIE של אופטיקאטים או מדריכים טכניים של אדמונד אופטיקה.ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיית הציפוי מופץ באופן קבוע בכתב העת Applied Optics והצגת בכנס Optical Interferences.