一种基于光学玻璃基底的新型吸收膜的研究

摘要

近年来吸收膜在多波段兼容隐身技术、热传感技术等方面发挥着重要的作用。本发明提供了一种新型吸收薄膜的研究技术。该技术以光学玻璃作为基底材料，仅以一种材料作为镀膜材料，采用电子束蒸发真空镀膜技术，通过改变充氧量、电子枪束流和蒸发速率等工艺参数可以实现在单点位置处的超高吸收率，吸收率可达99.8%以上。建立一个新的数学模型，模型体现了膜系物理厚度和吸收率最高点波长位置之间的关系。本技术适用于近红外波段吸收膜的研制。

权利要求

1.一种吸收膜，其特征在于其结构由光学玻璃基底（1）及附着于基底上的光学膜系（2）组成，膜系由三层膜构成，膜系结构如下：Sub|Cr ，CrxOy，CrmOn|Air；第一层为铬层，第二层和第三层分别为不同氧化程度的氧化铬层；实现了以光学玻璃为基底的近红外波段范围内的单点的超高吸收率，吸收率在1064nm波段达到99.8%以上。

2.根据权利要求1所述的吸收膜,其特征在于，所述吸收膜中的所述光学膜系（2）的所述氧化铬层，是采用电子束蒸发真空镀膜技术，通过改变充氧量、电子枪束流和蒸发速率三个工艺参数，并反复优化物理厚度得到。

说明书

一种基于光学玻璃基底的新型吸收膜的研究

技术领域

[0001] 本发明专利涉及到光学系统的吸收薄膜。

背景技术

[0002] 随着科技的发展，吸收膜在多波段兼容隐身技术、热传感技术等方面发挥着重要的作用。国内外对吸收膜的研究以太阳能选择吸收薄膜为主，该吸收薄膜多以金属材料作为基底，吸收材料以涂层形式存在，且厚度比较厚，吸收率也不是很高，少数以薄膜形式制备的吸收薄膜加工工艺复杂，成本较高。本专利是以光学玻璃作为基底材料，仅以一种材料作为镀膜材料，采用电子束蒸发真空镀膜技术，通过改变充氧量、电子枪束流和蒸发速率等工艺参数实现在单点位置处的超高吸收率。在研制过程中通过在光学玻璃基底上分别镀制铬层和不同氧化程度及不同厚度的氧化铬层，来实现所需波长位置的高吸收率。该技术主要适用于近红外波段中吸收膜的使用。据所查寻资料显示，目前尚没有采用相同技术的吸收薄膜。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种新型吸收薄膜的设计思想和研制技术。主要针对在光学玻璃基底上，对单点吸收膜进行设计与制备，以实现所需波长位置的高吸收率，最大限度的提高能量利用率，同时简化工艺流程、节约材料和降低成本。

[0004] 本发明的结构是由光学玻璃材料为基底（1），光学膜系（2）组成。基底材料为冕牌玻璃、火石玻璃或超低膨胀微晶玻璃，此材料的选取主要考虑到材料的实用性和通用性。由于基底材料本身的热膨胀系数较小，故产生的形变量也较小，有利于满足表面P-V值的严格要求。

[0005] 光学膜系（2）的作用：实现所需波长位置处的超高吸收率。此膜系由三层膜构成，膜系结构如下：Sub|Cr ，CrxOy，CrmOn|Air。第一层为铬层，第二层和第三层分别为不同氧化程度的氧化铬层，此三层膜的物理厚度可通过反复试验来得到。膜系的第一层主要起到降低透过率和提高吸收率的作用，第二层氧化铬（CrxOy）起到降低反射率的作用，第三层氧化铬（CrmOn）起到改变反射率最低点位置的作用。

[0006] 本发明的工作原理为：当光垂直入射到光学膜系（2）上，且不考虑基底材料的另一面时，经过膜系后使其单点位置处反射率极小、吸收率极大、透过率（T1）接近为零。当到达基底另一面时，由于T1接近为零，故此介质分界面对单点吸收率几乎不产生影响。通过实验可使所需波长位置处的吸收率达99.8%以上。

[0007] 吸收薄膜的关键技术是：（a）光学膜系（2）的设计，（b）光学膜系（2）的制备，（c）数学模型的建立。由于吸收膜通常不能使用传统的膜系设计软件进行设计，故本膜系通过改变氧化铬中氧原子和铬原子的掺杂程度以改变氧化铬的光学特性。首先在光学玻璃基底上镀制一定厚度的铬层，再在铬层的基础上通过调整充氧量依次叠加不同氧化程度的氧化铬层。在制备过程中通过反复优化充氧量、电子枪束流和蒸发速率等工艺参数以改变膜系每一层的氧原子和铬原子的掺杂程度及每一层的物理厚度来实现所需波长位置处的高吸收率。使用matlab软件拟合建立一个新的数学模型，并基于大量实验数据对该数学模型进行多次修正，修正后的数学模型表示形式如式（1）所示：

[0008]   （1）

[0009] 其中a=1381，b=201.8，c=201.1，f（x）为吸收率最高点波长位置，x为膜系第三层物理厚度。模型体现了膜系最后一层物理厚度和吸收率最高点波长位置之间的关系，该数学模型较适用于近红外波段。

[0010] 有益效果

[0011] 本发明采用电子束蒸发真空镀膜技术，通过使用单一的镀膜材料和相对简单的工艺制备技术，实现了以光学玻璃为基底的近红外波段范围内的单点的超高吸收率，吸收率可达99.8%以上。该膜系光学性能稳定，膜层牢固性好，可靠性高。所建立的数学模型表征了膜系最后一层物理厚度和吸收率最高点波长位置之间的关系，实验证明该模型适用于近红外波段。本发明为其它类型吸收膜的研究提供了一定的可借鉴性，为吸收膜的理论研究奠定了一定的基础。该技术满足对表面P-V值的严格要求。

[0012] 本设计的镀膜材料为Cr。

附图说明

[0013] 图1为吸收膜结构示意图,其中1为第三层膜，2为第二层膜，3为第一层膜，4为基底；图2为光学膜系（2）的反射率光谱测试曲线，该图同时作为摘要附图；图3为光学膜系（2）的透过率光谱测试曲线；图4为验证数学模型的后反射率测试曲线；图5为样品镀膜之前表面的P-V值测试曲线图；图6为样品镀膜之后表面的P-V值测试曲线图。

具体实施方式

[0014] 本发明的实施以图1为例：玻璃基底材料使用冕牌玻璃、火石玻璃或超低膨胀微晶玻璃，基本外形尺寸为：直径48mm，厚度为3mm。

[0015] 对光学膜系（2）的具体要求如下：

[0016] a）在1064nm处吸收率达到99.8%以上；

[0017] b) 镀膜后表面P-V值小于0.5，均方根值小于0.05；

[0018] c) 工作温度：0-75摄氏度；

[0019] d) 波长温度飘移特性： <0.01nm/℃。