طلاء مضاد للانعكاس

قد يوصي أخصائيو البصريات باستخدام "عدسات مضادة للانعكاس" لأن انخفاض الانعكاس يُحسّن المظهر الجمالي للعدسات. يُقال غالبًا أن هذه العدسات تُقلل من الوهج ، لكن هذا التقليل طفيف جدًا. ^{[ 3 ]} يسمح التخلص من الانعكاسات بمرور كمية أكبر من الضوء، مما يُحسّن التباين وحدة البصر بشكل طفيف.

لا ينبغي الخلط بين العدسات الطبية المضادة للانعكاس والعدسات المستقطبة ، الموجودة فقط في النظارات الشمسية والتي تقلل (عن طريق الامتصاص) من وهج الشمس المرئي المنعكس عن أسطح مثل الرمال والماء والطرق. يشير مصطلح "مضاد للانعكاس" إلى الانعكاس من سطح العدسة نفسها، وليس إلى مصدر الضوء الذي يصل إليها.

تتضمن العديد من العدسات المضادة للانعكاس طبقة إضافية طاردة للماء والشحوم ، مما يُسهّل تنظيفها. وتُعدّ هذه الطبقات مناسبة بشكل خاص للعدسات ذات معامل الانكسار العالي ، لأنها تعكس ضوءًا أكثر بدونها مقارنةً بالعدسات ذات معامل الانكسار المنخفض (نتيجة لمعادلات فرينل ) . كما أن طلاء العدسات ذات معامل الانكسار العالي أسهل وأقل تكلفة بشكل عام.

تُستخدم الطلاءات المضادة للانعكاس (ARC) بشكل شائع في الطباعة الضوئية الإلكترونية الدقيقة للمساعدة في تقليل تشوهات الصورة الناتجة عن الانعكاسات من سطح الركيزة. تُطبّق أنواع مختلفة من الطلاءات المضادة للانعكاس إما قبل (الطلاء المضاد للانعكاس السفلي، أو BARC) أو بعد طبقة المقاوم الضوئي ، وتساعد في تقليل الموجات المستقرة ، وتداخل الأغشية الرقيقة ، والانعكاسات المرآوية. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

غالباً ما تُغطى الخلايا الشمسية بطبقة مضادة للانعكاس. وتشمل المواد المستخدمة فلوريد المغنيسيوم ، ونيتريد السيليكون ، وثاني أكسيد السيليكون ، وثاني أكسيد التيتانيوم ، وأكسيد الألومنيوم . ^{[ 6 ] [ 7 ]}

اكتشف اللورد رايلي أبسط أشكال الطلاء المضاد للانعكاس عام ١٨٨٦. كان الزجاج البصري المتوفر آنذاك يميل إلى تكوين طبقة من الصدأ على سطحه مع مرور الوقت، نتيجةً لتفاعلات كيميائية مع البيئة. اختبر رايلي بعض قطع الزجاج القديمة ذات الصدأ الطفيف، ووجد، لدهشته، أنها تنقل ضوءًا أكثر من القطع الجديدة النظيفة. يستبدل الصدأ سطح التماس بين الهواء والزجاج بسطحين: سطح التماس بين الهواء والصدأ، وسطح التماس بين الصدأ والزجاج. ولأن معامل انكسار الصدأ يقع بين معامل انكسار الزجاج والهواء، فإن كلًا من هذين السطحين يُظهر انعكاسًا أقل من سطح التماس بين الهواء والزجاج. في الواقع، يكون مجموع الانعكاسين أقل من مجموع انعكاس سطح التماس "العاري" بين الهواء والزجاج، كما يمكن حسابه من معادلات فرينل .

يتمثل أحد الأساليب في استخدام الطلاءات المضادة للانعكاس ذات معامل الانكسار المتدرج (GRIN)، أي تلك التي تتميز بمعاملات انكسار متغيرة بشكل شبه مستمر. ^{[ 8 ]} وباستخدام هذه الطلاءات، يصبح من الممكن الحد من الانعكاس لنطاق واسع من الترددات وزوايا السقوط.

يتكون أبسط طلاء مضاد للانعكاس من طبقة رقيقة واحدة من مادة شفافة ذات معامل انكسار يساوي الجذر التربيعي لمعامل انكسار المادة الأساسية. في الهواء، يُفترض نظريًا أن هذا الطلاء لا يعكس الضوء الذي يبلغ طول موجته (في الطلاء) أربعة أضعاف سمك الطلاء. كما ينخفض ​​الانعكاس أيضًا للأطوال الموجية ضمن نطاق واسع حول المركز. تُسمى الطبقة التي يبلغ سمكها ربع طول موجة مُحددة "طبقة ربع الموجة".

يُعدّ زجاج التاج النوع الأكثر شيوعًا من الزجاج البصري ، ويبلغ معامل انكساره حوالي 1.52. ويتطلب الطلاء الأمثل أحادي الطبقة استخدام مادة ذات معامل انكسار يبلغ حوالي 1.23. ولا توجد مواد صلبة ذات معامل انكسار منخفض كهذا. أما أقرب المواد ذات الخصائص الفيزيائية الجيدة للطلاء فهي فلوريد المغنيسيوم (MgF₂ ) (بمعامل انكسار 1.38)، _{والبوليمرات} الفلورية ، التي قد يصل معامل انكسارها إلى 1.30، ولكن تطبيقها أكثر صعوبة. ^{[ 9 ]} يُعطي طلاء MgF₂ على سطح زجاج التاج انعكاسًا بنسبة 1% تقريبًا، مقارنةً بنسبة 4% للزجاج غير المطلي. ويُظهر طلاء MgF₂ _أداءً أفضل بكثير على أنواع الزجاج ذات معامل الانكسار الأعلى، وخاصةً تلك التي يقترب معامل انكسارها من 1.9. ويُستخدم طلاء MgF₂ على نطاق واسع نظرًا لانخفاض تكلفته _{ومتانته .} عندما يتم تصميم الطلاءات لطول موجي في منتصف النطاق المرئي ، فإنها توفر مقاومة جيدة نسبياً للانعكاس على كامل النطاق.

وقد أنتج الباحثون أغشية من جسيمات السيليكا النانوية المسامية ذات معامل انكسار منخفض يصل إلى 1.12، والتي تعمل كطلاءات مضادة للانعكاس. ^{[ 10 ]}

باستخدام طبقات متناوبة من مادة ذات معامل انكسار منخفض، مثل السيليكا ، ومادة ذات معامل انكسار أعلى، يُمكن الحصول على انعكاسية منخفضة تصل إلى 0.1% عند طول موجي واحد. كما يُمكن تصنيع طلاءات تُعطي انعكاسية منخفضة للغاية عبر نطاق واسع من الترددات، على الرغم من أنها معقدة ومكلفة نسبيًا. ويمكن أيضًا تصنيع طلاءات بصرية بخصائص مميزة، مثل انعكاسية شبه معدومة عند أطوال موجية متعددة، أو أداء مثالي عند زوايا سقوط غير الصفر.

تُعدّ طبقة "الطبقة المضادة للانعكاس الماصة" فئةً إضافيةً من طبقات الطلاء المضادة للانعكاس. تُفيد هذه الطبقات في الحالات التي لا يكون فيها النفاذ العالي للضوء عبر السطح مهمًا أو مرغوبًا فيه، ولكن يُشترط انخفاض الانعكاس. فهي تُنتج انعكاسًا منخفضًا جدًا باستخدام طبقات قليلة، وغالبًا ما يُمكن إنتاجها بتكلفة أقل أو على نطاق أوسع من طبقات الطلاء المضادة للانعكاس غير الماصة التقليدية. (انظر، على سبيل المثال، براءة الاختراع الأمريكية رقم 5,091,244 ). غالبًا ما تستفيد طبقات الطلاء المضادة للانعكاس الماصة من الخصائص البصرية غير العادية التي تُظهرها الأغشية الرقيقة المركبة المُنتجة بتقنية الترسيب بالرش . على سبيل المثال، يُستخدم نتريد التيتانيوم ونتريد النيوبيوم في طبقات الطلاء المضادة للانعكاس الماصة. يُمكن أن تكون هذه الطبقات مفيدةً في التطبيقات التي تتطلب تحسين التباين أو كبديل للزجاج الملون (على سبيل المثال، في شاشة CRT ).

تتمتع عيون العث بخاصية فريدة: أسطحها مغطاة بغشاء طبيعي ذي بنية نانوية ، مما يمنع الانعكاسات. وهذا يسمح للعثة بالرؤية بوضوح في الظلام، دون أن تكشف الانعكاسات موقعها للمفترسات. ^{[ 11 ]} تتكون هذه البنية من نمط سداسي من النتوءات،  يبلغ ارتفاع كل منها حوالي 200 نانومتر، والمسافة بين  مراكزها 300 نانومتر. ^{[ 12 ]} يعمل هذا النوع من الطلاء المضاد للانعكاس لأن النتوءات أصغر من الطول الموجي للضوء المرئي، لذا يرى الضوء السطح على أنه ذو تدرج مستمر في معامل الانكسار بين الهواء والوسط، مما يقلل الانعكاس عن طريق إزالة سطح التلامس بين الهواء والعدسة بشكل فعال. وقد صنع البشر أغشية عملية مضادة للانعكاس باستخدام هذه الخاصية؛ ^{[ 13 ]} وهذا شكل من أشكال المحاكاة الحيوية . تستخدم شركة كانون تقنية عين العثة في طلاء SWC ذي البنية دون الطول الموجي، مما يقلل بشكل كبير من توهج العدسة . ^{[ 14 ]}

تُستخدم هذه البنى أيضًا في الأجهزة الضوئية، فعلى سبيل المثال، يمكن استخدام بنى عين العثة المصنوعة من أكسيد التنجستن وأكسيد الحديد كأقطاب ضوئية لتحليل الماء وإنتاج الهيدروجين. ^{[ 15 ]} تتكون هذه البنية من كريات من أكسيد التنجستن يبلغ قطرها عدة مئات من الميكرومترات، مغطاة بطبقة من أكسيد الحديد بسمك بضعة نانومترات. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

يمكن استخدام مستقطب دائري مُلصق بسطح ما للتخلص من الانعكاسات. ^{[ 18 ] [ 19 ]} ينقل المستقطب الضوء باتجاه دائري واحد . أما الضوء المنعكس من السطح بعد مروره عبر المستقطب، فيتحول إلى الاتجاه المعاكس. لا يستطيع هذا الضوء المرور عبر المستقطب الدائري مرة أخرى لتغير اتجاهه الدائري (مثلاً من استقطاب دائري يميني إلى استقطاب دائري يساري). من عيوب هذه الطريقة أنه إذا كان الضوء الداخل غير مستقطب، فإن نسبة النفاذية عبر المستقطب ستكون أقل من 50%.

عندما ينتقل شعاع ضوئي من وسط إلى آخر (على سبيل المثال، عند دخول الضوء لوحًا زجاجيًا بعد مروره بالهواء )، ينعكس جزء منه عن السطح الفاصل بين الوسطين. يمكن ملاحظة ذلك عند النظر من خلال نافذة ، حيث يظهر انعكاس ( ضعيف ) من السطحين الأمامي والخلفي للزجاج. تعتمد قوة الانعكاس على نسبة معاملَي انكسار الوسطين، بالإضافة إلى زاوية السطح بالنسبة لشعاع الضوء. ويمكن حساب القيمة الدقيقة باستخدام معادلات فرينل .

عندما يصطدم الضوء بالسطح الفاصل بشكل عمودي (عمودي على السطح)، فإن شدة الضوء المنعكس تُعطى بواسطة معامل الانعكاس ، أو الانعكاسية ، R :

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

حيث n₀ و nₛ هما معامل الانكسار للوسطين الأول والثاني على التوالي. تتراوح قيمة R من 0 (انعدام الانعكاس) إلى 1 (انعكاس كامل للضوء)، وعادةً ما تُعبّر عنها كنسبة _{مئوية .} يُكمّل R معامل النفاذية ، أو النقلية ، T. إذا أُهمل الامتصاص والتشتت ، فإن قيمة T تساوي دائمًا 1 - R. بالتالي، إذا سقط شعاع ضوئي شدته I على السطح، فإنه ينعكس شعاع شدته RI ، وينفذ شعاع شدته TI إلى الوسط.

في السيناريو المبسط لانتقال الضوء المرئي من الهواء ( معامل _{انكساره} n₀ ≈ 1.0) إلى الزجاج العادي ( _{معامل انكساره} nₛ ≈ 1.5 )، تكون قيمة R هي 0.04، أو 4%، عند انعكاس واحد. لذا، فإن 96% على الأكثر من الضوء ( T = 1 − R = 0.96 ) يدخل فعليًا إلى الزجاج، بينما ينعكس الباقي عن السطح. تُعرف كمية الضوء المنعكس بفقدان الانعكاس .

في سيناريو الانعكاسات المتعددة الأكثر تعقيدًا، كما في حالة مرور الضوء عبر نافذة، ينعكس الضوء عند انتقاله من الهواء إلى الزجاج، ثم ينعكس على الجانب الآخر من النافذة عند عودته من الزجاج إلى الهواء. ويكون مقدار الفقد متساويًا في الحالتين. وقد يرتد الضوء أيضًا من سطح إلى آخر عدة مرات، حيث ينعكس جزئيًا وينفذ جزئيًا في كل مرة. إجمالًا، يُعطى معامل الانعكاس الكلي بالمعادلة 2R / (1 + R ) . بالنسبة للزجاج في الهواء، يبلغ هذا المعامل حوالي 7.7%.

كما لاحظ اللورد رايلي ، فإن طبقة رقيقة (مثل الصدأ) على سطح الزجاج يمكن أن تقلل من انعكاسيته. ويمكن تفسير هذا التأثير بتصور طبقة رقيقة من مادة ذات معامل انكسار n1 بين الهواء (معامل انكساره n0) والزجاج (معامل انكساره nS ) . ينعكس شعاع _{الضوء الآن مرتين: مرة من السطح الفاصل بين الهواء والطبقة الرقيقة، ومرة ​​من السطح الفاصل بين} الطبقة والزجاج.

من المعادلة أعلاه ومعاملات الانكسار المعروفة، يمكن حساب معامل الانعكاس لكلا السطحين، ويُرمز لهما _{بـ R₀₁} و R₁S على التوالي. وبالتالي _{، فإن} النفاذية عند كل سطح هي T₀₁ = 1 − R₀₁ و _T₁S = 1 − R₁S . ومن ثم، فإن النفاذية الكلية إلى الزجاج هي T₁S/T₀₁ . _بحساب هذه القيمة _{لقيم مختلفة لـ} n₁ _، يتضح أنه عند قيمة معينة لمعامل الانكسار الأمثل للطبقة، تتساوى نفاذية كلا السطحين، وهذا يُقابل أعلى نفاذية كلية إلى الزجاج.

تُعطى هذه القيمة المثلى بالمتوسط ​​الهندسي للمؤشرين المحيطين:

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

على سبيل المثال، بالنسبة للزجاج ( n _S ≈ 1.5 ) في الهواء ( n ₀ ≈ 1.0 )، فإن معامل الانكسار الأمثل هو n ₁ ≈ 1.225 . ^{[ 20 ] [ 21 ]}

تبلغ نسبة فقدان الانعكاس لكل سطح فاصل حوالي 1.0% (مع فقدان إجمالي قدره 2.0%)، ونسبة نفاذية إجمالية ₍ T1S T01 ₎ تبلغ حوالي 98%. لذلك، يمكن لطبقة وسيطة بين الهواء والزجاج أن تقلل فقدان الانعكاس إلى النصف.

يمكن تشبيه استخدام طبقة وسيطة لتشكيل طلاء مضاد للانعكاس بتقنية مطابقة معاوقة الإشارات الكهربائية. (تُستخدم طريقة مماثلة في أبحاث الألياف الضوئية ، حيث يُستخدم أحيانًا زيت مُطابق لمعامل الانكسار لإيقاف الانعكاس الداخلي الكلي مؤقتًا ، مما يسمح بدخول الضوء إلى الألياف أو خروجه منها). ويمكن نظريًا تقليل الانعكاس بشكل أكبر بتوسيع نطاق العملية لتشمل عدة طبقات من المواد، مع مزج معامل انكسار كل طبقة تدريجيًا بين معامل انكسار الهواء ومعامل انكسار المادة الأساسية.

تعتمد الطلاءات العملية المضادة للانعكاس على طبقة وسيطة، ليس فقط لتقليل معامل الانعكاس بشكل مباشر، بل أيضًا على تأثير التداخل الناتج عن طبقة رقيقة. بافتراض أن سمك الطبقة مضبوط بدقة بحيث يكون ربع طول موجة الضوء فيها ( λ/4 = λ₀ _/ ( 4n₁ ) ، حيث λ₀ _{هو طول موجة الضوء في الفراغ} )، تُسمى هذه الطبقة حينها طلاء ربع موجة . في هذا النوع من الطلاء، يقطع شعاع ضوئي ساقط عموديًا ( I) ، عند انعكاسه من السطح الثاني، مسافة تساوي نصف طول موجته مقارنةً بالشعاع المنعكس من السطح الأول، مما يؤدي إلى تداخل هدّام. وينطبق هذا أيضًا على طبقات الطلاء الأكثر سمكًا (3λ/4، 5λ/4، إلخ)، إلا أن أداء مقاومة الانعكاس يكون أسوأ في هذه الحالة نظرًا لاعتماد الانعكاس بشكل أكبر على طول الموجة وزاوية السقوط.

إذا كانت شدة الشعاعين R1 و _{R2 متساوية تمامًا ،} فإنهما سيتداخلان تداخلاً هدامًا ويلغيان بعضهما البعض، لأنهما متعاكسان في الطور تمامًا . لذلك، لا يوجد انعكاس من السطح، ويجب أن تتركز كل طاقة الشعاع في الشعاع النافذ T. في حساب الانعكاس من طبقات متراصة، يمكن استخدام طريقة مصفوفة النقل .

لا تصل الطلاءات الحقيقية إلى الأداء المثالي، مع أنها قادرة على خفض معامل انعكاس السطح إلى أقل من 0.1%. كما أن سمك الطبقة يكون مثاليًا لطول موجي واحد فقط من الضوء. ومن الصعوبات الأخرى إيجاد مواد مناسبة للاستخدام على الزجاج العادي، إذ أن قلة من المواد المفيدة تمتلك معامل الانكسار المطلوب ( n ≈ 1.23 ) الذي يجعل شدة الشعاعين المنعكسين متساوية تمامًا. يُستخدم فلوريد المغنيسيوم (MgF₂ ₎ غالبًا، نظرًا لمقاومته العالية وسهولة تطبيقه على الركائز باستخدام الترسيب الفيزيائي للبخار ، على الرغم من أن معامل انكساره أعلى من المطلوب ( n = 1.38 ).

يمكن تحقيق خفض إضافي باستخدام طبقات طلاء متعددة، مصممة بحيث تخضع الانعكاسات من الأسطح لأقصى تداخل هدّام. إحدى طرق القيام بذلك هي إضافة طبقة ثانية بسمك ربع موجة ذات معامل انكسار أعلى بين الطبقة ذات معامل الانكسار المنخفض والركيزة. ينتج عن الانعكاس من جميع الأسطح الثلاثة تداخل هدّام وانعكاس مضاد. تستخدم تقنيات أخرى سماكات مختلفة للطلاء. باستخدام طبقتين أو أكثر، كل منها مصنوعة من مادة مختارة لتحقيق أفضل تطابق ممكن بين معامل الانكسار والتشتت المطلوبين ، يمكن عادةً الحصول على طلاءات مضادة للانعكاس واسعة النطاق تغطي النطاق المرئي (400-700  نانومتر) بانعكاسية قصوى أقل من 0.5%.

تحدد الطبيعة الدقيقة للطلاء مظهر العدسة المطلية؛ فالطلاءات المضادة للانعكاس الشائعة على النظارات والعدسات الفوتوغرافية غالباً ما تبدو زرقاء إلى حد ما (لأنها تعكس ضوءًا أزرق أكثر قليلاً من الأطوال الموجية المرئية الأخرى)، على الرغم من استخدام الطلاءات ذات اللون الأخضر والوردي أيضًا.

إذا استُخدمت العدسة المطلية بزاوية سقوط غير عمودية (أي عندما لا تكون أشعة الضوء عمودية على السطح)، فإن قدرتها على مقاومة الانعكاس تتراجع نوعًا ما. يحدث هذا لأن الطور المتراكم في الطبقة، مقارنةً بطور الضوء المنعكس مباشرةً، يتناقص مع ازدياد زاوية السقوط. وهذا يبدو غير بديهي، لأن الشعاع يتعرض لانزياح طور كلي أكبر في الطبقة مقارنةً بالسقوط العمودي. يُحل هذا التناقض بملاحظة أن الشعاع سيخرج من الطبقة مُزاحًا مكانيًا عن نقطة دخوله، وسيتداخل مع انعكاسات الأشعة الواردة التي قطعت مسافة أطول (وبالتالي تراكم طور أكبر خاص بها) للوصول إلى السطح الفاصل. والنتيجة النهائية هي انخفاض الطور النسبي، مما يُزيح الطلاء، بحيث يميل نطاق مقاومة الانعكاس للطلاء إلى التحرك نحو أطوال موجية أقصر مع إمالة العدسة. كما أن زوايا السقوط غير العمودية تجعل الانعكاس عادةً مُعتمدًا على الاستقطاب .

يمكن تقليل الانعكاس عن طريق تشكيل السطح بأهرامات ثلاثية الأبعاد أو أخاديد ثنائية الأبعاد (شبكات). يمكن إنشاء هذا النوع من الطلاء المحكم باستخدام طريقة لانغمير-بلودجيت على سبيل المثال . ^{[ 22 ]}

إذا كان الطول الموجي أكبر من حجم النسيج، فإن النسيج يتصرف كغشاء ذي معامل انكسار متدرج مع انعكاس منخفض. لحساب الانعكاس في هذه الحالة، يمكن استخدام تقريبات الوسط الفعال . ولتقليل الانعكاس إلى أدنى حد، تم اقتراح أشكال هرمية مختلفة، مثل الأشكال التكعيبية أو الخماسية أو الأسية التكاملية.

إذا كان الطول الموجي أصغر من حجم السطح المزخرف، فيمكن تفسير انخفاض الانعكاس باستخدام تقريب البصريات الهندسية : إذ تنعكس الأشعة عدة مرات قبل أن تعود إلى المصدر. في هذه الحالة، يمكن حساب الانعكاس باستخدام تتبع الأشعة .

يقلل استخدام النسيج من الانعكاس للأطوال الموجية التي تُقارب حجم الميزة. في هذه الحالة، لا يُمكن استخدام أي تقريب، ويمكن حساب الانعكاس عن طريق حل معادلات ماكسويل عدديًا .

تمت مناقشة خصائص الأسطح ذات النسيج المضاد للانعكاس بشكل جيد في الأدبيات لمجموعة واسعة من نسب الحجم إلى الطول الموجي (بما في ذلك حدود الموجات الطويلة والقصيرة) لإيجاد الحجم الأمثل للنسيج. ^{[ 23 ]}