專利名稱：一種具有低透射率、反射率和發(fā)射率的表面涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面涂層，具體是指一種在光學(xué)系統(tǒng)的光路中從表觀效果上形成同時(shí)具有低透射率、反射率和發(fā)射率的表面涂層。
背景技術(shù)：
由于諸如成像儀等光學(xué)元件或儀器在信噪比和溫度分辨率方面都有較高要求，從而使得對背景雜散光的抑制成為一個(gè)非常重要的問題，尤其是在紅外波段，因?yàn)榧词雇鈦淼碾s散光可以得到較好的抑制，光學(xué)元件或儀器本身輻射出的紅外雜散光也難以解決。對以上背景雜散光的抑制通常采用表面涂層加以解決，最理想的表面涂層材料應(yīng)該是同時(shí)具有低的透射率T、反射率R和發(fā)射率ε，但由于通常的均勻材料在基本物理學(xué)原理上具有吸收率α＝1-T-R，如果透射率T和反射率R都低的話，勢必吸收率α就高，而吸收率α與發(fā)射率ε成正比，這樣發(fā)射率ε也高，因此，通常情況下的均勻材料是不可能同時(shí)具有低的透射率、反射率和發(fā)射率的，無法同時(shí)滿足這三個(gè)要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對以上矛盾，規(guī)避了均勻材料體系，提出一種含非均勻強(qiáng)吸收散射體的特殊膜系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以使得該特殊結(jié)構(gòu)能夠不受均勻材料中基本物理學(xué)原理的限制，在功能上實(shí)現(xiàn)同時(shí)具有低的表觀透射率T、反射率R和發(fā)射率ε，以達(dá)到抑制背景雜散光、而且自身發(fā)射率ε又低的表面涂層。
本發(fā)明的表面涂層為含有諧振腔的高反多層膜結(jié)構(gòu)，其膜系為
(LH)mxL(HL)m，其中(LH)m為下層膜系，xL為諧振腔層，(HL)m為上層膜系，L為低折射率膜層，H為高折射率膜層，每一膜層的厚度是隨機(jī)漲落后的層厚，m為L與H的交替疊層次數(shù)，m≥3，xL為諧振腔層，x為腔厚系數(shù)，取值為2k+1＜x≤2k+3，k=0,1...,‾‾.]]>在諧振腔層的中間有一層通過勻膠或噴涂方法形成的稀疏金屬納米小球強(qiáng)吸收散射體，其面密度為0.5～5％。
本發(fā)明的涂層與傳統(tǒng)規(guī)整膜系涂層的最大區(qū)別是在諧振腔層中引入稀疏分布的強(qiáng)吸收金屬納米小球散射體，強(qiáng)吸收散射體的作用是將進(jìn)入到諧振腔層的大部分光吸收和散射掉，降低整個(gè)結(jié)構(gòu)的表觀反射率和透射率，同時(shí)保持低的表觀發(fā)射率。由于采用非規(guī)整的高反膜系設(shè)計(jì)，雖然大部分入射光都不能透過整個(gè)膜系傳播出去，但仍然能夠進(jìn)入到諧振腔層，產(chǎn)生劇烈的諧振作用，而在諧振腔層引入的強(qiáng)吸收散射體不斷地將大部分原本會被反射回去的入射光吸收和散射到對系統(tǒng)光路沒有影響的區(qū)域，使得該結(jié)構(gòu)的反射率大大降低；同時(shí)由于膜系的基本高反結(jié)構(gòu)未變，仍然保持低的透射率；另外，雖然大部分入射光都被強(qiáng)吸收散射體吸收或散射掉，但由于強(qiáng)吸收散射體分布很稀疏，因此整體上在光學(xué)系統(tǒng)的光路收集區(qū)域內(nèi)表觀的吸收率仍然很低，從而保證了該結(jié)構(gòu)具有低的表觀發(fā)射率，最終在表觀上達(dá)到同時(shí)具有低的透射率、反射率和發(fā)射率的目的。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于突破了傳統(tǒng)的均勻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)途徑和由此帶來的物理學(xué)原理上的限制，采用特殊的非均勻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得該結(jié)構(gòu)同時(shí)具有低的表觀透射率T、反射率R和發(fā)射率ε，是性能非常好的表面涂層，可以滿足抑制背景雜散光、而且自身發(fā)射率ε又低的表面涂層的應(yīng)用需求，而其制備方法與傳統(tǒng)光學(xué)薄膜的制備方法完全兼容，沒有特殊要求。


圖1為本發(fā)明的同時(shí)具有低的表觀透射率、反射率和發(fā)射率表面涂層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)施例所設(shè)計(jì)的波段內(nèi)不同波長的光在膜系結(jié)構(gòu)中的場強(qiáng)分布；圖3為本實(shí)施例所設(shè)計(jì)的表面涂層正入射時(shí)的透射率、反射率和發(fā)射率圖譜，實(shí)線、虛線和點(diǎn)線分別為透射率、反射率和發(fā)射率譜。
具體實(shí)施例方式
下面以3.9～4.7μm波段為實(shí)施例結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體設(shè)計(jì)方案作詳細(xì)說明1.膜系設(shè)計(jì)首先以λ0＝2.8μm為設(shè)計(jì)波長，采用規(guī)整膜系設(shè)計(jì)出一個(gè)窄帶通濾光膜系(LH)mxL(HL)m，其中(LH)m為下層膜系，xL為諧振腔層，(HL)m為上層膜系，L為低折射率膜層，H為高折射率膜層，在本實(shí)施例中分別選擇一氧化硅和鍺，L和H膜層的光學(xué)厚度為λ0/4，然后對每層膜層的光學(xué)厚度作一個(gè)隨機(jī)漲落的變化，其產(chǎn)生方法請見中國專利號01139082.4，最后形成如表1所示的一氧化硅和鍺經(jīng)過隨機(jī)漲落后的層厚。m為L與H的交替疊層次數(shù)，x為腔厚系數(shù)，在本實(shí)施例中m和x分別取5和3.2，此時(shí)的非規(guī)整膜系帶通峰位λ為4.2μm。該膜系的帶通峰位由諧振腔層的厚度即腔厚系數(shù)決定，x在取值范圍內(nèi)越大則對應(yīng)的帶通峰位越大，x為2的整數(shù)倍時(shí)所對應(yīng)的帶通峰位為設(shè)計(jì)波長λ0。
2.涂層的制備首先，采用常規(guī)的光學(xué)薄膜鍍制方法在金屬、陶瓷、玻璃或塑料等需要表面涂涂層的樣品上鍍制下層膜系1和二分之一諧振腔層2，即按表1所示的膜層厚度從膜層序號1開始鍍到10，再鍍膜層序號11的二分之一厚度；然后將此半成品取出，在諧振腔層的表面上通過勻膠、噴涂等方法稀疏地涂敷一層強(qiáng)吸收金屬納米小球散射體4，其面密度為0.5～5％；接著在此基礎(chǔ)上把另一半諧振腔層2，即再鍍膜層序號11的二分之一厚度，和剩余的上層膜系3鍍完。上層膜系3即為表1所示的膜層序號12到21。這樣既把強(qiáng)吸收散射體嵌埋在諧振腔層內(nèi)，同時(shí)又完成了整個(gè)結(jié)構(gòu)的制備，工藝過程非常簡單。同理，可以設(shè)計(jì)制備出其他波段同時(shí)具有低的表觀透射率、反射率和發(fā)射率的表面涂層。
不同波長的光在膜系結(jié)構(gòu)中的場強(qiáng)分布如圖2所示，除了與帶通峰位波長相同(4.2μm)的光在整個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)都有很強(qiáng)的電場而且可以傳播出膜系外，其他波長的光(3.9～4.7μm)基本上都不能傳播出整個(gè)膜系，但可以傳播到諧振腔層內(nèi)。
本實(shí)施例中為金納米小球，粒徑為60nm，強(qiáng)吸收散射體在平面內(nèi)分布的面密度為0.5～5％。這樣，進(jìn)入到諧振腔層中的光會產(chǎn)生劇烈的諧振作用，被其中的強(qiáng)吸收散射體不斷地吸收和散射掉而不能被反射回去，從而使得該結(jié)構(gòu)的反射率大大降低；同時(shí)由于膜系的基本高反結(jié)構(gòu)未變，仍然保持低的透射率；另外，雖然大部分入射光都被強(qiáng)吸收散射體吸收或散射掉，但由于強(qiáng)吸收散射體分布很稀疏，因此整體上的吸收率仍然很低，從而保證了該結(jié)構(gòu)的低發(fā)射率，最終達(dá)到同時(shí)具有低的表觀透射率、反射率和發(fā)射率的目的。本發(fā)明所設(shè)計(jì)表面涂層正入射時(shí)的透射率、反射率和發(fā)射率譜如圖3所示，圖中的實(shí)線、虛線和點(diǎn)線分別為透射率、反射率和發(fā)射率譜，從圖上可以看出，本發(fā)明所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的表觀透射率、反射率和發(fā)射率都很低，在3.9～4.7μm波段透射率＜0.7％，反射率＜1.7％，發(fā)射率＜0.09。
表1

權(quán)利要求
1.一種具有低透射率、反射率和發(fā)射率的表面涂層，該涂層為含有諧振腔的高反多層膜結(jié)構(gòu)，其特征在于膜系為(LH)mxL(HL)m，其中(LH)m為下層膜系，xL為諧振腔層，(HL)m為上層膜系，L為低折射率膜層，H為高折射率膜層，每一膜層的厚度是隨機(jī)漲落后的層厚，m為L與H的交替疊層次數(shù)，m≥3，xL為諧振腔層，x為腔厚系數(shù)，取值為2k+1＜x≤2k+3，k＝0，1...，在諧振腔層的中間有一層通過勻膠或噴涂方法形成的稀疏金屬納米小球強(qiáng)吸收散射體，其面密度為0.5～5％。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種同時(shí)具有低的表觀透射率、反射率和發(fā)射率的表面涂層，該涂層為含有諧振腔的高反多層膜結(jié)構(gòu)，其膜系為(LH)
文檔編號G02B5/20GK1731222SQ20051002908
公開日2006年2月8日 申請日期2005年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月25日
發(fā)明者陸衛(wèi), 王少偉, 陳效雙, 李寧, 張波, 李志鋒, 陳平平 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所