CN105158828B - 红外波段光学薄膜自由随形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外波段光学薄膜自由随形方法，属于光学薄膜技术领域。解决了现有技术中的镀膜方法难以在复杂形貌的表面自由镀制红外膜系，且镀制后的红外膜系难以获得理想的红外调控特性的问题。该方法先采用膜系设计软件根据设计要求设计膜系结构，然后在平板基底依次制备过渡层和光学薄膜，再将光学薄膜从平板基底上剥离，并超声粉碎为碎片，最后将碎片与粘性溶剂进行物理混合，刷涂、喷涂或热压在目标面上。该方法可以自由应用在任意曲面上，整个制备过程工艺流程简单，成本低，适用性强，且制备的光学薄膜能够保持红外波段入射光能量的调控作用，在民生及国防等多个领域都具有巨大的市场前景。

Description

红外波段光学薄膜自由随形方法

技术领域

本发明属于光学薄膜技术领域，具体涉及一种红外波段光学薄膜自由随形方法。

背景技术

光学薄膜是由薄的分层介质构成的，通过界面传播光束的一类光学介质材料，能够实现减反、增透、滤光、保护、分束、分光、偏振、导电等多种功能。

随着光电技术的发展，对光学器件的性能要求越来越高。例如要求光学器件具有减反作用、高反作用、滤光作用、分光作用、保护作用等功能。根据具体的使用要求有选择的在光学器件表面镀制光学薄膜既能够有效地提升光学器件的调控能力，又具有简化光电系统结构、降低成本等优势，因此现有技术中通常采用在光学器件表面镀制光学薄膜的方式调控光学器件的整体性能。例如采用减反射膜后可使复杂的光学镜头的光通量损失成十倍地减小；采用高反射比的反射镜可使激光器的输出功率成倍提高；利用光学薄膜可提高硅光电池的效率和稳定性等。

现有技术中，在光学器件表面镀制光学薄膜的方法主要有干式制备法和湿式制备法，干式制备法，主要有真空镀膜、蒸发镀膜、磁控溅射镀膜、离子束镀膜等，一般用于物理光学薄膜的制备；湿式制备法，主要有涂布法、流延法、热塑法等，一般用于几何光学薄膜的制备。

红外薄膜的工作波段波长是可见薄膜的工作波段的2-20倍左右，因此红外薄膜的膜层一般都非常厚。现有技术中，采用复杂膜系来调控器件整体的红外特性是一种较为常用的技术手段，如高低折射率交替的四分之一波长膜系。因此红外薄膜的设计难度、薄膜应力、制备周期长、累积误差、制造成本等问题就凸显出来。尤其红外薄膜在器件表面的镀制受限于镀膜过程中具体工艺，不具备普适性，比如电子束蒸镀的理想成膜面为球面，磁控溅射的理想成膜面近似于平面等，当红外薄膜的加载面为曲面，甚至形状更复杂的器件上时，膜层的均一性很难保证，镀膜之后，在器件表面也很难获得较为理想的红外调控特性。而现有技术中，还没有可以适用于任意形状表面的红外薄膜制备方法。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中的镀膜方法难以在复杂形貌的表面自由镀制红外膜系，且镀制后的红外膜系难以获得理想的红外调控特性的技术问题，提供一种红外波段光学薄膜自由随形方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下。

红外波段光学薄膜自由随形方法，包括以下步骤：

步骤一、将膜系设计软件的背景折射率修改为待使用的粘性溶剂的折射率，并采用膜系设计软件根据设计要求设计光学薄膜的膜系结构；

步骤二、在平板基底上制备过渡层，并在过渡层上制备步骤一中设计的光学薄膜；

步骤三、将光学薄膜从平板基底上剥离，并超声粉碎为微米量级的薄膜碎片；

步骤四、按质量比(2-7):3将薄膜碎片与粘性溶剂进行物理混合，得到薄膜涂料；

步骤五、将薄膜涂料刷涂、喷涂或热压在目标面上，自然固化，薄膜涂料在目标面上形成涂层，即得到覆载在目标面上的红外波段光学薄膜；

所述涂层的厚度至少比步骤一设计的光学薄膜的厚度大1个数量级，且在毫米量级以下。

进一步的，步骤一与步骤四中，所述的粘性溶剂为光学环氧胶。

进一步的，步骤二中，采用电子束蒸发镀膜机镀制过渡层。

进一步的，步骤三中，所述将光学薄膜从平板基底上剥离的方法，是将过渡层溶解在剥离液中；更进一步的，所述过渡层的材料为NaCl，剥离液为水，或者所述过渡层的材料为有机材料，剥离液为乙醇。

进一步的，步骤五中，所述涂层的厚度至少比步骤一设计的光学薄膜的厚度大1-2个数量级。

进一步的，步骤五中，所述薄膜涂料沿单方向有序刷涂在目标面上。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的红外波段光学薄膜自由随形方法解决了现有技术因器件形状复杂难以自由镀制膜系的问题，该方法一方面保留了原始设计膜系对红外波段入射光能量的调控作用，另一方面使红外波段光学薄膜具备了良好的随形附着能力，可以通过刷涂、喷涂、热压等工艺自由应用在任意曲面上，整个制备过程具有工艺流程简单，成本低，适用性强的优点，在民生及国防等多个领域都具有巨大的市场前景。

本发明的原理：

本发明的红外波段光学薄膜的自由随形方法为了解决在复杂形状表面镀制均匀膜系困难的问题，采用整体结构碎片化处理的思想将现有的红外光学薄膜转化成了薄膜涂料的形式，通过混合具有粘性的材料，使薄膜涂料能够通过刷涂、喷涂、热压等工艺很方便的在复杂曲面上进行随形附着，从而使膜系的光学调控作用得以很好地实现。在这个过程中，混合粘性溶剂后的薄膜，不可避免的会在整体光学特性的表达上与原始设计的薄膜发生偏差，使红外调控性能发生改变，对此，经发明人分析，混合粘性溶剂后的薄膜与原始设计的薄膜相比，实际上是相当于改变了原始膜系周围的介质环境，因此，本发明在步骤一中借助薄膜软件设计膜系结构时，改变空间的介质环境，将设计软件的背景折射率由1改为粘性溶剂的折射率，避免介电环境对设计的薄膜的影响。另外，由于红外波段膜层的厚度处于微米量级，所以将其粉碎为微米级的碎片，且要求涂层的厚度至少比设计的光学薄膜的厚度大一个数量级，且在毫米量级以下，能够保证涂层形成的膜系满足步骤一中的膜系设计环境。进而，综合这两点，保证制备出的光学薄膜的红外调控性能与设计的相同。

附图说明

图1为现有技术设计的光学薄膜与本发明制备的光学薄膜的红外光谱图。

具体实施方式

为使本领域技术人员进一步了解本发明，以下结合附图进一步说明本发明。

红外波段光学薄膜自由随形方法，包括以下步骤：

步骤一、将膜系设计软件的背景折射率修改为待使用的粘性溶剂的折射率，采用膜系设计软件根据设计要求设计光学薄膜的膜系结构；

其中，膜系设计软件没有特殊要求，本领域常用的光学设计软件皆可，如Essential Macleod软件；待使用的粘性溶剂即步骤四中使用的粘性溶剂，如果粘性溶剂采用光学环氧胶，则将膜系设计软件中的背景折射率从真空中的1改为1.45，其他设计过程与现有技术中的膜系设计相同，按照膜系设计要求进行设计即可；

步骤二、先在平板基底上制备过渡层，然后在过渡层上制备步骤一中设计的光学薄膜，再将带有光学薄膜的平板基底置于剥离液中，过渡层被剥离液溶解，光学薄膜从平板基底上剥离；

其中，过渡层的材料易溶于剥离液，且剥离液不溶解光学薄膜，平板基底的材料没有限制，具体可以根据现有技术选择，如过渡层的材料为NaCl，剥离液为水，或者过渡层的材料为有机材料，剥离液为乙醇；过渡层可以采用现有电子束蒸发镀膜机镀制，没有特殊需要求；

步骤三、将光学薄膜超声粉碎为微米级的碎片；

此过程没有特殊限制，采用现有技术中的超声粉碎机即可完成；

步骤四、按质量比(2-7):3将碎片与粘性溶剂进行物理混合，搅拌均匀，得到薄膜涂料，由于光学薄膜变为涂料的形式，所以具有在任意曲面随形附着的特性；

其中，粘性溶剂为具备一定粘性的材料，一般采用光学环氧胶；薄膜涂料中的碎片的质量百分数在40％-70％，是发明经过大量分析确定的，该范围能够保证薄膜涂料形成涂层后的性能与设计的一致；

步骤五、将薄膜涂料刷涂、喷涂或热压在目标面上，自然固化，薄膜涂料在目标面上形成涂层，即得到了覆载在目标面上的红外波段光学薄膜；

需要注意的是，经发明人大量实验和分析，涂层的厚度至少比步骤一设计的光学薄膜的厚度大一个数量级，优选1-2个数量级，且在毫米量级以下，才能满足步骤一中的膜系设计环境。

实施例1

设计要求：要求光学薄膜在4-6微米和8-10微米的峰值反射率大于60％，吸收峰半高宽在1.5-2微米。

步骤一、使用Essential Macleod软件进行膜系设计，计算前将背景折射率由1改为光学环氧胶的1.45，设计出膜系为氟化镱(YbF3)层和硒化锌(ZnSe)层交替排列的多层膜，其中最上层为硒化锌层，多层膜共三十层，总厚度为33微米；

步骤二、在K9玻璃基底上先镀制NaCl过渡层，然后在过渡层上镀制步骤一设计的多层膜；

步骤三、将过渡层溶解在水中，得到剥离下来的多层膜；

步骤四、将剥离下来的多层膜超声波粉碎，得到薄膜碎片，薄膜碎片的平均颗粒度达到300微米；

步骤五、将薄膜碎片与光学环氧胶按质量比1:1进行物理混合，得到薄膜涂料；

步骤六、将薄膜涂料单方向有序刷涂在目标面上，涂层厚度为500微米，刷涂结束后将其置于太阳光之下，任其自然固化，得到覆盖在目标面上的红外波段光学薄膜。

采用红外光谱仪对覆盖光学薄膜的目标面的反射率进行检测，并与背景为1且采用现有的仿真设计方法设计的的光学薄膜进行对比，结果如图1所示。从图1可以看出，两者的曲线存在微小偏差，但仍在设计要求之内，说明本发明的方法设计的光学薄膜不仅能够实现自由随形，在任意表面上制备，还能保持设计中的红外调控特性，满足设计要求。

Claims (8)

1.红外波段光学薄膜自由随形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将膜系设计软件的背景折射率修改为待使用的粘性溶剂的折射率，并采用膜系设计软件根据设计要求设计光学薄膜的膜系结构；

所述膜系结构为氟化镱层和硒化锌层交替排列的多层膜；

步骤二、在平板基底上制备过渡层，并在过渡层上制备步骤一中设计的光学薄膜；

步骤三、将光学薄膜从平板基底上剥离，并超声粉碎为微米量级的薄膜碎片；

步骤四、按质量比(2-7):3将薄膜碎片与粘性溶剂进行物理混合，得到薄膜涂料；

步骤五、将薄膜涂料刷涂、喷涂或热压在目标面上，自然固化，薄膜涂料在目标面上形成涂层，即得到覆载在目标面上的红外波段光学薄膜；

所述涂层的厚度至少比步骤一设计的光学薄膜的厚度大1个数量级，且在毫米量级以下。

2.根据权利要求1所述的红外波段光学薄膜自由随形方法，其特征在于，步骤一与步骤四中，所述的粘性溶剂为光学环氧胶。

3.根据权利要求1所述的红外波段光学薄膜自由随形方法，其特征在于，步骤二中，采用电子束蒸发镀膜机镀制过渡层。

4.根据权利要求1所述的红外波段光学薄膜自由随形方法，其特征在于，步骤三中，所述将光学薄膜从平板基底上剥离的方法，是将过渡层溶解在剥离液中。

5.根据权利要求4所述的红外波段光学薄膜自由随形方法，其特征在于，所述过渡层的材料为NaCl，剥离液为水。

6.根据权利要求4所述的红外波段光学薄膜自由随形方法，其特征在于，所述过渡层的材料为有机材料，剥离液为乙醇。

7.根据权利要求1所述的红外波段光学薄膜自由随形方法，其特征在于，步骤五中，所述涂层的厚度至少比步骤一设计的光学薄膜的厚度大1-2个数量级。

8.根据权利要求1所述的红外波段光学薄膜自由随形方法，其特征在于，步骤五中，所述薄膜涂料沿单方向有序刷涂在目标面上。