طلاء بصري

تُستخدم الطلاءات المضادة للانعكاس لتقليل الانعكاس من الأسطح. فعندما ينتقل شعاع ضوئي من وسط إلى آخر (كما هو الحال عندما يدخل الضوء لوحًا زجاجيًا بعد مروره عبر الهواء )، ينعكس جزء من الضوء من السطح (المعروف بالسطح الفاصل ) بين الوسطين.

تُستخدم عدة طرق مختلفة لتقليل الانعكاس. أبسطها استخدام طبقة رقيقة من مادة ما عند السطح الفاصل، بمعامل انكسار يقع بين معاملَي انكسار الوسطين. ويقل الانعكاس إلى أدنى حد عندما

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

أين${\displaystyle n_{1}}$هو مؤشر الطبقة الرقيقة، و${\displaystyle n_{0}}$و${\displaystyle n_{S}}$يمثلان معاملَي الانكسار للوسطين. وقد حدد مورينو وآخرون (2005) معاملَي الانكسار الأمثلين لطبقات الطلاء المتعددة عند زوايا سقوط غير الصفر. ^{[ 3 ]}

يمكن لهذه الطلاءات أن تقلل انعكاس الضوء عن الزجاج العادي من حوالي 4% لكل سطح إلى حوالي 2%. وكانت هذه أول أنواع الطلاءات المضادة للانعكاس المعروفة، حيث اكتشفها اللورد رايلي عام 1886. وقد وجد أن قطع الزجاج القديمة، ذات اللون الباهت قليلاً، تنقل ضوءًا أكثر من القطع الجديدة النظيفة بسبب هذا التأثير.

تعتمد الطلاءات العملية المضادة للانعكاس على طبقة وسيطة ليس فقط لتقليل معامل الانعكاس بشكل مباشر، بل أيضاً على تأثير التداخل الناتج عن طبقة رقيقة. فإذا تم التحكم بدقة في سمك الطبقة بحيث يكون ربع طول موجة الضوء فيها ( طلاء ربع موجة )، فإن الانعكاسات من وجهي الطبقة الرقيقة ستتداخل تداخلاً هداماً وتلغي بعضها بعضاً.

عمليًا، يُحدّ أداء طبقة التداخل البسيطة أحادية الطبقة من خلال حقيقة أن الانعكاسات تتلاشى تمامًا عند طول موجي واحد للضوء وزاوية واحدة، ومن خلال صعوبة إيجاد مواد مناسبة. بالنسبة للزجاج العادي (معامل انكساره n ≈ 1.5)، يكون معامل الانكسار الأمثل للطبقة n ≈ 1.23. وقليل من المواد المفيدة تمتلك معامل الانكسار المطلوب. يُستخدم فلوريد المغنيسيوم (MgF₂ ₎ غالبًا، نظرًا لمتانته وسهولة تطبيقه على الركائز باستخدام الترسيب الفيزيائي للبخار ، على الرغم من أن معامل انكساره أعلى من المطلوب (n = 1.38). مع هذه الطبقات، يمكن تحقيق انعكاس منخفض يصل إلى 1% على الزجاج العادي، ويمكن الحصول على نتائج أفضل على أوساط ذات معامل انكسار أعلى.

يمكن تحقيق خفض إضافي باستخدام طبقات طلاء متعددة، مصممة بحيث تخضع الانعكاسات من الأسطح لأقصى قدر من التداخل الهدام. وباستخدام طبقتين أو أكثر،  يمكن عادةً الحصول على طلاءات مضادة للانعكاس واسعة النطاق تغطي النطاق المرئي (400-700 نانومتر) بانعكاسية قصوى أقل من 0.5%. ويمكن أن تصل نسبة الانعكاس في نطاقات أطوال موجية أضيق إلى 0.1%. وبدلاً من ذلك، يمكن استخدام سلسلة من الطبقات ذات اختلافات طفيفة في معامل الانكسار لإنشاء طلاء مضاد للانعكاس واسع النطاق عن طريق تدرج معامل الانكسار .

تعمل الطلاءات عالية الانعكاس (HR) بطريقة معاكسة للطلاءات المضادة للانعكاس. وتعتمد الفكرة العامة عادةً على نظام طبقات دورية مكونة من مادتين، إحداهما ذات معامل انكسار عالٍ، مثل كبريتيد الزنك ( n = 2.32) أو ثاني أكسيد التيتانيوم ( n = 2.4)، والأخرى ذات معامل انكسار منخفض، مثل فلوريد المغنيسيوم ( n = 1.38) أو ثاني أكسيد السيليكون ( n = 1.49). يُحسّن هذا النظام الدوري بشكل ملحوظ انعكاسية السطح في نطاق أطوال موجية محدد يُسمى نطاق الحجب ، والذي يتحدد عرضه بنسبة معاملَي الانكسار المستخدمين فقط (في أنظمة ربع الموجة)، بينما تزداد الانعكاسية القصوى لتصل إلى ما يقارب 100% مع زيادة عدد الطبقات في التركيب . تكون سماكة الطبقات عادةً ربع موجة (مما يُتيح الحصول على أوسع نطاق انعكاس عالٍ مقارنةً بالأنظمة غير ربع الموجة المكونة من نفس المواد)، ويتم تصميمها هذه المرة بحيث تتداخل الحزم المنعكسة تداخلاً بناءً لزيادة الانعكاس إلى أقصى حد وتقليل النفاذية إلى أدنى حد. يمكن لأفضل هذه الطلاءات، المُصنّعة من مواد عازلة عديمة الفقد مُرَسَّبة على أسطح ناعمة تمامًا، أن تصل إلى انعكاسية تتجاوز 99.999% (ضمن نطاق ضيق نسبيًا من الأطوال الموجية). أما الطلاءات عالية الانعكاسية الشائعة، فيمكنها تحقيق انعكاسية تصل إلى 99.9% ضمن نطاق واسع من الأطوال الموجية (عشرات النانومترات في نطاق الطيف المرئي).

أما بالنسبة للطلاءات المضادة للانعكاس، فإن الطلاءات عالية الانعكاس تتأثر بزاوية سقوط الضوء. فعند استخدامها بعيدًا عن زاوية السقوط العمودية، ينزاح نطاق الانعكاس نحو أطوال موجية أقصر، ويصبح معتمدًا على الاستقطاب. ويمكن استغلال هذا التأثير لإنتاج طلاءات تستقطب شعاع الضوء.

من خلال التحكم الدقيق في سُمك وتركيب طبقات الرقاقة العاكسة، يُمكن ضبط خصائص الانعكاس لتناسب تطبيقًا مُحددًا، وقد يشمل ذلك مناطق ذات أطوال موجية عالية الانعكاس وأخرى مضادة للانعكاس. يُمكن تصميم الطلاء كمرشح تمرير طويل أو قصير، أو مرشح تمرير نطاقي أو مرشح حجب، أو مرآة ذات انعكاسية مُحددة (مفيدة في الليزر). على سبيل المثال، يتطلب تجميع الموشور ثنائي اللون المُستخدم في بعض الكاميرات طبقتين عازلتين، إحداهما مرشح تمرير طويل الموجة يعكس الضوء الذي يقل طول موجته عن 500  نانومتر (لفصل المكون الأزرق من الضوء)، والأخرى مرشح تمرير قصير الموجة يعكس الضوء الأحمر الذي يزيد  طول موجته عن 600 نانومتر. أما الضوء المُتبقي فهو المكون الأخضر.

تُستخدم الطلاءات الموصلة الشفافة في التطبيقات التي تتطلب توصيل الكهرباء أو تبديد الشحنات الساكنة . تُستخدم الطلاءات الموصلة لحماية الفتحة من التداخل الكهرومغناطيسي ، بينما تُستخدم الطلاءات المبددة لمنع تراكم الكهرباء الساكنة . كما تُستخدم الطلاءات الموصلة الشفافة على نطاق واسع لتوفير أقطاب كهربائية في الحالات التي تتطلب مرور الضوء، كما هو الحال في تقنيات شاشات العرض المسطحة وفي العديد من التجارب الكهروضوئية . يُعد أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) مادة شائعة الاستخدام في الطلاءات الموصلة الشفافة . مع ذلك، لا يتميز ITO بشفافية بصرية عالية، لذا يجب أن تكون طبقاته رقيقة لتوفير شفافية كافية، خاصةً عند الطرف الأزرق من الطيف. باستخدام ITO، يمكن تحقيق مقاومة سطحية تتراوح بين 20 و10000 أوم لكل مربع . يمكن دمج طلاء ITO مع طلاء مضاد للانعكاس لتحسين النفاذية بشكل أكبر . تشمل الأكاسيد الموصلة الشفافة الأخرى أكسيد الزنك المُطعّم بالألومنيوم (AZO)، الذي يوفر نفاذية للأشعة فوق البنفسجية أفضل بكثير من أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO). ويُستخدم نوع خاص من الطلاءات الموصلة الشفافة في أغشية الأشعة تحت الحمراء المستخدمة في البصريات العسكرية الجوية، حيث يجب أن تتمتع النوافذ الشفافة للأشعة تحت الحمراء بخصائص التخفي الراداري ( تقنية التخفي ). تُعرف هذه الطلاءات باسم RAITs (مخففة الرادار/ناقلة الأشعة تحت الحمراء)، وتشمل مواد مثل الكربون الشبيه بالماس المُطعّم بالبورون (DLC ) .

تتسبب الانعكاسات الداخلية المتعددة في موشورات السقف في تأخر طور يعتمد على الاستقطاب للضوء النافذ، على غرار معين فرينل . يجب كبح هذا التأخر باستخدام طبقات متعددة من طلاء تصحيح الطور تُطبق على أحد أسطح السقف لتجنب تأثيرات التداخل غير المرغوب فيها وفقدان التباين في الصورة. تُطبق طبقات طلاء موشور تصحيح الطور العازلة في غرفة مفرغة من الهواء، حيث قد يصل عدد طبقات الطلاء المتراكبة من البخار إلى 30 طبقة، مما يجعل عملية الإنتاج معقدة.

في موشور السقف غير المُغطى بطبقة تصحيح الطور، يكتسب كل من الضوء المستقطب s والضوء المستقطب p طورًا هندسيًا مختلفًا عند مرورهما عبر الموشور العلوي. عند إعادة دمج مُكوني الاستقطاب، ينتج عن تداخل الضوء المستقطب s والضوء المستقطب p توزيع شدة مختلف عموديًا على حافة السقف مقارنةً بتوزيعه على طول حافة السقف. يُقلل هذا التأثير من التباين والوضوح في الصورة العمودية على حافة السقف، مما يُنتج صورة أقل جودة مقارنةً بتلك المُنتجة من نظام موشور بورّو . يُمكن أيضًا ملاحظة تأثير حيود حافة السقف هذا على شكل شوكة حيود عمودية على حافة السقف ناتجة عن نقاط ساطعة في الصورة. في البصريات التقنية، يُعرف هذا الطور أيضًا باسم طور بانشارانام ، ^{[ 4 ]} وفي فيزياء الكم، تُعرف ظاهرة مُكافئة باسم طور بيري . ^{[ 5 ]}

يمكن ملاحظة هذا التأثير في استطالة قرص إيري في الاتجاه العمودي على قمة السقف، حيث أن هذا عبارة عن حيود من عدم الاستمرارية عند قمة السقف.

يتم كبح تأثيرات التداخل غير المرغوب فيها عن طريق ترسيب طبقة عازلة خاصة ، تُعرف باسم طبقة تعويض الطور، على أسطح منشور السقف باستخدام تقنية الترسيب بالتبخير. طُوّرت هذه الطبقة، المعروفة باسم طبقة تصحيح الطور أو طبقة P، على أسطح منشور السقف عام 1988 على يد أدولف فيراوخ في شركة كارل زايس ^{[ 6 ].} وسرعان ما حذت شركات تصنيع أخرى حذوها، ومنذ ذلك الحين تُستخدم طبقات تصحيح الطور على نطاق واسع في مناظير منشور السقف متوسطة وعالية الجودة . تُصحح هذه الطبقة الفرق في الطور الهندسي بين الضوء المستقطب s والضوء المستقطب p، بحيث يكون لكليهما نفس إزاحة الطور فعليًا، مما يمنع التداخل الذي يُشوه الصورة. ^{[ 7 ]}

من الناحية التقنية، لا تُصحح طبقة طلاء تصحيح الطور إزاحة الطور الفعلية، بل تُصحح الاستقطاب الجزئي للضوء الناتج عن الانعكاس الكلي. ولا يُمكن إجراء هذا التصحيح إلا لطول موجي مُحدد وزاوية سقوط مُعينة ؛ ومع ذلك، يُمكن تصحيح موشور السقف تقريبًا للضوء متعدد الألوان عن طريق وضع عدة طبقات فوقه. ^{[ 8 ]} وبهذه الطريقة، ومنذ تسعينيات القرن الماضي، حققت مناظير موشور السقف أيضًا قيم دقة لم تكن تُحقق سابقًا إلا باستخدام موشورات بورو. ^{[ 9 ]} يُمكن التحقق من وجود طبقة طلاء تصحيح الطور على المناظير غير المفتوحة باستخدام مرشحين للاستقطاب. ^{[ 6 ]}

تمثل الطلاءات البصرية الرنانة بفانو (FROCs) فئة جديدة من الطلاءات البصرية. ^{[ 10 ]} تُظهر هذه الطلاءات رنين فانو الفوتوني من خلال اقتران تجويف نانوي واسع النطاق، يعمل كمتصل، مع تجويف نانوي ضيق النطاق من نوع فابري-بيرو، يمثل الحالة المنفصلة. ويتجلى التداخل بين هذين الرنينين في شكل خط رنين فانو غير متماثل. تُعتبر الطلاءات البصرية الرنانة بفانو فئة مستقلة من الطلاءات البصرية نظرًا لخصائصها البصرية الفريدة التي لا يمكن محاكاتها باستخدام طلاءات بصرية أخرى. تعمل هذه الطلاءات، بشكل أساسي، كمرشح لتقسيم الحزمة الضوئية، حيث تعكس وتنقل اللون نفسه، وهي خاصية لا يمكن تحقيقها باستخدام مرشحات النقل أو المرايا العازلة أو المعادن شبه الشفافة.

تتمتع مركبات FROC بخصائص تلوين هيكلية مميزة ، إذ يمكنها إنتاج ألوان ضمن نطاق واسع من الألوان بدرجة سطوع ونقاء عاليتين. ^{[ 11 ]} علاوة على ذلك، يمكن التحكم في اعتماد اللون على زاوية سقوط الضوء من خلال مادة التجويف العازلة، مما يجعل مركبات FROC قابلة للتكيف مع التطبيقات التي تتطلب تلوينًا مستقلًا عن الزاوية أو معتمدًا عليها. ويشمل ذلك أغراضًا تزيينية وتدابير مكافحة التزييف.

استُخدمت مركبات FROC كمقسمات طيفية متكاملة وممتصات شمسية انتقائية، مما يجعلها مناسبة لتوليد الطاقة الشمسية الحرارية الهجينة. ^{[ 10 ]} يمكن تصميمها لعكس نطاقات أطوال موجية محددة، بما يتوافق مع فجوة نطاق الطاقة للخلايا الكهروضوئية، مع امتصاص الطيف الشمسي المتبقي. وهذا يُتيح كفاءة كهروضوئية أعلى عند التركيزات الضوئية المرتفعة عن طريق خفض درجة حرارة الخلية الكهروضوئية. كما أن انخفاض درجة الحرارة يزيد من عمر الخلية. بالإضافة إلى ذلك، فإن انبعاثها المنخفض للأشعة تحت الحمراء يقلل من الفقد الحراري، مما يزيد من الكفاءة الكهروضوئية الحرارية الإجمالية للنظام. ^{[ 10 ]}