Recubrimiento antirreflectante

Los ópticos pueden recomendar lentes antirreflejo porque la reducción de los reflejos mejora la apariencia estética de las lentes. Se suele decir que estas lentes reducen el deslumbramiento , pero la reducción es muy leve. ^{[ 3 ]} Eliminar los reflejos permite que pase un poco más de luz, lo que produce un ligero aumento del contraste y la agudeza visual.

Las lentes oftálmicas antirreflectantes no deben confundirse con las lentes polarizadas , que se encuentran únicamente en las gafas de sol y reducen (por absorción) el resplandor visible del sol reflejado en superficies como arena, agua y carreteras. El término «antirreflectante» se refiere a la reflexión de la superficie de la lente, no al origen de la luz que la alcanza.

Muchas lentes antirreflectantes incluyen un recubrimiento adicional que repele el agua y la grasa , lo que facilita su limpieza. Los recubrimientos antirreflectantes son especialmente adecuados para lentes de alto índice , ya que estas reflejan más luz sin el recubrimiento que una lente de menor índice (debido a las ecuaciones de Fresnel ). Además, generalmente es más fácil y económico aplicar recubrimientos a lentes de alto índice.

Los recubrimientos antirreflectantes (ARC) se utilizan frecuentemente en la fotolitografía microelectrónica para ayudar a reducir las distorsiones de imagen asociadas con los reflejos en la superficie del sustrato. Se aplican diferentes tipos de recubrimientos antirreflectantes antes (ARC inferior o BARC) o después de la fotorresina , y ayudan a reducir las ondas estacionarias , la interferencia de película delgada y los reflejos especulares. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Las células solares suelen estar recubiertas con una capa antirreflectante. Entre los materiales utilizados se incluyen el fluoruro de magnesio , el nitruro de silicio , el dióxido de silicio , el dióxido de titanio y el óxido de aluminio . ^{[ 6 ] [ 7 ]}

La forma más simple de recubrimiento antirreflectante fue descubierta por Lord Rayleigh en 1886. El vidrio óptico disponible en ese momento tendía a desarrollar una capa de óxido en su superficie con el tiempo, debido a reacciones químicas con el ambiente. Rayleigh probó algunas piezas de vidrio viejas y ligeramente oxidadas, y descubrió con sorpresa que transmitían más luz que las piezas nuevas y limpias. El óxido reemplaza la interfaz aire-vidrio con dos interfaces: una interfaz aire-óxido y una interfaz óxido-vidrio. Debido a que el óxido tiene un índice de refracción entre los del vidrio y el aire, cada una de estas interfaces presenta menos reflexión que la interfaz aire-vidrio. De hecho, la suma de las dos reflexiones es menor que la de la interfaz aire-vidrio "desnuda", como se puede calcular a partir de las ecuaciones de Fresnel .

Una solución consiste en utilizar recubrimientos antirreflectantes de índice gradual (GRIN), es decir, con índices de refracción que varían de forma casi continua. ^{[ 8 ]} Con estos, es posible reducir la reflexión en un amplio rango de frecuencias y ángulos de incidencia.

El recubrimiento antirreflectante de interferencia más simple consiste en una única capa delgada de material transparente con un índice de refracción igual a la raíz cuadrada del índice de refracción del sustrato. En el aire, dicho recubrimiento teóricamente proporciona reflectancia cero para la luz con una longitud de onda (en el recubrimiento) igual a cuatro veces su espesor. La reflectancia también disminuye para longitudes de onda en una banda ancha alrededor del centro. Una capa con un espesor igual a un cuarto de una longitud de onda de diseño se denomina "capa de cuarto de onda".

El tipo más común de vidrio óptico es el vidrio crown , que tiene un índice de refracción de aproximadamente 1,52. Un recubrimiento óptimo de una sola capa tendría que estar hecho de un material con un índice de alrededor de 1,23. No hay materiales sólidos con un índice de refracción tan bajo. Los materiales más cercanos con buenas propiedades físicas para un recubrimiento son el fluoruro de magnesio , MgF₂ ₍ con un índice de 1,38), y los fluoropolímeros , que pueden tener índices tan bajos como 1,30, pero son más difíciles de aplicar. ^{[ 9 ]} _El MgF₂ sobre una superficie de vidrio crown da una reflectancia de aproximadamente el 1%, en comparación con el 4% para el vidrio sin recubrimiento. Los recubrimientos de MgF₂ _funcionan mucho mejor en vidrios de índice más alto, especialmente aquellos con un índice de refracción cercano a 1,9. Los recubrimientos de MgF₂ _se usan comúnmente porque son baratos y duraderos. Cuando los recubrimientos están diseñados para una longitud de onda en el medio de la banda visible , dan una antirreflexión razonablemente buena en toda la banda.

Los investigadores han producido películas de nanopartículas de sílice mesoporosa con índices de refracción tan bajos como 1,12, que funcionan como recubrimientos antirreflectantes. ^{[ 10 ]}

Mediante el uso de capas alternas de un material de bajo índice de refracción, como la sílice , y un material de índice de refracción más alto, es posible obtener reflectividades tan bajas como el 0,1 % en una sola longitud de onda. También se pueden fabricar recubrimientos que proporcionen una reflectividad muy baja en una amplia banda de frecuencias, aunque estos son complejos y relativamente costosos. Asimismo , se pueden fabricar recubrimientos ópticos con características especiales, como una reflectancia casi nula en múltiples longitudes de onda o un rendimiento óptimo en ángulos de incidencia distintos de 0°.

Una categoría adicional de recubrimientos antirreflectantes son los denominados "ARC absorbentes". Estos recubrimientos son útiles en situaciones donde la alta transmisión a través de una superficie no es importante o deseable, pero se requiere baja reflectividad. Pueden producir una reflectancia muy baja con pocas capas y, a menudo, se pueden producir de forma más económica o a mayor escala que los recubrimientos AR no absorbentes estándar. (Véase, por ejemplo, la patente estadounidense 5,091,244 ). Los ARC absorbentes suelen aprovechar las propiedades ópticas inusuales que presentan las películas delgadas compuestas producidas por deposición por pulverización catódica . Por ejemplo, el nitruro de titanio y el nitruro de niobio se utilizan en los ARC absorbentes. Estos pueden ser útiles en aplicaciones que requieren una mejora del contraste o como sustituto del vidrio tintado (por ejemplo, en una pantalla CRT ).

Los ojos de las polillas poseen una propiedad inusual: sus superficies están cubiertas por una película nanoestructurada natural que elimina los reflejos. Esto permite a la polilla ver bien en la oscuridad, sin que los reflejos delaten su ubicación a los depredadores. ^{[ 11 ]} La estructura consiste en un patrón hexagonal de protuberancias, cada una de aproximadamente 200  nm de altura y espaciadas a 300  nm entre centros. ^{[ 12 ]} Este tipo de recubrimiento antirreflectante funciona porque las protuberancias son más pequeñas que la longitud de onda de la luz visible, por lo que la luz percibe la superficie como si tuviera un gradiente continuo del índice de refracción entre el aire y el medio, lo que disminuye la reflexión al eliminar eficazmente la interfaz aire-lente. Se han fabricado películas antirreflectantes prácticas por humanos utilizando este efecto; ^{[ 13 ]} esto es una forma de biomímesis . Canon utiliza la técnica del ojo de la polilla en su recubrimiento de estructura sublongitud de onda SWC, que reduce significativamente el destello de la lente . ^{[ 14 ]}

Estas estructuras también se utilizan en dispositivos fotónicos; por ejemplo, las estructuras de ojo de polilla cultivadas a partir de óxido de tungsteno y óxido de hierro pueden utilizarse como fotoelectrodos para la división del agua y la producción de hidrógeno. ^{[ 15 ]} La estructura consiste en esferoides de óxido de tungsteno de varios cientos de micrómetros de diámetro, recubiertos con unos pocos nanómetros de óxido de hierro. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Se puede utilizar un polarizador circular laminado a una superficie para eliminar los reflejos. ^{[ 18 ] [ 19 ]} El polarizador transmite luz con una quiralidad ("orientación") de polarización circular. La luz reflejada por la superficie después del polarizador se transforma en la quiralidad opuesta. Esta luz no puede volver a atravesar el polarizador circular porque su quiralidad ha cambiado (por ejemplo, de polarización circular derecha a polarización circular izquierda). Una desventaja de este método es que, si la luz incidente no está polarizada, la transmisión a través del conjunto será inferior al 50 %.

Cuando un rayo de luz se desplaza de un medio a otro (por ejemplo, cuando la luz incide sobre una lámina de vidrio tras viajar por el aire ), una parte de la luz se refleja en la superficie (conocida como interfaz ) entre ambos medios. Esto se puede observar, por ejemplo, al mirar a través de una ventana , donde se aprecia un reflejo (débil) en las superficies frontal y posterior del cristal. La intensidad del reflejo depende de la relación entre los índices de refracción de los dos medios, así como del ángulo de la superficie con respecto al haz de luz. El valor exacto se puede calcular mediante las ecuaciones de Fresnel .

Cuando la luz incide sobre la interfaz de forma normal (perpendicular a la superficie), la intensidad de la luz reflejada viene dada por el coeficiente de reflexión , o reflectancia , R :

${\displaystyle R=\left({\frac {n_{0}-n_{S}}{n_{0}+n_{S}}}\right)^{2},}$

donde n ₀ y n _S son los índices de refracción del primer y segundo medio respectivamente. El valor de R varía de 0 (sin reflexión) a 1 (toda la luz se refleja) y generalmente se cita como un porcentaje . Complementario a R es el coeficiente de transmisión , o transmitancia , T. Si se desprecian la absorción y la dispersión , entonces el valor de T es siempre 1 − R. Por lo tanto, si un haz de luz con intensidad I incide sobre la superficie, un haz de intensidad RI se refleja y un haz con intensidad TI se transmite al medio.

Para el escenario simplificado de luz visible que viaja desde el aire ( n₀ ≈ 1,0) hacia _el vidrio común ( nS ≈ 1,5 ), el valor de R es 0,04, o 4%, en una sola reflexión. Por lo tanto _, como máximo el 96% de la luz ( T = 1 − R = 0,96 ) realmente entra en el vidrio, y el resto se refleja en la superficie. La cantidad de luz reflejada se conoce como pérdida por reflexión .

En el caso más complejo de reflexiones múltiples, por ejemplo, cuando la luz atraviesa una ventana, se refleja tanto al pasar del aire al vidrio como al regresar del vidrio al aire. La magnitud de la pérdida es la misma en ambos casos. La luz también puede rebotar varias veces de una superficie a otra, reflejándose y transmitiéndose parcialmente en cada ocasión. En total, el coeficiente de reflexión combinado viene dado por 2 R /(1 + R ) . Para el vidrio en el aire, este valor es de aproximadamente el 7,7 %.

Como observó Lord Rayleigh , una película delgada (como el deslustre) sobre la superficie del vidrio puede reducir su reflectividad. Este efecto se explica imaginando una capa delgada de material con índice de refracción _n₁ entre el aire (índice n₀ ) y el vidrio (índice _nₛ ) _. El rayo de luz se refleja dos veces: una vez en la superficie entre el aire y la capa delgada, y otra vez en la interfaz entre la capa y el vidrio.

A partir de la ecuación anterior y los índices de refracción conocidos, se pueden calcular las reflectividades para ambas interfaces, denotadas como R ₀₁ y R _1S respectivamente. Por lo tanto, la transmisión en cada interfaz es T ₀₁ = 1 − R ₀₁ y T _1S = 1 − R _1S . La transmitancia total en el vidrio es, por lo tanto, T _1S T _01. Calculando este valor para varios valores de n ₁ , se puede encontrar que para un valor particular del índice de refracción óptimo de la capa, la transmitancia de ambas interfaces es igual, y esto corresponde a la transmitancia total máxima en el vidrio.

Este valor óptimo viene dado por la media geométrica de los dos índices circundantes:

${\displaystyle n_{1}={\sqrt {n_{0}n_{S}}}.}$

Para el ejemplo del vidrio ( n _S ≈ 1,5 ) en el aire ( n ₀ ≈ 1,0 ), este índice de refracción óptimo es n ₁ ≈ 1,225 . ^{[ 20 ] [ 21 ]}

La pérdida por reflexión de cada interfaz es de aproximadamente el 1,0 % (con una pérdida combinada del 2,0 %), y la transmitancia total T _1S T ₀₁ es de aproximadamente el 98 %. Por lo tanto, un recubrimiento intermedio entre el aire y el vidrio puede reducir a la mitad la pérdida por reflexión.

El uso de una capa intermedia para formar un recubrimiento antirreflectante puede considerarse análogo a la técnica de adaptación de impedancias de señales eléctricas. (Un método similar se utiliza en la investigación de fibra óptica , donde a veces se emplea un aceite con índice de refracción adaptado para anular temporalmente la reflexión interna total y permitir el acoplamiento de la luz hacia dentro o hacia fuera de una fibra). En teoría, se podría lograr una mayor reducción de la reflexión extendiendo el proceso a varias capas de material, mezclando gradualmente el índice de refracción de cada capa entre el índice del aire y el del sustrato.

Los recubrimientos antirreflectantes prácticos, sin embargo, se basan en una capa intermedia no solo para reducir directamente el coeficiente de reflexión, sino también para aprovechar el efecto de interferencia de una capa delgada. Supongamos que el espesor de la capa se controla con precisión, de modo que sea exactamente un cuarto de la longitud de onda de la luz en la capa ( λ/4 = λ₀ _/ ( _4n₁ ) , donde λ₀ _es la longitud de onda en el vacío). La capa se denomina entonces recubrimiento de cuarto de onda . Para este tipo de recubrimiento, un haz incidente normalmente I , al reflejarse en la segunda interfaz, recorrerá exactamente la mitad de su propia longitud de onda más lejos que el haz reflejado en la primera superficie, lo que produce interferencia destructiva. Esto también es cierto para capas de recubrimiento más gruesas (3λ/4, 5λ/4, etc.), aunque el rendimiento antirreflectante es peor en este caso debido a la mayor dependencia de la reflectancia con la longitud de onda y el ángulo de incidencia.

Si las intensidades de los dos haces R ₁ y R ₂ son exactamente iguales, interferirán destructivamente y se cancelarán mutuamente, ya que están completamente desfasados . Por lo tanto, no hay reflexión en la superficie y toda la energía del haz debe estar en el rayo transmitido, T . Para el cálculo de la reflexión en una pila de capas, se puede utilizar el método de la matriz de transferencia .

Los recubrimientos reales no alcanzan un rendimiento perfecto, aunque son capaces de reducir el coeficiente de reflexión superficial a menos del 0,1 %. Además, la capa tendrá el espesor ideal solo para una longitud de onda de luz específica. Otras dificultades incluyen encontrar materiales adecuados para su uso en vidrio común, ya que pocas sustancias útiles tienen el índice de refracción requerido ( n ≈ 1,23 ) que hará que ambos rayos reflejados tengan exactamente la misma intensidad. El fluoruro de magnesio (MgF₂ ₎ se usa con frecuencia, ya que es resistente y se puede aplicar fácilmente a los sustratos mediante deposición física de vapor , aunque su índice es más alto de lo deseable ( n = 1,38 ).

Es posible lograr una mayor reducción mediante el uso de múltiples capas de recubrimiento, diseñadas para que las reflexiones de las superficies experimenten la máxima interferencia destructiva. Una forma de conseguirlo es añadir una segunda capa de índice de refracción más alto, de un cuarto de longitud de onda de espesor, entre la capa de bajo índice y el sustrato. La reflexión en las tres interfaces produce interferencia destructiva y antirreflexión. Otras técnicas utilizan diferentes espesores de recubrimiento. Mediante el uso de dos o más capas, cada una de un material elegido para lograr la mejor coincidencia posible entre el índice de refracción y la dispersión deseados , se pueden obtener recubrimientos antirreflectantes de banda ancha que cubren el rango visible (400-700  nm) con una reflectividad máxima inferior al 0,5 %.

La naturaleza exacta del recubrimiento determina la apariencia de la óptica recubierta; los recubrimientos antirreflectantes comunes en gafas y lentes fotográficas suelen tener un tono algo azulado (ya que reflejan un poco más de luz azul que otras longitudes de onda visibles), aunque también se utilizan recubrimientos con tonalidades verdes y rosadas.

Si la óptica recubierta se utiliza con incidencia no normal (es decir, con rayos de luz que no son perpendiculares a la superficie), sus capacidades antirreflectantes se degradan ligeramente. Esto ocurre porque la fase acumulada en la capa, en relación con la fase de la luz reflejada inmediatamente, disminuye a medida que aumenta el ángulo con respecto a la normal. Esto resulta contraintuitivo, ya que el rayo experimenta un mayor desplazamiento de fase total en la capa que en el caso de incidencia normal. Esta paradoja se resuelve al observar que el rayo saldrá de la capa con un desplazamiento espacial respecto a su punto de entrada e interferirá con las reflexiones de los rayos incidentes que tuvieron que recorrer una mayor distancia (acumulando así más fase propia) para llegar a la interfaz. El efecto neto es que la fase relativa se reduce, desplazando el recubrimiento, de modo que la banda antirreflectante del mismo tiende a moverse hacia longitudes de onda más cortas a medida que se inclina la óptica. Los ángulos de incidencia no normales también suelen provocar que la reflexión dependa de la polarización .

La reflexión se puede reducir texturizando la superficie con pirámides 3D o ranuras 2D (rejillas). Este tipo de recubrimiento texturizado se puede crear utilizando, por ejemplo, el método de Langmuir-Blodgett . ^{[ 22 ]}

Si la longitud de onda es mayor que el tamaño de la textura, esta se comporta como una película de índice de refracción gradual con reflexión reducida. Para calcular la reflexión en este caso, se pueden utilizar aproximaciones de medio efectivo . Para minimizar la reflexión, se han propuesto diversos perfiles de pirámides, como los cúbicos, quínticos o exponenciales integrales.

Si la longitud de onda es menor que el tamaño de la textura, la reducción de la reflexión se puede explicar con la ayuda de la aproximación de la óptica geométrica : los rayos deben reflejarse muchas veces antes de regresar a la fuente. En este caso, la reflexión se puede calcular mediante el trazado de rayos .

El uso de texturas también reduce la reflexión para longitudes de onda comparables con el tamaño de la característica. En este caso, ninguna aproximación es válida y la reflexión se puede calcular resolviendo numéricamente las ecuaciones de Maxwell .

Las propiedades antirreflectantes de las superficies texturizadas se discuten ampliamente en la literatura para una amplia gama de relaciones tamaño-longitud de onda (incluidos los límites de onda larga y corta) para encontrar el tamaño de textura óptimo. ^{[ 23 ]}