CN105068183B - 一种表面镀覆纳米薄膜的特种光锥 - Google Patents

一种表面镀覆纳米薄膜的特种光锥 Download PDF

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Abstract

一种表面镀覆纳米薄膜的特种光锥，其主要包括：锥体、大端和小端，其大端和小端的表面分别镀覆300‑2000nm波段、厚度范围为50‑500nm的宽带增透纳米薄膜，实心锥体的锥面镀覆厚度范围为100‑1000nm的SiO2/ZrO2膜系高反纳米薄膜。本发明光锥是由冕牌普通玻璃制作而成的。本发明具有结构简单、制备容易、耦合效率高、成本低的优点，可用于光束接收、光束耦合与传感等场合。

Description

一种表面镀覆纳米薄膜的特种光锥
技术领域
本发明涉及一种光无源器件，特别是光锥。
背景技术
随着无线光通信、激光雷达、光源与光纤耦合等应用规模的不断扩大，系统对光信号接收也提出了更高的要求，如高灵敏度、高耦合效率、广角接收等。特别是在复杂的应用环境中，天气状况、大气湍流、基座振动等因素很容易影响系统的光信号接收耦合效率。然而，常规的光信号接收技术往往仅适于环境因素影响较弱的工作场合，通常采用光电探测器或光纤直接接收聚焦后的空间光信号，无法完成高灵敏度的广角接收，这将直接影响光信号接收耦合效率。因此，亟需探索研究新的高效光信号耦合接收机理与方法，从根本上解决如何增强光信号接收耦合效率的难题。高灵敏度、高耦合效率的光信号接收技术已成为当前国际光电子领域的关注焦点。
目前，常规光信号接收方法主要包括：自动捕获、跟踪和瞄准(Acquisition、Tracking and Pointing，ATP)接收法、单透镜-单光纤接收法、多光学天线接收法、光电探测器直接接收法、表面等离子激元法等。其中：
ATP接收法通过在光信号接收端探测光发射端的信标光，对其进行捕获、跟踪、瞄准后返回信标光到发射端，完成点对点的锁定和对准，但其瞄准控制系统复杂，设备造价高，且维护困难。
单透镜-单光纤接收法采用单透镜将空间光信号聚焦后送入单根光纤，虽然能实现较高的数据传输速率，但存在接收视场角小、抗外界环境振动能力差等问题。
多光学天线接收法采用多个光学透镜，虽然能有效增加接收视场，但由于光学透镜过多，存在耦合损耗较大、系统复杂、价格昂贵等问题。
光电探测器直接接收法采用大面积光电探测器或光电阵列，存在较大的背景光噪声，而且随着光电探测器接收面积的增加，使得信息传输速率大幅降低、响应速度慢等问题愈加凸显。
表面等离子激元法采用等离子激元波纹喇叭结构，能在一定程度上实现光信号的广角接收，但对其制作工艺要求较高，难以加工制作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、制备容易、耦合效率高、成本低的表面镀覆纳米薄膜的特种光锥，以克服现有技术仅适用于环境因素影响较弱的光信号接收场合，且耦合效率难以满足实际需求的难题。
本发明的特种光锥主要包括：锥体、大端和小端。其中，大端和小端的表面分别镀覆300-2000nm波段、厚度范围为50-500nm的宽带增透纳米薄膜，实心锥体的锥面镀覆厚度范围为100-1000nm的SiO2/ZrO2膜系高反纳米薄膜，最好上述特种光锥是由冕牌普通玻璃制作而成的，上述特种光锥大端直径D范围为40-100mm，小端直径d范围为8-20mm，长度L范围为200-500mm，光锥锥度计算公式为
上述300-2000nm波段的宽带增透纳米薄膜是采用Al2O3、MgF2、TiO2及SiO2四种镀膜材料，以质量比Al2O3：MgF2：TiO2：SiO2＝1：1：1：4，通过真空镀膜法在特种光锥大、小锥面上按Al2O3、MgF2、TiO2、SiO2先后顺序依次进行蒸镀获得4层薄膜，每层薄膜对应一种材料，最外层薄膜为SiO2，以获得满足不同入射光波长的厚度均匀的纳米薄膜；上述SiO2/ZrO2膜系的高反纳米薄膜是采用SiO2和ZrO2两种镀膜材料，以质量比SiO2：ZrO2＝1：2，也是通过真空镀膜法在特种光锥锥面上按SiO2到ZrO2先后顺序依次进行蒸镀获得2层薄膜，每层薄膜对应一种材料，最外层为ZrO2薄膜。所需镀膜材料如Al2O3、MgF2、TiO2、SiO2等均为固体颗粒，最好镀膜材料纯度为99.99-99.999％。
本发明的工作过程：当具有高透射率或高反射率的纳米薄膜镀覆于某种基底(如冕牌普通玻璃或纯石英)上，可以很好的实现对光信号的增透或高反。当外界光束照射到表面镀覆300-2000nm波段的宽带增透纳米薄膜的特种光锥大端时，能以大于99.6％的透射率进入特种光锥锥体内部；光束在侧表面镀覆多层SiO2/ZrO2膜系的高反纳米薄膜的特种光锥锥体内部反射时，能以大于99.4％的反射率进行传播；最后在表面镀覆300-2000nm波段的宽带增透纳米薄膜的特种光锥小端输出，其透射率同样大于99.6％。因此，表面镀覆纳米薄膜的特种光锥可以实现光信号的高效率接收与传输。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明结构简单，具有制备容易、成本低等特点，方便装配。
(2)本发明采用冕牌普通玻璃制作，具有良好的传光性能。
(3)本发明在特种光锥大端面和小端面镀覆宽带增透纳米薄膜、锥体侧表面镀覆高反纳米薄膜，可以增强光信号接收耦合效率。
附图说明
图1是本发明主视剖面示意简图。
图2是测试本发明特种光锥光接收效率所用设备框图。
图3是实施例1采用图2设备获得的本发明光锥光接收效率测试结果曲线与镀膜前的光锥光接收效率曲线比较图。
图4是实施例2采用图2设备获得的本发明光锥光接收效率测试结果曲线与镀膜前的光锥光接收效率曲线比较图。
其中，1：特种光锥大端；2：特种光锥锥体；3：特种光锥小端；4：光源；5：光纤准直器；6：特种光锥；7：高灵敏度光电探测器；8：光功率计。
具体实施方式
实施例1
在图1所示的一种表面镀覆纳米薄膜的特种光锥主视剖面示意简图中，它是由冕牌普通玻璃制作的大端直径为60mm，小端直径为10mm，长度为300mm实心特种光锥。其中，大端和小端的表面分别镀覆厚度为60nm的300-2000nm波段的宽带增透纳米薄膜，实心锥体的锥面镀覆厚度为120nm的SiO2/ZrO2膜系的高反纳米薄膜。
上述300-2000nm波段的宽带增透纳米薄膜是采用纯度99.99以上的Al2O3、MgF2、TiO2及SiO2四种镀膜材料，以质量比Al2O3：MgF2：TiO2：SiO2＝1：1：1：4，通过箱式真空镀膜机(型号为ZZS660，生产厂：成都南光机器有限公司，地址：四川省成都市经济技术开发区星光西路115号)在特种光锥大、小锥面上按Al2O3、MgF2、TiO2、SiO2先后顺序依次进行蒸镀获得4层薄膜，其透射率大于99.6％；上述SiO2/ZrO2膜系的高反纳米薄膜是采用SiO2和ZrO2两种镀膜材料，以质量比SiO2：ZrO2＝1：2，也是通过箱式真空镀膜机在特种光锥锥面上按SiO2到ZrO2先后顺序依次进行蒸镀获得2层薄膜，其反射率大于99.4％。
上述本发明光锥光接收效率测试：采用图2所示测试设备，光源发出的光首先经过光纤准直器对发散的光束进行准直，经准直后的光束变成平行光入射到特种光锥大端上，在特种光锥锥体内部经过多次反射后在特种光锥小端出射，最后由高灵敏度光电探测器接收，通过光功率计测量出射光束的光功率。
实验中采用的激光光源为1550nm窄线宽激光器，实验前首先测量激光器的输出光功率W1，然后通过上下调节光纤准直器位置，测量入射光束在不同径向偏移下通过特种光锥后的光功率W2，最后通过公式计算得到光接收效率。测试结果如图3所示，横轴为入射光束在特种光锥大端面的径向偏移，纵轴为相应径向偏移下的光接收效率。特种光锥镀膜前后的光接收效率均呈‘n’型分布，随着光束在大端面的径向偏移加大，其光接收效率逐渐降低。实验中测得的光接收效率最高可达86.5％；明显优于镀膜前的光锥光接收耦合效率。因此，表面镀覆纳米薄膜的特种光锥可以很好地实现光信号的接收。
实施例2
在图1所示的一种表面镀覆纳米薄膜的特种光锥主视剖面示意简图中，它是由冕牌普通玻璃制作的大端直径为60mm，小端直径为10mm，长度为300mm实心特种光锥。其中，大端和小端的表面分别镀覆厚度为450nm的300-2000nm波段的宽带增透纳米薄膜，实心锥体的锥面镀覆厚度为900nm的SiO2/ZrO2膜系的高反纳米薄膜。
上述300-2000nm波段的宽带增透纳米薄膜是采用纯度99.99以上的Al2O3、MgF2、TiO2及SiO2四种镀膜材料，以质量比Al2O3：MgF2：TiO2：SiO2＝1：1：1：4，通过箱式真空镀膜机(型号为ZZS660，生产厂：成都南光机器有限公司，地址：四川省成都市经济技术开发区星光西路115号)在特种光锥大、小锥面上按Al2O3、MgF2、TiO2、SiO2先后顺序依次进行蒸镀获得4层薄膜，其透射率大于99.6％；上述SiO2/ZrO2膜系的高反纳米薄膜是采用SiO2和ZrO2两种镀膜材料，以质量比SiO2：ZrO2＝1：2，也是通过箱式真空镀膜机在特种光锥锥面上进行2层蒸镀获得的，其反射率大于99.4％。
上述本发明光锥光接收效率测试：采用图2所示测试设备，光源发出的光首先经过光纤准直器对发散的光束进行准直，经准直后的光束变成平行光入射到特种光锥大端上，在特种光锥锥体内部经过多次反射后在特种光锥小端出射，最后由高灵敏度光电探测器接收，通过光功率计测量出射光束的光功率。
实验中采用的激光光源为1550nm窄线宽激光器，实验前首先测量激光器的输出光功率W1，然后通过上下调节光纤准直器位置，测量入射光束在不同径向偏移下通过特种光锥后的光功率W2，最后通过公式计算得到光接收效率。测试结果如图4所示，横轴为入射光束在特种光锥大端面的径向偏移，纵轴为相应径向偏移下的光接收效率。特种光锥镀膜前后的光接收效率均呈‘n’型分布，随着光束在大端面的径向偏移加大，其光接收效率逐渐降低。实验中测得的光接收效率最高可达98.5％，明显优于镀膜前的光锥光接收耦合效率。因此，表面镀覆纳米薄膜的特种光锥可以很好地实现光信号的接收。

Claims (5)

1.一种表面镀覆纳米薄膜的特种光锥，包括：锥体、大端和小端，大端和小端的表面分别镀覆300-2000nm波段、厚度范围为50-500nm的宽带增透纳米薄膜，实心锥体的锥面镀覆厚度范围为100-1000nm的SiO2/ZrO2膜系高反纳米薄膜；其特征在于：300-2000nm波段的宽带增透纳米薄膜是采用Al2O3、MgF2、TiO2及SiO2四种镀膜材料，以质量比Al2O3：MgF2：TiO2：SiO2＝1：1：1：4，通过真空镀膜法在特种光锥大、小锥面上按Al2O3、MgF2、TiO2、SiO2先后顺序依次进行蒸镀获得4层薄膜，每层薄膜对应一种材料。
2.根据权利要求1所述的表面镀覆纳米薄膜的特种光锥，其特征在于：特种光锥大端直径D范围为40-100mm，小端直径d范围为8-20mm，长度L范围为200-500mm，光锥锥度计算公式为
3.根据权利要求1所述的表面镀覆纳米薄膜的特种光锥，其特征在于：SiO2/ZrO2膜系的高反纳米薄膜是采用SiO2和ZrO2两种镀膜材料，以质量比SiO2：ZrO2＝1：2，通过真空镀膜法在特种光锥锥面上按SiO2到ZrO2先后顺序依次进行蒸镀获得2层薄膜，每层薄膜对应一种材料。
4.根据权利要求1所述的表面镀覆纳米薄膜的特种光锥，其特征在于：光锥是由冕牌普通玻璃制作而成的。
5.根据权利要求1或3所述的表面镀覆纳米薄膜的特种光锥，其特征在于：镀膜材料纯度为99.99-99.999％。
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