CN105739131B - 一种可寻址电调光反射率薄膜 - Google Patents

一种可寻址电调光反射率薄膜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可寻址电调光反射率薄膜。包括阴极，阳极阵列，以及设置在阴极和阳极阵列间的介电层；阳极阵列由M×N元阵列分布的阳极单元构成，阳极单元由规则排列且相互连通的多个子电极构成，可寻址电调光反射率薄膜被划分为M×N元阵列分布的电调光反射率单元，阳极单元与电调光反射率单元一一对应，构成电调光反射率单元的阳极，所有电调光反射率单元共用阴极；通过阳极单元和阴极对电调光反射率单元执行独立加电操作，进而通过调变加载在电调光反射率单元上的电压信号，实现可寻址电调光反射率的控光操作。本发明具有偏振不敏感、驱控灵活、调光响应快以及反射光强变动范围大的特点。

Description

一种可寻址电调光反射率薄膜
技术领域
本发明属于光学精密测量与控制技术领域，更具体地，涉及一种可寻址电调光反射率薄膜，能对入射光波执行反射率可寻址的电控调变。
背景技术
迄今为止所发展的高光反射率薄膜技术，均基于膜介质中数量巨大的特征介电基团、相对自由的或束缚态电子等在振荡性电磁激励下所产生的光再发射叠加效应，主要由微/纳米厚度的金属/金属化材料、半导体或介电材料制成，同种材质薄膜呈现相同的反光属性。可寻址调变薄膜光反射率，意味着实现薄膜的定域差异性光反射能量输运。目前所建立的实用化手段主要有：(一)将不同材质的膜材料通过定域性层化耦合构建成可寻址移位的变光反射率薄膜结构；(二)拼接独立反光膜片构成可寻址的区块化变光反射率拼图式薄膜结构；(三)通过可寻址加电的微机电Fabry-Perot结构(MEMs-FP)或电控液晶Fabry-Perot结构(LC-FP)结构，实现谱反射光强的定域电调变；(四)基于电湿效应构建可寻址加电的阵列化电调微液形貌式的定域反光薄膜架构；(五)基于薄膜的控光干涉或特征衍射调变出射光束能流及其分布形态，实现反射束振幅的空变投送；(六)通过可寻址调节的局域电场、磁场、声场或热场，驱使膜材料折射率及其空间分布形态产生可调节改变；(七)构造特殊的参数可调微纳功能结构阵列如典型的阵列化微光子晶体膜结构等。可寻址调变光反射率薄膜技术目前主要用于光学系统的局域通光效能改变，成像视场或捕光结构的局域强光抑制与透射束流增强，宽径反射光束能流匀质化，光学引擎反射波束强度或亮度的图案化调变，激光波束功率空间分布形态的图案化调节以及遮光效率空变调控等层面。随着功能需求的日渐增多和日趋复杂，应用领域的不断扩展以及现代微电子和光电子技术的强力推动，可寻址调控尤其是电调控光反射率薄膜技术，在新反射机理发现、特殊微纳功能结构设计、材料选择与膜系配置、驱控架构建立以及成本降低等方面，均提出了更高要求。
研究和应用显示，现有的商用可寻址电调光反射率薄膜技术的缺陷主要反映在以下方面：(一)由于单层光学介质膜难以达到较高的反射率水平，单层金属/金属性反射膜通过电子表面态及其电磁振荡性激励展现固定的反光行为，基于常规光学机理构建的层化薄膜材料不论是叠合式的还是拼图式的，通过现有工艺方式会形成相对粗糙的介电跃变界面从而产生较强的光束漫反射；(二)层化膜层间会形成渗透性扩散界面从而产生类渐变折射率分布的亚界面效应；(三)不同材质膜层间的表面应力会驱使薄膜呈现时效性的结构和化学稳定属性；(四)基于特殊功能如典型的FP效应以及电磁声热光等因素诱导的局域介电行为改变，会使源于电子或偶极介电振荡响应的光反射率调变机制呈现控制相对复杂、相位和偏振匹配繁杂、成本高、波谱适用范围窄等问题；(五)薄膜抗强光或强激光辐照的能流阈值低，反射率可变动范围相对狭小；(六)复杂的层化膜系配置使薄膜的制作成本提高，结构稳定性以及与其它功能结构的耦合或适配性相对降低等。针对上述问题，寻找新的薄膜架构、驱控方案、简化工艺流程以及降低成本等，已成为发展可寻址电调光反射率薄膜技术的核心环节，迫切需要新的技术突破。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可寻址电调光反射率薄膜，能对宽谱入射波束的光反射率执行可寻址电控调变，具有偏振不敏感、驱控灵活、调光响应快以及反射光强变动范围大的特点。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种可寻址电调光反射率薄膜，其特征在于，包括阴极，阳极阵列，以及设置在所述阴极和所述阳极阵列间的介电层；所述阳极阵列由M×N元阵列分布的阳极单元构成，所述阳极单元由规则排列且相互连通的多个子电极构成，所述可寻址电调光反射率薄膜被划分为M×N元阵列分布的电调光反射率单元，所述阳极单元与所述电调光反射率单元一一对应，构成所述电调光反射率单元的阳极，所有电调光反射率单元共用所述阴极；通过所述阳极单元和所述阴极对所述电调光反射率单元执行独立加电操作，通过调变加载在所述电调光反射率单元上的电压信号，实现可寻址电调光反射率的控光操作。
优选地，通过调变加载在所述电调光反射率单元上的电压信号的幅度，调变所述阴极上的阵列化电子的分布密度及其分布形态，进而调节所述电调光反射率单元的反射率；通过调变加载在所述电调光反射率单元上的电压信号的占空比，控制调变光反射率的时间。
优选地，通过可寻址选择、配置或更换加电的电调光反射率单元，对执行光反射率调变操控的所述阴极的对应区域进行定位或移位；通过对所述电调光反射率单元并行加载多路独立的电驱控信号，形成特定的可调节的光反射能流形态。
优选地，在断电态下，所述阴极上能自由移动的电子的分布密度相同，所述可寻址电调光反射率薄膜呈现本征的高光反射率。
优选地，定义电极单元填充系数为构成电极单元的子电极面积占电极单元的受光面积的比率，所述电极单元填充系数在90％以上。
优选地，所述子电极为圆形、正方形或长方形的石墨烯膜结构。
优选地，所述子电极的排列方式为同心圆形、直线形或矩形阵列形式。
优选地，所述介电层和所述阳极阵列间还设有第一电隔离膜，所述介电层和所述阴极间还设有第二电隔离膜。
优选地，所述阳极阵列远离所述介电层的一面还设有第一保护膜，所述阴极远离所述介电层的一面还设有第二保护膜。
优选地，上述可寻址电调光反射率薄膜还包括阳极电引线微焊区和阴极电引线微焊区，所述阳极电引线微焊区设置在所述可寻址电调光反射率薄膜的靠近所述阳极阵列的一侧，用于接入所述阳极单元的金属电引线，所述阴极电引线微焊区设置在所述可寻址电调光反射率薄膜的靠近所述阴极的一侧，用于接入所述阴极的金属电引线。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、通过将石墨烯区块化成由纳电极密集排布并电联通的图案化阳极以及与金属阴极实现纳间距耦合构成薄膜架构，具有可寻址电调光反射率的特点；
2、通过在薄膜上加载能灵活调变频率、幅度和占空比的时序电压信号，实现反射光其能量输运效能的电调节，具有控制特性好的特点；
3、通过在图案化阳极与金属阴极间的纳尺度空间形成可调变的微电场阵，对阴极上的电子分布密度及形态进行有效调控，具有光学反射态的调控操作受环境因素影响低的特点；
4、通过可寻址加电对执行光反射率调变操控的阴极区域进行选择、配置与更换，具有易与其它功能结构匹配耦合的特点；
5、通过控制阴极电子的分布密度与形态来控制光反射行为，适用于宽谱和任意偏振态波束并具有快速调光的特点。
附图说明
图1是本发明实施例的可寻址电调光反射率薄膜主要呈现阳极一端的结构示意图；
图2是本发明实施例的可寻址电调光反射率薄膜主要呈现阴极一端的结构示意图；
图3是本发明实施例的可寻址电调光反射率薄膜的区块化结构示意图；
图4是本发明实施例的可寻址电调光反射率薄膜的剖面结构示意图；
图5是本发明实施例的可寻址电调光反射率薄膜的电调光反射率单元的局域电场分布示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-第一电引线微焊区，2-第二电引线微焊区，3-阳极端面，4-矩形指示符，5-可寻址电调光反射率薄膜，6-第三电引线微焊区，7-阴极端面。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本发明实施例的可寻址电调光反射率薄膜主要呈现阳极一端的结构示意图，图2是本发明实施例的可寻址电调光反射率薄膜主要呈现阴极一端的结构示意图。如图所示，在可寻址电调光反射率薄膜的阳极端面3上设有第一电引线微焊区1和第二电引线微焊区2，用于接入与可寻址电调光反射率薄膜的独立加电的电调光反射率单元的规模相对应的多根金属电引线，阳极端面3上还设有矩形指示符4，用于指示矩形指示符4所在的面为阳极加电面；在阴极端面7上与第一电引线微焊区1或第二电引线微焊区2对应的位置，设有第三电引线微焊区6，用于接入另一根金属电引线。
图3是本发明实施例的可寻址电调光反射率薄膜的区块化结构示意图。如图所示，可寻址电调光反射率薄膜被划分为M×N元阵列分布的电调光反射率单元(M、N均为大于1的整数)，这些电调光反射率单元共用一个阴极，但拥有各自独立的阳极(即阳极单元)，能独立执行电调光操作。阳极单元由规则排列且相互连通的多个石墨烯图案构成，石墨烯图案在纳米尺度，图3给出了几种典型的石墨烯图案，如圆形、正方形和长方形，更具体地，石墨烯图案的排列方式可以为同心圆形、直线形或矩形阵列形式。
图4是本发明实施例的可寻址电调光反射率薄膜的剖面结构示意图。如图所示，可寻址电调光反射率薄膜包括介电层，依次设置在介电层上表面的第一电隔离膜、阳极阵列和第一保护膜，以及依次设置在介电层下表面的第二电隔离膜、阴极和第二保护膜。其中，第一保护膜和第二保护膜同时起电隔离作用，阳极阵列由M×N元阵列分布的阳极单元构成，阴极由厚度在纳米尺度的金属膜构成。更具体地，可寻址电调光反射率薄膜主要包括以下四个功能结构：(一)被区块化排布并电绝缘的石墨烯图案化阳极；(二)由纳米厚度匀质金属膜构成的阴极；(三)填充在阴阳电极间的纳米级厚度的透明光学材料(介电层)，该光学介质层既电绝缘阴阳电极又精确控制阴阳极间距；(四)分别制作在阴阳电极外表面的一层保护膜/电绝缘膜。由于可寻址电调光反射率薄膜的调光作用主要由金属纳膜承担，光波既可以从阳极一端入射，也可以从阴极一端入射；通过调变加载在电调光反射率单元上的信号电压的频率、幅度和占空比，对反射光波的能量输运效能进行调控操作。
图5是本发明实施例的可寻址电调光反射率薄膜的电调光反射率单元的局域电场分布示意图。如图所示，在加电态下，通过电调光反射率单元的阳极单元和阴极将时序电压信号V加载在电调光反射率单元上，在阳极单元和阴极间激励出具有亚微米尺度结构且电场强度与场锐化程度可调变的阵列化微电场，见图示的从阳极单元的石墨烯图案到阴极的微发散锐化电场；分布在阴极表面的局域电场E由垂直于阴极表面的局域电场E1和平行于阴极表面的局域电场E2构成，满足E＝E1+E2关系；阳极单元中的各石墨烯图案与阴极间形成向阴极表面弯曲扩散的局部电场；阴极上能自由移动的电子被阴极表面所激励的阵列化微电场驱动，向各微电场中电场强度最大部位聚集，阴极上有稠密电子分布的部位其光反射率将显著增强，缺少电子部位的光反射率则将明显减弱。通过调变所加载的电驱控电压信号的幅度，相应于调变阴极上的阵列化电子的分布密度及其分布形态，对入射光波执行电调反射率操作；通过调变所加载的时序电压信号的占空比，控制调变光反射率的时间；通过可寻址选择、配置或更换加电的电调光反射率单元，对执行光反射率调变操控的阴极区域进行定位或移位；通过并行加载多路独立的电驱控信号，形成特定的并可调节的光反射能流形态。
定义电极单元填充系数为构成电极单元的石墨烯图案的面积占电极单元的受光面积的比率，优选地，电调光反射率单元的电机单元填充系数应被控制在90％以上，电极单元通过与阴极耦合，在阴极表面形成无弱电场或无效电场空隙的电场覆盖区，从而将控光区域调整到最佳尺度。电调光反射率单元的光反射率通过综合其内所有光反射微区的平均效果给出；在断电态下，阴极上能自由移动的电子的分布密度相同，可寻址电调光反射率薄膜表现出本征的高光反射效能。
下面详细说明本发明实施例的可寻址电调光反射率薄膜的工作过程。首先将由电调光反射率单元的阳极单元引出的多路金属电引线压焊在第一电引线微焊区1和第二电引线微焊区2上，将由阴极引出的一路金属引线压焊在第三电引线微焊区6上，将具有特定频率、幅度和占空比的时序电压信号通过多路金属电引线加载在电调光反射率单元上，其中的正电端加载在阳极单元上，负电端加载在阴极上，随着信号电压的有效加载和参数调变，可寻址电调光反射率薄膜将逐次呈现所限定的光反射率及其光反射能流分布图案；通过调节电压信号的占空比，调节可寻址电调光反射率薄膜的有效调光工作时间。基于可寻址电调光反射率薄膜的电子驱控响应机理，外界光波既可以从阳极端入射，也可以从阴极端入射，呈现大致相同的光反射效果。
本发明的可寻址电调光反射率薄膜，采用可寻址加载可调频、调幅及调变信号占空比的时序电压信号控制薄膜的光反射率，具有偏振不敏感、驱控灵活、调光响应快以及反射光强可变动范围大的特点。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可寻址电调光反射率薄膜，其特征在于，包括阴极，阳极阵列，以及设置在所述阴极和所述阳极阵列间的介电层；所述阳极阵列由M×N元阵列分布的阳极单元构成，所述阳极单元由规则排列且相互连通的多个子电极构成，所述可寻址电调光反射率薄膜被划分为M×N元阵列分布的电调光反射率单元，所述阳极单元与所述电调光反射率单元一一对应，构成所述电调光反射率单元的阳极，所有电调光反射率单元共用所述阴极；通过所述阳极单元和所述阴极对所述电调光反射率单元执行独立加电操作，通过调变加载在所述电调光反射率单元上的电压信号，实现可寻址电调光反射率的控光操作。
2.如权利要求1所述的可寻址电调光反射率薄膜，其特征在于，通过调变加载在所述电调光反射率单元上的电压信号的幅度，调变所述阴极上的阵列化电子的分布密度及其分布形态，进而调节所述电调光反射率单元的反射率；通过调变加载在所述电调光反射率单元上的电压信号的占空比，控制调变光反射率的时间。
3.如权利要求1所述的可寻址电调光反射率薄膜，其特征在于，通过可寻址选择、配置或更换加电的电调光反射率单元，对执行光反射率调变操控的所述阴极的对应区域进行定位或移位；通过对所述电调光反射率单元并行加载多路独立的电驱控信号，形成特定的可调节的光反射能流形态。
4.如权利要求1所述的可寻址电调光反射率薄膜，其特征在于，在断电态下，所述阴极上能自由移动的电子的分布密度相同，所述可寻址电调光反射率薄膜呈现本征的高光反射率。
5.如权利要求1至4中任一项所述的可寻址电调光反射率薄膜，其特征在于，定义电极单元填充系数为构成电极单元的子电极面积占电极单元的受光面积的比率，所述电极单元填充系数在90％以上。
6.如权利要求1至4中任一项所述的可寻址电调光反射率薄膜，其特征在于，所述子电极为圆形、正方形或长方形的石墨烯膜结构。
7.如权利要求1至4中任一项所述的可寻址电调光反射率薄膜，其特征在于，所述子电极的排列方式为同心圆形、直线形或矩形阵列形式。
8.如权利要求1至4中任一项所述的可寻址电调光反射率薄膜，其特征在于，所述介电层和所述阳极阵列间还设有第一电隔离膜，所述介电层和所述阴极间还设有第二电隔离膜。
9.如权利要求1至4中任一项所述的可寻址电调光反射率薄膜，其特征在于，所述阳极阵列远离所述介电层的一面还设有第一保护膜，所述阴极远离所述介电层的一面还设有第二保护膜。
10.如权利要求1至4中任一项所述的可寻址电调光反射率薄膜，其特征在于，还包括阳极电引线微焊区和阴极电引线微焊区，所述阳极电引线微焊区设置在所述可寻址电调光反射率薄膜的靠近所述阳极阵列的一侧，用于接入所述阳极单元的金属电引线，所述阴极电引线微焊区设置在所述可寻址电调光反射率薄膜的靠近所述阴极的一侧，用于接入所述阴极的金属电引线。
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