Recubrimiento óptico

Los recubrimientos antirreflectantes se utilizan para reducir la reflexión en las superficies. Siempre que un rayo de luz pasa de un medio a otro (como cuando la luz entra en una lámina de vidrio después de viajar por el aire ), una parte de la luz se refleja en la superficie (conocida como interfaz ) entre los dos medios.

Se utilizan varios efectos diferentes para reducir la reflexión. El más simple es usar una capa delgada de material en la interfaz, con un índice de refracción entre los de los dos medios. La reflexión se minimiza cuando

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

dónde${\displaystyle n_{1}}$es el índice de la capa delgada, y${\displaystyle n_{0}}$y${\displaystyle n_{S}}$son los índices de los dos medios. Los índices de refracción óptimos para múltiples capas de recubrimiento en ángulos de incidencia distintos de 0° vienen dados por Moreno et al. (2005). ^{[ 3 ]}

Estos recubrimientos pueden reducir la reflexión del vidrio común de aproximadamente un 4 % por superficie a alrededor de un 2 %. Fueron el primer tipo de recubrimiento antirreflectante conocido, descubierto por Lord Rayleigh en 1886. Él observó que, debido a este efecto, las piezas de vidrio antiguas y ligeramente deslustradas transmitían más luz que las nuevas y limpias.

Los recubrimientos antirreflectantes prácticos 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. Si el espesor de la capa se controla con precisión para que sea exactamente un cuarto de la longitud de onda de la luz que la atraviesa (un recubrimiento de un cuarto de onda ), las reflexiones de las caras frontal y posterior de la capa delgada interferirán destructivamente y se cancelarán entre sí.

En la práctica, el rendimiento de un recubrimiento de interferencia simple de una sola capa está limitado por el hecho de que las reflexiones solo se cancelan exactamente para una longitud de onda de luz en un ángulo determinado, y por las dificultades para encontrar materiales adecuados. Para el vidrio común ( n ≈ 1,5), el índice de recubrimiento óptimo es n ≈ 1,23. Pocas sustancias útiles tienen el índice de refracción requerido. El fluoruro de magnesio (MgF₂ ₎ se usa con frecuencia, ya que es resistente al desgaste y se puede aplicar fácilmente a sustratos mediante deposición física de vapor , aunque su índice es más alto de lo deseable (n = 1,38). Con dichos recubrimientos, se puede lograr una reflexión tan baja como el 1 % en vidrio común, y se pueden obtener mejores resultados en medios con índices más altos.

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. Al utilizar dos o más capas,  se suelen obtener recubrimientos antirreflectantes de banda ancha que cubren el rango visible (400-700 nm) con reflectividades máximas inferiores al 0,5 %. La reflexión en bandas de longitud de onda más estrechas puede ser tan baja como el 0,1 %. Alternativamente, se puede utilizar una serie de capas con pequeñas diferencias en el índice de refracción para crear un recubrimiento antirreflectante de banda ancha mediante un gradiente de índice de refracción .

Los recubrimientos de alta reflectancia (HR) funcionan de manera opuesta a los recubrimientos antirreflectantes. La idea general se basa en un sistema de capas periódicas compuesto por dos materiales: uno con un índice alto, como el sulfuro de zinc ( n = 2,32) o el dióxido de titanio ( n = 2,4), y otro con un índice bajo, como el fluoruro de magnesio ( n = 1,38) o el dióxido de silicio ( n = 1,49). Este sistema periódico mejora significativamente la reflectividad de la superficie en un rango de longitud de onda determinado, denominado banda de rechazo , cuyo ancho está determinado únicamente por la relación de los dos índices utilizados (para sistemas de cuarto de onda). La reflectividad máxima aumenta hasta casi el 100 % con el número de capas en la pila . Los espesores de las capas suelen ser de cuarto de onda (lo que da lugar a la banda de alta reflectancia más amplia en comparación con los sistemas que no son de cuarto de onda compuestos por los mismos materiales), diseñados de manera que los haces reflejados interfieran constructivamente entre sí para maximizar la reflexión y minimizar la transmisión. Los mejores recubrimientos, formados a partir de materiales dieléctricos sin pérdidas depositados sobre superficies perfectamente lisas, pueden alcanzar reflectividades superiores al 99,999 % (en un rango de longitudes de onda bastante estrecho). Los recubrimientos HR comunes pueden lograr una reflectividad del 99,9 % en un amplio rango de longitudes de onda (decenas de nanómetros en el espectro visible).

En cuanto a los recubrimientos antirreflectantes (AR), los recubrimientos de alta reflectancia (HR) se ven afectados por el ángulo de incidencia de la luz. Cuando se utilizan con una incidencia distinta a la normal, el rango reflectante se desplaza hacia longitudes de onda más cortas y se vuelve dependiente de la polarización. Este efecto puede aprovecharse para producir recubrimientos que polarizan un haz de luz.

Al manipular el grosor y la composición exactos de las capas en la estructura reflectante, las características de reflexión se pueden ajustar a una aplicación específica e incorporar regiones de longitud de onda tanto altamente reflectantes como antirreflectantes. El recubrimiento puede diseñarse como un filtro de paso largo o corto, un filtro de paso de banda o de muesca, o un espejo con una reflectividad específica (útil en láseres). Por ejemplo, el conjunto de prisma dicroico utilizado en algunas cámaras requiere dos recubrimientos dieléctricos: un filtro de paso largo que refleja la luz por debajo de 500  nm (para separar el componente azul de la luz) y un filtro de paso corto que refleja la luz roja, por encima de 600  nm. La luz transmitida restante es el componente verde.

Los recubrimientos conductores transparentes se utilizan en aplicaciones donde es importante que el recubrimiento conduzca electricidad o disipe la carga estática . Los recubrimientos conductores se utilizan para proteger la apertura de la interferencia electromagnética , mientras que los recubrimientos disipativos se utilizan para evitar la acumulación de electricidad estática . Los recubrimientos conductores transparentes también se utilizan ampliamente para proporcionar electrodos en situaciones donde se requiere el paso de la luz, por ejemplo, en tecnologías de pantallas planas y en muchos experimentos fotoelectroquímicos . Una sustancia común utilizada en recubrimientos conductores transparentes es el óxido de indio y estaño (ITO). Sin embargo, el ITO no es muy transparente ópticamente. Las capas deben ser delgadas para proporcionar una transparencia sustancial, particularmente en el extremo azul del espectro. Utilizando ITO, se pueden lograr resistencias de lámina de 20 a 10 000 ohmios por cuadrado . Un recubrimiento de ITO se puede combinar con un recubrimiento antirreflectante para mejorar aún más la transmitancia . Otros TCO (óxidos conductores transparentes) incluyen AZO (óxido de zinc dopado con aluminio), que ofrece una transmisión UV mucho mejor que el ITO. Una clase especial de recubrimientos conductores transparentes se aplica a las películas infrarrojas para óptica militar aérea de teatro de operaciones, donde las ventanas transparentes a los infrarrojos deben tener propiedades de sigilo ( tecnología de sigilo ) contra el radar . Estos se conocen como RAIT (atenuadores de radar/transmisores de infrarrojos) e incluyen materiales como el DLC ( carbono tipo diamante ) dopado con boro .

Las múltiples reflexiones internas en los prismas de techo provocan un desfase de la luz transmitida que depende de la polarización , de forma similar a un rombo de Fresnel . Este desfase debe corregirse mediante recubrimientos de corrección de fase multicapa aplicados a una de las superficies del techo para evitar interferencias no deseadas y una pérdida de contraste en la imagen. Los recubrimientos dieléctricos de corrección de fase se aplican en una cámara de vacío con hasta 30 capas superpuestas de recubrimiento de vapor, lo que convierte el proceso de producción en algo complejo.

En un prisma de techo sin recubrimiento corrector de fase, la luz polarizada en s y la polarizada en p adquieren fases geométricas diferentes al pasar a través del prisma superior. Cuando los dos componentes polarizados se recombinan, la interferencia entre la luz polarizada en s y la polarizada en p produce una distribución de intensidad diferente perpendicular al borde del techo en comparación con la distribución a lo largo del borde. Este efecto reduce el contraste y la resolución de la imagen perpendicular al borde del techo, produciendo una imagen inferior en comparación con la obtenida mediante un sistema de prisma de Porro . Este efecto de difracción en el borde del techo también puede observarse como un pico de difracción perpendicular al borde del techo generado por puntos brillantes en la imagen. En óptica técnica, esta fase se conoce como fase de Pancharatnam [ ^{4 ] , y en física cuántica ,} un fenómeno equivalente se conoce como fase de Berry ^{[ 5 ]} .

Este efecto se puede observar en el alargamiento del disco de Airy en la dirección perpendicular a la cresta del tejado, ya que se trata de una difracción debida a la discontinuidad en la cresta del tejado.

Los efectos de interferencia no deseados se suprimen mediante la deposición por vapor de un recubrimiento dieléctrico especial, conocido como recubrimiento de compensación de fase, en las superficies superiores del prisma de techo. Este recubrimiento de corrección de fase o recubrimiento P en las superficies superiores fue desarrollado en 1988 por Adolf Weyrauch en Carl Zeiss ^{[ 6 ].} Otros fabricantes pronto lo adoptaron, y desde entonces los recubrimientos de corrección de fase se utilizan de forma generalizada en binoculares de prisma de techo de calidad media y alta . Este recubrimiento corrige la diferencia en la fase geométrica entre la luz polarizada en s y en p, de modo que ambas tengan efectivamente el mismo desplazamiento de fase, evitando la interferencia que degrada la imagen. ^{[ 7 ]}

Desde un punto de vista técnico, la capa de recubrimiento de corrección de fase no corrige el desplazamiento de fase real, sino la polarización parcial de la luz resultante de la reflexión total. Dicha corrección solo se puede realizar para una longitud de onda seleccionada y un ángulo de incidencia específico ; sin embargo, es posible corregir aproximadamente un prisma de techo para luz policromática superponiendo varias capas. ^{[ 8 ]} De esta manera, desde la década de 1990, los binoculares con prisma de techo también han alcanzado valores de resolución que antes solo se podían lograr con prismas de Porro. ^{[ 9 ]} La presencia de un recubrimiento de corrección de fase se puede comprobar en binoculares sin abrir utilizando dos filtros de polarización. ^{[ 6 ]}

Los recubrimientos ópticos de resonancia de Fano (FROC) representan una nueva categoría de recubrimientos ópticos. ^{[ 10 ]} Los FROC exhiben la resonancia fotónica de Fano mediante el acoplamiento de una nanocavidad de banda ancha, que actúa como continuo, con una nanocavidad Fabry-Perot de banda estrecha, que representa el estado discreto. La interferencia entre estas dos resonancias se manifiesta como una forma de línea de resonancia de Fano asimétrica. Los FROC se consideran una categoría aparte de recubrimientos ópticos porque poseen propiedades ópticas que no se pueden reproducir con otros recubrimientos ópticos. Principalmente, los FROC semitransparentes actúan como un filtro divisor de haz que refleja y transmite el mismo color, una propiedad que no se puede lograr con filtros de transmisión , espejos dieléctricos o metales semitransparentes.

Los FROC poseen notables propiedades de coloración estructural , ya que pueden producir colores en una amplia gama cromática con alto brillo y alta pureza. ^{[ 11 ]} Además, la dependencia del color con respecto al ángulo de la luz incidente se puede controlar mediante el material de la cavidad dieléctrica, lo que hace que los FROC sean adaptables a aplicaciones que requieren coloración independiente o dependiente del ángulo. Esto incluye fines decorativos y medidas antifalsificación.

Los FROC se utilizaron tanto como divisores de espectro monolíticos como absorbedores solares selectivos, lo que los hace adecuados para la generación híbrida de energía solar-térmica. ^{[ 10 ]} Se pueden diseñar para reflejar rangos de longitud de onda específicos, alineándose con la banda prohibida de energía de las células fotovoltaicas, mientras absorben el resto del espectro solar. Esto permite una mayor eficiencia fotovoltaica a concentraciones ópticas elevadas al reducir la temperatura de la célula fotovoltaica. La reducción de la temperatura también aumenta la vida útil de la célula. Además, su baja emisividad infrarroja minimiza las pérdidas térmicas, aumentando la eficiencia optotérmica general del sistema. ^{[ 10 ]}