Componenti Ottici Interferenziali Optical Interference Coatings

FIS-OTT

Angela Piegari

Componenti ottici inteferenziali: sommario

Coatings ottici: cosa sono e come funzionanoApplicazioni in vari settori

Optical coatings can be found in nearly every technical device, fromophthalmic glasses, to mass products such as cameras, binoculars ordiscplayers, up to high-end products including complex opticalsystems for fundamental research, information and laser technology.For the year 2002, the global turnover of optical coatings wasestimated to be 6.1 Billion Euro, increasing with an average annualgrowth rate of up to 10% during the last years. Europe is the secondlargest global suppliers for optical thin films, behind the United States,which provides 40% of total sales ...

(da UE-FP6: Network of Excellence “High Quality Optical Coatings”)

Progetti in corso e CollaborazioniLaboratori ENEA

Componenti ottici interferenziali• trattamenti a film sottili

strati con spessori nella scala dei nanometriprincipio fisico: interferenza della radiazione elettromagnetica

Film (da 1 a oltre 100)

Substrato (es: vetro)

• funzione modifica delle proprietà di un componente di base

Trattamentoantiriflettentesu vetro(4 strati)

400 450 500 550 600 650 7000

2

4

6

8

10 AR coating glass

Ref

lect

ance

(%)

wavelength (nm)

• Applicazioni in otticafiltri per la separazione di lunghezze d’onda

illuminazione, telecomunicazioni, spazioottiche per laser

specchi, beam splitters, filtrismart windows, architectural coatingsprotezione opere d’arte……

In ogni applicazione c’è l’esigenza di utilizzare componentiottici con prestazioni sempre più avanzate

Componenti ottici a film sottile

multi band pass

I filtri dicroici sono tipicamente rappresentatida una delle seguenti configurazioni

low band pass

high band passband-pass

FILTRI INTERFERENZIALI

CONTROLLO DELLA LUCE

I filtri cromatici permettono di ottenere fasci di luce colorati.I filtri interferenziali, rispetto a quelli in pasta, conservanopiù a lungo le loro proprietà

FILTRI CROMATICI

CONTROLLO DELLA LUCEFILTRI CORRETTIVI

Sunset

Sun

Polar

Filtri in trasmissione a banda stretta (1)

Filtri DWDM “Dense Wavelength Division Multiplexing” pertelecomunicazioni in fibra

separazione di lunghezze d’onda nello spettro 1528-1561 nm (C-band) e1561-1620 nm (L-band) con larghezza di banda < 1 nm (50-100 GHz)

Filtri LVF “Linearly Variable Filter for image spectrometry from space”(spaceborne Earth observation, remote sensing planetary missions)

picco di tramissione che si sposta lungo una dimensione (<1 cm) dellasuperificie del rivelatore (CCD)

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Tran

smitt

ance

, %

Wavelength, nm

>100strati

~20strati

Filtri in trasmissione a banda stretta (2)

Filtri in trasmissione nell’ultravioletto per la misura dellaradiazione solare al suolo (incrementata dalla presenza delbuco dell’ozono) in Antartide

separazione di lunghezze d’onda nello spettro 280-380 nm(0.5 ÷ 0.8 nm half-bandwidth)

300 400 500 600 700 8000

10

20

30

40

50 310 nm 315 325 340 365 380

Tran

smitt

ance

, %

Wavelength, nmLayout of the solar radiometer

>100strati

Ottiche per laser (1)

Specchi per cavità laser (UV-NIR)Elevata riflessione (materiali dielettrici su vetro/quarzo)Riflessione variabile sulla superficie del componente

-10-5

05

10 -10

-5

0

5

10

0.0

0.5

1.0

Ref

lect

ance

Y Axis

X Axis

-4-2

02

4-4

-2

0

2

4

0.0

0.5

1.0

Ref

lect

ance

Y A

xis

X Axis

Mul

tilay

er c

ross

sec

tion

substrate

10-20strati

Ottiche per laser (2)

Specchi per laser per microlitografia EUVElevata riflessione a 13.5 nm, larghezza di banda > 0.3 nmProblemi: ossidazione della superficie, interdiffusione tra Mo e Si

Risultati sperimentali al Lawrence Livermore National Laboratory(LLNL).

.

[Si(4.37nm)/B4C(0.4nm)/Mo(2.25nm)/B4C(0.25nm)]50

+Si(4.2nm)

Si layer Mo layer

Capping layerBoroncarbidebarrierlayers

substrate

>100strati

Ottiche per laser (3)

Filtri per laser a stato solidoElevata riflessione in una banda di lunghezze d’onda UV(emissione)Elevata trasmissione in una banda adiacente (pompaggio)

250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 3500

20

40

60

80

100

refle

ctan

ce (%

)

wavelength (nm)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

180 230 280 330 380

wavelength (nm)

a. u

.

Ce3+:LiCAF

248 nm

266 nm

Absorption

Fluorescence

~20strati

Coatings per la protezione delle opere d’arte

Trasmissione nulla al di fuori dello spettro visibile (UV e NIR)per evitare il danneggiamentoRiflessione nulla nel visibile (410-680 nm) senza alterazione delcolore per migliorare la visione

Wavelength (nm)

R

T

T

rans

mitt

ance

/ref

lect

ance

(%)

two-layer coating (ITO/SIO2) on glass CIE color diagram (D65) for T and R

L’ossido di indio e stagno (ITO) è interessante per varie applicazioni: flat panel displays, solarcells, touch screens, architectural coatings, smart windows, electromagnetic shielding, ecc.

x

y

Progetti in corso e collaborazioni

Componenti ottici per laser a elettroni liberi nell’ultravioletto 150-200nm (progetto Unione Europea) Partners: 10 istituti europeiFiltri dicroici per laser a stato solido nell’ultravioletto (MIUR e CNR)Partners: IFAC-CNR, Università di PisaSpecchi nell’estremo ultravioletto (EUV – 13.5 nm) per laser permicrolitografia (MIUR) Partners:EL.EN, Università Padova e l’AquilaFitri in trasmissione a banda stretta spazialmente variabili (progettoESA-Agenzia Spaziale Europea) Partners: Galileo AvionicaTrattamenti ottici per la protezione e la fruizione delle opere d’arte(progetto Cassa di Risparmio di Firenze) Partners: Istituto Nazionaledi Ottica Applicata, Industrie, MuseiNetwork of Excellence UE-NMP “High Quality Optical Coatings”……Servizi tecnologici e consulenze su richieste esterne

20012004

20032006

20032006

20022004

20032004

20042009

Network of Excellence : High Quality Optical Coatings(Nanotechnology and nanosciences, knowledge-based multifunctionalmaterials, new production processes and devices – ‘NMP’)

Core group (33 partners) + Application group Duration: 5 years Research Activities:

Preparation of Optical Surfaces (PoS)Design strategies of coatings for Optical Functions (DoF)Production techniques for advanced Optical Coatings (PoC)Quality management in Optical Coating production (QoC)New and Innovative components and Coatings (NiC)

Tasks/application fields:

Collaborazioni Internazionali

NoE Partners

Collaborazioni attiveall’interno di variprogetti da oltre 10 anni

Committenti tipici:Unione Europea,Agenzia SpazialeEuropea

Componenti Ottici: strategie di ricerca

Presentazione di progetti/selezione delle richiestecoerentemente con il Piano AnnualeProgettazione del componente ottico/analisi deimateriali da utilizzareOttimizzazione delle proprietà ottiche deimateriali/messa a punto del processo tecnologico direalizzazioneCaratterizzazione ottica e funzionale nelle fasiintermedie di produzione e test finali

Gruppo Componenti Ottici -

Esperienza nel settore: circa 20 anniStrumentazione: impianti per la realizzazione dicomponenti ottici e apparati di misura (clean room)Collaborazioni internazionali: laboratori europei(Fraunhofer Istitute, CEA, ecc.)Presenza in vari comitati organizzativiPubblicazioni: circa 20 articoli all’anno, contributi alibri, atti di convegniPersonale staff : 10

extra-staff : 4-5

Impianti deposizione coatings

Strumenti per misure ottiche