Cu o reflecție redusă și o absorbție redusă pe intervale spectrale largi, suprafețele structurate cu ochiuri oferă o alternativă la acoperirile tradiționale antireflex.

filme

Bruce MacLeod și Greg Sonek

Cu o reflecție redusă și o absorbție redusă pe intervale spectrale largi, suprafețele structurate cu ochiuri oferă o alternativă la acoperirile tradiționale antireflex.

Proprietățile optice ale peliculelor subțiri multistrat și ale stivelor dielectrice sunt în mare parte bine cunoscute. În funcție de grosimea lor, indicele de refracție și coeficientul de absorbție, filmele subțiri pot funcționa ca acoperiri cu reflexie totală, parțială sau antireflecție (AR) pe o varietate de substraturi. Alegerea materialului de acoperire de utilizat este adesea dictată de aplicație, de condițiile de mediu la care va fi supus optica acoperită și de costul atingerii unui nivel specific de performanță.


FIGURA 1. Micrografia electronică de scanare a ochiului unei molii de noapte dezvăluie o serie de proiecții de dimensiuni ale lungimii de undă care acoperă suprafața ochiului. (Amabilitatea lui C. G. Bernhard: vezi Ref. 1) Faceți clic aici pentru a mări imaginea

Cu toate acestea, utilizarea acoperirilor AR poate fi problematică. Acoperirile tradiționale cu un singur strat AR sunt proiectate pentru a funcționa pe o bandă îngustă, de lungime de undă vizată și pentru a funcționa slab în afara intervalului desemnat. În plus, performanța acoperirilor tradiționale AR începe să se degradeze la unghiuri incidente peste 20 °. Acoperirile AR cu strat subțire multistrat abordează unele dintre aceste probleme cu succes moderat, dar la un cost de producție mai mare.

Acoperirile AR cu film subțire pot suferi eșecuri catastrofale sau delaminare datorită aplicațiilor cu energie ridicată sau cu ciclism termic. Aplicațiile laser de mare putere necesită lentile cu reflectivitate redusă pentru a limita retroreflecția cu energie ridicată. Performanța termică a acestor substraturi acoperite cu AR este guvernată de capacitatea structurii compozite de a disipa căldura generată de absorbția energiei laser incidente în timpul transmisiei sau reflexiei. Această abilitate este direct legată de absorbția care are loc în substrat, materialul de acoperire și diferite interfețe. Contaminarea suprafeței, aderența slabă și o nepotrivire a proprietăților termice pot contribui în continuare la crearea unor distribuții de temperatură neuniforme care duc treptat la degradarea filmului, inclusiv crăparea, decojirea, delaminarea și ruperea suprafeței.

În condiții extreme, poate apărea eșec catastrofal, cum ar fi fracturarea, topirea și ablația atât a filmului, cât și a substratului. Acest lucru poate duce la o degradare severă a performanței acoperirii AR.


FIGURA 2. Datorită perioadei sale de lungime de undă, o structură de ochi motheye cu relief de suprafață gravată într-un material substrat apare ca o peliculă cu indice de gradient la un fascicul de lumină incident, servind astfel ca strat de potrivire a impedanței care elimină reflexiile Fresnel la substratul de aer interfață. Faceți clic aici pentru a mări imaginea

O abordare care a arătat o mare promisiune pentru îndeplinirea cerințelor crescând de performante ale suprafețelor AR este utilizarea structurilor motheye sau a lungimii de undă. Termenul descriptiv structuri motheye a fost inventat la sfârșitul anilor 1960 și începutul anilor 1970 de către naturaliști care lucrează la relaționarea observațiilor în natură cu aplicațiile din lumea reală.

Acești cercetători au observat că ochii insectelor nocturne, cum ar fi molii, reflectă puțină sau deloc lumină, indiferent de unghiul de incidență al luminii iluminante sau de lungimea de undă a luminii. Au început să disecă diferiți ochi de insecte și au descoperit, sub mărirea mare oferită de un microscop electronic, că suprafața ochiului de molie este acoperită de o serie de protuberanțe conice înalte de 200 nm separate de 200 nm (vezi Fig. 1).

O structură motheye creează efectiv o peliculă cu indice de gradient dintr-un material cu indice de refracție uniform (a se vedea figura 2). În sine, un substrat optic prezintă o discontinuitate a indicelui de refracție la interfața dintre acesta și un mediu înconjurător cu indice de refracție diferit (cum ar fi aerul). Această nepotrivire a indicelui este responsabilă pentru unda reflectată care este generată atunci când un fascicul de lumină este incident pe suprafața sa. Dacă pe suprafața substratului se creează un model binar simplu, asemănător cu pașii, a perioadei de lungime de undă, structura binară se comportă ca și cum ar fi o peliculă subțire cu aceeași înălțime ca cea a pasului binar, dar cu un indice eficient care este un spațial. media mediului înconjurător și a indicilor de refracție a substratului.

O structură mai complexă în formă de oțel modelată în același substrat este echivalentă cu un teanc multistrat de pelicule subțiri, fiecare dintre acestea având un indice de refracție ușor diferit în funcție de zona sau factorul de umplere al etapei corespunzătoare. În limita unui profil de suprafață care variază continuu, structura motheye se comportă ca și cum ar fi un film cu indice de gradient cu un indice de refracție care variază continuu de la cel al mediului înconjurător la cel al substratului subiacent.

Acest proces este efectiv unul dintre potrivirile impedanței la lungimile de undă optice. În principiu, fără o discontinuitate a indicelui de refracție, un fascicul de lumină incident pe un substrat modelat cu motheye nu ar trebui să sufere pierderi de reflexie Fresnel. În practică, distanța specifică, adâncimea și geometria secțiunii transversale a structurii de relief suprafață determină proprietățile antireflectante ale suprafeței motheye, precum și lungimile de undă de tăiere inferioare și superioare pentru funcționare.

FIGURA 3. Un motheye proiectat pentru reflexie redusă la lungimi de undă vizibile prezintă o reflexie mai mică de 0,4% în spectrul vizibil (stânga sus). Proiectarea pentru motheye vizibil necesită o perioadă de 275 nm și o adâncime a structurii mai mare de 280 nm (dreapta sus). Un motheye din siliciu (Si) conceput pentru reflexie redusă la lungimea de undă în infraroșu arată o reflectare de 2% sau mai puțin pentru o gamă largă de unghiuri de incidență (jos stânga). Indicele ridicat de refracție al Si are ca rezultat un design motheye cu caracteristici conice (jos dreapta).

Proiectare și fabricație

Structurile Motheye pot fi proiectate pentru o varietate de materiale ultraviolete (UV), vizibile și infraroșii (IR), urmând câteva reguli simple de proiectare. În primul rând, pentru a evita efectele semnificative de difracție și împrăștiere a suprafeței, periodicitatea structurilor de relief de suprafață trebuie să fie mai mică decât cea mai scurtă lungime de undă de funcționare împărțită la indicele de refracție al substratului. Acest lucru este echivalent cu a avea doar ordinea zero reflectată și undele transmise se propagă, fără aberații sau distorsiuni, prin substrat. În caz contrar, structura motheye va funcționa ca o rețea de difracție convențională, cu cea mai mare parte a luminii împrăștiate în ordine de difracție mai mari.

În al doilea rând, pentru o performanță optimă, înălțimea structurilor ar trebui să fie de cel puțin 40% din cea mai lungă lungime de undă de funcționare. pe măsură ce indicele substratului subiacent crește.4

Procesul de bază pe care l-au dezvoltat sistemele de litografie holografică (Bedford, MA) și altele pentru fabricarea structurilor motheye se bazează pe litografia holografică (de interferență) și gravarea ionică reactivă. Litografia holografică este procesul de înregistrare, într-un film fotosensibil, a unui model periodic rezultat din interferența a două fascicule laser coerente. Fasciculele interferente produc o undă staționară optică cu o perioadă egală cu l/(2n sinq), unde l este lungimea de undă a laserului, n este indicele de refracție al mediului în care se face expunerea și q este unghiul de jumătate al fasciculele interferente.

Pe baza alegerii lui l și q, pot fi generate structuri cu perioade cuprinse între 200 nm și 4 µm cu dimensiuni critice de până la 100 nm și cât mai mulți microni. Procesul de expunere este inerent lipsit de mască, are o adâncime de câmp extrem de mare și poate produce o varietate de modele periodice uniforme (de exemplu, grătare, linii, găuri, conuri, vârfuri și stâlpi) pe suprafețe mari.

Pentru a face o suprafață motheye, substratul care urmează să fie modelat este acoperit cu un film care este fotosensibil la lungimea de undă laser specifică utilizată. După expunerea și dezvoltarea modelului motheye în filmul fotosensibil, modelul trebuie transferat pe substratul subiacent utilizând un proces de gravare. Gravarea ionică reactivă este metoda preferată, deoarece este capabilă să producă structuri cu un raport de aspect ridicat atât prin bombardarea fizică a ionilor, cât și prin gravarea chimică a suprafeței substratului.

Prin utilizarea tehnicilor de replicare, incluzând întărirea UV, turnarea prin injecție și ștanțare, este posibil să se formeze ochiuri în multe materiale folosite în aplicații cu lungime de undă vizibilă - de exemplu, fotopolimeri cu întărire UV, acrilice și policarbonate. Aceste tehnici s-au dovedit a avea fidelitatea ridicată necesară pentru a reproduce caracteristici până la perioade de 193 nm, menținând în același timp cele mai înalte niveluri de performanță.5 Pentru a genera în mod eficient instrumente „master” motheye pentru aceste eforturi de replicare, singurul master cu model fotorezistent poate fi durabil suficient pentru a rezista procesului de replicare. Deși majoritatea materialelor în infraroșu, cum ar fi selenura de zinc (ZnSe) și germaniu nu pot fi reproduse, replicarea - atunci când este posibil - poate oferi economii substanțiale de costuri în orice producție de volum, deoarece etapa de gravare nu va mai fi necesară.

Cerere de succes

Până în prezent, aceste tehnici au fost folosite cu succes pentru a produce modele de ochi mothe pentru IR vizibil, cu lungime de undă și lungime de undă IR în substraturi din sticlă, siliciu (Si) și ZnSe (vezi Fig. 3). O suprafață de sticlă neformată în aer are o reflectare aproape constantă de 4,2% pe lungimea de undă vizibilă de la 400 la 700 nm. Atunci când aceeași suprafață este modelată cu structuri motheye cu spațiul și profilul adecvat, pierderile de reflexie sunt reduse la mai puțin de 0,4% în spectrul vizibil. Pentru o suprafață de siliciu modelată cu un ochi mothe de 800 nm, proiectat pentru IR de lungime de undă, reflectanța eșantionului este redusă la sub 2% pe banda de 1,5-5,5 µm. Datele arată că suprafețele motheye sunt capabile să mențină reflectanța scăzută, chiar dacă unghiul incident crește la 50 °. Prin urmare, spre deosebire de acoperirile convenționale cu peliculă subțire, suprafețele structurate cu motheye au un unghi mare de acceptare și pot funcționa bine pe o gamă largă de lungimi de undă și la unghiuri incidente ridicate. Aplicațiile Motheye AR includ lentile și optice pentru utilizare în regiunile spectrale UV, vizibile și IR.

  1. C. G. Bernhard, Endeavour, 26, 79 (1967).
  2. D. H. Raguin și G. H. Morris, Appl. Opta. 32 (7), 1154 (1 martie 1993).
  3. S. J. Wilson și M. C. Hutley, Optica Acta 29 (7), 993 (1982).
  4. W. H. Southwell, J. Opt. Soc. A.m. A, 8 (3), 549 (martie 1991).
  5. J. Anagnostis, S. Payette și D. Rowe, "Replication of High Fidelity Surface Relief Structures", ASPE 1999 Spring Topical Meeting, Chapel Hill, NC (12 aprilie 1999).