Il filtro dicroico è un substrato di vetro su cui viene deposta una successione alternata di strati di materiali dielettrici. Sono il numero e lo spessore degli strati che differenziano i filtri di vari colori ad esempio un filtro rosso da uno giallo o una blu da uno verde. Lo spessore diverso determina curve di trasmissione diverse. Ad esempio un filtro blu permette solo alle radiazioni al di sotto di 500 nm di passare, il resto della luce viene riflessa. Ciò provoca che la luce trasmessa è blu e che quella riflessa è gialla. I filtri dicroici possono essere quindi usati anche come “specchi” colorati. Un filtro che permette la trasmissione di radiazioni con lunghezza d’onda sotto i 510 nm ( cioè 10 nanometri in più del blu precedente) determina una luce trasmessa che sarà ancora blu, ma ora di un blu più chiaro. Queste differenze derivano da piccolissime variazioni dello spessore degli strati deposti. Se lo spessore totale di un coating è circa compreso tra i 500 e i 1000 nm, cioè è al massimo un micrometro, possiamo capire quanta precisione sia richiesta nell’ effettuare un deposito di questo tipo, per ottenere spessori uguali e quindi colori uguali. Inoltre, non è solo lo spessore a far variare la curva di trasmissione di un filtro, subentrano infatti altri parametri molto complessi legati alle caratteristiche fisiche ed ottiche dei materiali depositati.
È quasi sempre vantaggioso utilizzare i più alti e i più bassi indici di rifrazione disponibili per tutti i rivestimenti dielettrici nella regione spettrale di interesse. Tutti gli indici tra il più alto e il più basso possono essere simulati con qualsiasi grado desiderato variando lo spessore, quindi si necessita solo degli estremi. Si procederà con l’assunzione che l’approccio con due materiali risolve al meglio molti problemi pratici.
Nella regione del visibile e vicino all’infrarosso, il più alto e il più basso indice vengono forniti rispettivamente dal TiO2 e dal MgF2 (indici sull’ordine di 2.35 e 1.38 a 550 nm). Spesso, a causa del limiti di processo, viene utilizzato SiO2 per il basso indice specialmente quando é necessario un più alto numero si strati sottili. Vi sono numerosi articoli in letteratura che dimostrano come i film di MgF2 dopo deposizione risultino eccessivamente stressati soprattutto per spessori sottili.
Nella regione dell’infrarosso dagli 8 ai 12 μm, Germanio e Fluoruro di Torio sono la miglior scelta come indici estremi. Il ThF4 è una sostanza radioattiva e quindi si sta cercando un sostituto.
Per questo motivo e per molti altri la scelta dei materiali viene spesso dettata più dalle proprietà fisiche che vengono ottenute tramite i processi che non dall’indice di rifrazione.
Gli ossidi di Silicio sono molto diffusi come materiali per rivestimenti, ma i nitruri e gli ossidonitruri di Silicio stanno acquisendo sempre più interesse.
Ossidi di Silicio, SiO e SiO2
Il diossido di Silicio o Silice o quarzo è uno dei materiali favoriti per il basso indice a causa di una varietà di ragioni. L’indice di rifrazione del quarzo è leggermente più elevato rispetto a quello dell’MgF2 a 1.38 nello spettro del visibile, esso infatti può sempre essere depositato con meno porosità e scattering. È un materiale relativamente duraturo e presenta una buono soglia di danneggiamento al laser.
Nitruro di Silicio
Durante il passato decennio l’utilizzo del nitruro di silicio si estese ampiamente nel settore dei rivestimenti. Questo successo fu aiutato dallo sviluppo del reactive magnetron sputtering come tecnica di deposizione. L’applicazione di questo materiale come rivestimento a bassa remissività viene descritta da Laird e Wolfe. Essi dimostrano come questi film siano estremamente duri, durevoli e resistenti alla corrosione. Uno degli svantaggi nell’utilizzo di questo materiale è l’alto grado di tensione che si crea all’interno del materiale dopo la deposizione che tende a ridurre l’adesione al substrato. Si può ridurre lo stress cambiando alcuni parametri del trattamento, per esempio utilizzando un catodo doppio e una configurazione del campo magnetico diversa.
Krempel-Hesse hanno descritto l’applicazione dell’Si3N4 come materiale per le celle solari fotovoltaiche.
Ossidi di Titanio, TiO e TiO2
Il diossido di Titanio è uno dei materiali favoriti per l’alto indice di rifrazione nel visibile e vicino alla regione dell’infrarosso e per la relativa robustezza. La figura 5.23 mostra la trasmittanza di film di afnia, di ittiria, di zirconia, di niobia e di titania nell’ultravioletto. L’ossido di niobio è il materiale che più si avvicina all’ossido di titanio come indice di rifrazione e trasmittanza.
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Fig. 4.1 Trasmittanza di film di afnio, zirconia, niobia e titania |
Un criterio per quasi tutte le deposizioni di TiO2 è avere un trascurabile assorbimento nella regione spettrale di lavoro. Di conseguenza è necessario porre un limite inferiore alla pressione parziale di ossigeno in camera e dei vincoli alla temperatura e velocità di deposizione.
In figura 5.24 è possibile vedere il variare dell’indice di rifrazione al variare della temperatura e pressione di lavoro, si può notare che il valore massimo si ottiene per le temperature più elevate e le pressioni più basse inoltre che esiste una relazione più o meno lineare tra le variabili.
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Fig. 4.2 L’indice di rifrazione come funzione di temperatura e pressione (dati ricavati da Pulker e al.) |
Fluoruro di magnesio
Il fluoruro di magnesio (MgF2, indice 1.32-1.39) viene utilizzato con successo da oltre mezzo secolo soprattutto come rivestimento antiriflesso sul vetro. È una materiale duro e sostanzialmente non solubile. MgF2 trasmette bene da 120nm nella regione dell’UV in vuoto a 7μm nel medio infrarosso, tende ad avere una struttura colonnare, alti sforzi di trazione meccanici e scattering. Lo scattering è una limitazione nell’utilizzo del fluoruro di magnesio per molti rivestimenti AR a banda larga con circa sei strati. Gli sforzi meccanici possono in principio essere ridotti mescolando un secondo materiale con raggio cationico più elevato.
Ossido di magnesio
La magnesia (MgO), come mostrato da Balzers, deve essere evaporata da un fascio elettronico e sublimare. Il materiale sembra essere duro, durevole, ed avere una buona trasmittanza dei raggi UV. In un campione con spessore pari a 5.5 mm l’ossido di magnesio trasmette bene da 6 μm nell’infrarosso e ha una leggera trasmittanza fuori dai 9 μm. Roessler e Walzer misurarono le proprietà del bulk nell’ultravioletto e riportarono che non c’era assorbimento sotto i 190 nm con indici di 1.86 a 250 nm e 2.06 a 190 nm. Essi misurarono un valore di k pari a 0.1 a 166 nm e un valori di n pari a 2.65. Apfel riportò buoni valori di trasmittanza per strati di MgO/MgF2 compresi tra 220 e i 400 nm ma il numero di strati deve essere limitato, attorno a sei, a causa degli stress residui presenti.
Il germanio è l’elemento preferito per l’alto indice pari a 4 o più grande da 2 μm al minimo 14 μm. Il suo alto indice significa che possono essere utilizzati meno strati rispetto a un materiale con un indice inferiore ottenendo la stessa riflettanza.
ThF4 è uno dei migliori materiali a basso indice nella regione dai 260 nm ai 12000 nm. Tuttavia il suo utilizzo è limitato a causa della radioattività.
ZnS è conosciuto per i suoi vantaggi e svantaggi nel campo dei rivestimenti ottici. Ha un alto indice (2.35), un largo intervallo di trasmittanza (da 400 a 13 μm), solitamente presenta sforzi residui di compressione, buona durabilità ambientale e può essere evaporato rapidamente. È conosciuto come un materiale “sporco” e, collegato a questo, ha un basso coefficiente di adesione al substrato a temperature elevate.
Valgono le stesse considerazioni fatte per il solfuro di zinco. ZnSe sembra avere un coefficiente di adesione più elevato in funzione della temperatura ma comportamento simile.
PbTe è uno dei materiali con più alto indice IR. Palick riporta che il materiale sciolto a un valore di k sotto lo 0.1 da 3.8 μm a 25 μm e un indice pari a 6.02 a 4 μm. Per spessori compresi tra i 3.8 e i 40 μm il film di PbTe è trasparente. Depositando film sottili di telluluro di zinco si hanno valori n che variano da 5.1 a 5.5 negli IR.
