CN105759464A - 一种电调光反射率薄膜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电调光反射率薄膜。包括第一光学介质层，依次设置在第一光学介质层上表面的第一阳极、第二光学介质层和第二阳极，以及设置在第一光学介质层下表面的阴极，阴极为匀质导电膜结构，第一阳极和所述第二阳极均由其上布有M×N元阵列分布的纳孔的导电膜构成；通过调变加载在第一阳极和阴极间的第一时序电压信号以及加载在第二阳极和阴极间的第二时序电压信号，调变阴极上的阵列化电子的密度和分布形态，进而调变电调光反射率薄膜的光反射率。本发明能对宽谱入射波束的光反射率执行电控调变，具有动态范围大、偏振不敏感、驱控灵活精细、调光响应快、光反射态可电控切入与调换的特点。
Description
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，涉及一种电调光反射率薄膜，通过层叠图形化电极激励微纳电场控制阴极上的电子分布形态，调控光波反射率。
背景技术
光反射薄膜是一种重要的控光元件，用于实现光束在薄膜界面处的高能态反射，其反射效能受界面处介质材料的连续及跃变介电属性制约，表现为界面处及界面附近的膜材料介电基团受电磁波场驱动所呈现的电振荡性极化激励与电磁再发射的叠加式空间定向与定域性响应。反光效能除受制于薄膜面形及其与其它功能结构的耦合形态外，还与组成膜材料的微纳功能结构特征及其空间排布形态所约束的折射率情形密切相关。迄今为止，光反射薄膜在工农业生产、国防、科学研究以及消费等领域获得了广泛使用，目前正沿着进一步改善和增强膜材料的表面及膜内理化性能、特殊微纳功能构建以及特征电磁激励响应等方向前进。已发展的主要薄膜类型包括：(一)基于膜界面及膜内密集排布的特殊微纳反光结构，实现波束在薄膜入射面上的高效反射；(二)基于构造金属化光学镜面获得光束的高反射率；(三)针对特定环境或结构配置具有特定介电属性的膜或膜系材料，实现基于膜内外介质折射率优化耦合的高效光反射；(四)基于电磁波束在膜界面处的相位匹配，通过干涉或衍射作用实现反射率提高；(五)基于波束在介质界面处的特殊偏振行为获得高反射率出射波束；(六)通过材料的特征介电属性层化分布，实现波束在薄膜入射面上的高效反射；(七)基于环境或目标特征，实现薄膜介质光反射效能的动态调节等。
目前，光反射率可调变薄膜技术在应用驱动下，对其功能、性能指标和成本等均提出了更高要求。迄今为止已建立的主要技术方式包括：(一)薄膜材料的介电属性可通过电致、磁致、声致、热致或光致理化效应实现一定程度的调变，如典型的光折变材料、电控液晶材料以及热致折射率变化材料等；(二)通过复杂工艺基于固定反射率膜片的拼接耦合，构造移动使用条件下的光反射率可调变膜架构；(三)通过膜材料的折射率可调变属性，基于波束的特征干涉、衍射或偏振作用，实现反射光束能量输运效能的可变动操控；(四)基于铁电、铁磁或热相变实现开关或二值式的光反射率翻转变更等。如上所述的可调光反射率薄膜技术，在满足未来可预见的应具有较大动态范围的可调光反射薄膜技术方面，将显示能力不足这一缺陷。关键性的问题有：(一)现有膜材料其自身的可调变理化属性仅意味着极为有限的反射率可变动范围，并存在明显的强光饱和以及较高的弱光阈值；(二)调变操作下的光学稳态间的过渡时间较长且响应相对迟缓；(三)价格相对高昂的渐变光反射率薄膜须在移动条件下使用，光强呈有限的离散变动形态且需配置辅助精密机械装置，从而带来成本和工作负担重等问题；(四)基于可调变的光学干涉、衍射或偏振效应的控光薄膜，存在强的波谱或偏振依赖性且反射光强的可变动区域相对狭窄；(五)呈现热致光反射强度变化效应的膜材料因热惯性，一般适用于光学缓变情形，同时还存在环境依赖性、单向热动性以及热涨落等问题；(五)基于二值窗口效应的膜架构仅涉及反射光束的通断切换等。总之，发展适用于快速、宽带、偏振不敏感、驱控灵活、反射光强的可调变范围大，可执行光强的连续调变、跃变、任意态切入或调换等的膜架构，仍是目前进一步发展反射式控光薄膜技术的热点和难点问题，迫切需要新的突破。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电调光反射率薄膜，能对宽谱入射波束的光反射率执行电控调变，具有动态范围大、偏振不敏感、驱控灵活精细、调光响应快、光反射态可电控切入与调换的特点。
为实现上述目的，本发明提供了一种电调光反射率薄膜，其特征在于，包括第一光学介质层，依次设置在所述第一光学介质层上表面的第一阳极、第二光学介质层和第二阳极，以及设置在所述第一光学介质层下表面的阴极，所述阴极为匀质导电膜结构，所述第一阳极和所述第二阳极均由其上布有M×N元阵列分布的纳孔的导电膜构成；通过调变加载在所述第一阳极和所述阴极间的第一时序电压信号以及加载在所述第二阳极和所述阴极间的第二时序电压信号，调变所述阴极上的阵列化电子的密度和分布形态，进而调变所述电调光反射率薄膜的光反射率。
优选地，通过调变所述第一时序电压信号和所述第二时序电压信号的频率或占空比，调节所述电调光反射率薄膜的有效控光工作时长。
优选地，所述阴极上的阵列化电子的密度越大，对应位置的光发射率越大。
优选地，在断电态下，所述阴极上的电子的分布密度相同，所述电调光反射率薄膜呈现本征的高光反射率。
优选地，定义纳孔面积占第一阳极总通光面积的比率为第一纳孔填充系数，定义纳孔面积占第二阳极总通光面积的比率为第二纳孔填充系数，所述第一纳孔填充系数和所述第二纳孔填充系数均在84％以上，且所述第二纳孔填充系数大于所述第一纳孔填充系数。
优选地，所述纳孔为纳方孔、纳圆孔或纳十字孔。
优选地，所述第二阳极远离所述第二光学介质层的一面还设有第一保护膜，所述阴极远离所述第一光学介质层的一面还设有第二保护膜。
优选地，上述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电调光反射率薄膜的靠近所述第二阳极的一侧，用于接入所述第一阳极和所述第二阳极的金属电引线，所述阴极电引线微焊区设置在所述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、通过分别将两种孔径的纳孔密集排布所构成的双层图案电极与一层金属纳膜电极实现纳间距耦合，构成可电调光反射率的控光薄膜架构；
2、通过在薄膜上加载可灵活调变频率、幅度和占空比的双路时序电压信号，实现反射光波能态的电调控，具有驱控灵活精细、调光响应快、光反射态可电控切入与调换的特点；
3、通过在阴阳极间形成可调控锐化程度的阵列化微电场，调控金属阴极上的阵列化电子分布密度，呈现快速、稳定及环境影响低的控光特点；
4、具有易与其它功能性光学、光电及电子学结构耦合的特点；
5、通过控制阴极电子的阵列化分布密度来调控反射光波的能量输运效能，适用于宽谱、任意偏振态以及宽能态光波的特点。
附图说明
图1是本发明实施例的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是本发明实施例的电调光反射率薄膜的剖面结构示意图；
图4是本发明实施例的电调光反射率薄膜的电极结构示意图；
图5是几种典型的阳极结构。
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-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，电调光反射率薄膜中的阳极端面3上设有第一电引线微焊区1和第二电引线微焊区2，分别用于接入与电调光反射率薄膜的第一阳极和第二阳极连接的金属电引线，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，用于接入与电调光反射率薄膜的阴极连接的金属电引线。
图3是本发明实施例的电调光反射率薄膜的剖面结构示意图。如图所示，电调光反射率薄膜包括第一光学介质层，依次设置在第一光学介质层上表面的第一阳极、第二光学介质层、第二阳极和第一保护膜，以及依次设置在第一光学介质层下表面的阴极和第二保护膜。其中，第一保护膜和第二保护膜同时起电绝缘作用，第一光学介质层和第二光学介质层为电绝缘材料，第一阳极和第二阳极为图形化的石墨烯膜，阴极为纳米级厚度的金属膜。更具体地，电调光反射率薄膜主要包括以下四个功能模块：(一)由两层石墨烯材料制成的图形化层叠式阳极；(二)由纳米级厚度金属材料制成的平面阴极；(三)填充在图形化石墨烯电极间以及图形化石墨烯电极与金属纳膜电极间的纳米级厚度的透明光学介质材料，光学介质材料的厚度精确限定了双层图形化石墨烯电极间距以及图形化石墨烯电极与金属纳膜电极间距；(四)在顶层图形化石墨烯电极与金属纳膜电极的外表面上分别制作的保护膜/电绝缘膜。
在加电态下，双路时序电压信号V1和V2被分别加载在第一阳极与阴极以及第二阳极与阴极上，在阴阳极间激励出具有微米结构尺度且电场强度与场锐化程度可调变的阵列化微电场，V1和V2既可以是正性电压信号，也可以是负性电压信号，或者在相互匹配条件下均包含正或负的成分，见图3所示的从第一阳极到达阴极表面的微发散锐化电场E1，以及从第二阳极穿透第一阳极到达阴极表面的微发散锐化电场E2。分布在阴极表面的局域电场E，由E1和E2叠加构成，满足E＝E1+E2关系；阴极上可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将显著增强，缺少电子部位的光反射则将明显减弱。
图4是本发明实施例的电调光反射率薄膜的电极结构示意图。如图所示，第一阳极和第二阳极均由其上布有M×N元阵列分布的纳孔的石墨烯膜构成(M、N均为大于1的整数)。定义纳孔面积占第一阳极总通光面积的比率为第一纳孔填充系数，定义纳孔面积占第二阳极总通光面积的比率为第二纳孔填充系数，第一纳孔填充系数和第二纳孔填充系数均在84％以上，且第二纳孔填充系数大于第一纳孔填充系数，能在阴极表面形成接近100％的电场覆盖区，从而将不受控制的阴极漏光减到最小程度。其中，纳孔是指纳米级尺度的孔结构，优选为规则形状，图5给出了几种典型的纳孔结构，如纳方孔、纳圆孔和纳十字孔。
电调光反射率薄膜的光反射率为综合各微区光反射情况的平均效果；在断电态下，阴极上的电子分布密度相同，入射到阴极上的光束被充分反射；通过调变分别加载在阴阳电极间的双路信号电压，调变阴极上的阵列化电子的密度及其分布形态，对入射波束执行光反射率的电调操控；通过匹配调变所加载的双路时序电压信号的频率和占空比，控制调变光反射率的时长。
下面详细说明本发明实施例的电调光反射率薄膜的工作过程。首先将由第一阳极引出的金属电引线压焊在第一电引线微焊区上，将由第二阳极引出的金属电引线压焊在第二电引线微焊区上，将由阴极引出的金属电引线压焊在第三电引线微焊区上。将具有特定频率、幅度和占空比的双路时序电压信号通过三根金属电引线分别加载在电调光反射率薄膜上，其中的正电端分别加载在第一阳极和第二阳极上，负电端加载在阴极上，随着信号电压的有效加载和电参数的有序调变，电调光反射率薄膜将入射到其阴极一端的光波逐次调变到所限定的反射效能处；通过调节电压信号的频率或占空比，调节电调光反射率薄膜的有效控光工作时长。
本发明的电调光反射率薄膜，采用双路可调幅及调变信号占空比的时序电压信号控制电调光反射率薄膜的光反射率，具有动态范围大、偏振不敏感、驱控灵活精细、调光响应快、光反射态可电控切入与调换的特点。
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 (8)
1.一种电调光反射率薄膜，其特征在于，包括第一光学介质层，依次设置在所述第一光学介质层上表面的第一阳极、第二光学介质层和第二阳极，以及设置在所述第一光学介质层下表面的阴极，所述阴极为匀质导电膜结构，所述第一阳极和所述第二阳极均由其上布有M×N元阵列分布的纳孔的导电膜构成；通过调变加载在所述第一阳极和所述阴极间的第一时序电压信号以及加载在所述第二阳极和所述阴极间的第二时序电压信号，调变所述阴极上的阵列化电子的密度和分布形态，进而调变所述电调光反射率薄膜的光反射率。
2.如权利要求1所述的电调光反射率薄膜，其特征在于，通过调变所述第一时序电压信号和所述第二时序电压信号的频率或占空比，调节所述电调光反射率薄膜的有效控光工作时长。
3.如权利要求1所述的电调光反射率薄膜，其特征在于，所述阴极上的阵列化电子的密度越大，对应位置的光发射率越大。
4.如权利要求1所述的电调光反射率薄膜，其特征在于，在断电态下，所述阴极上的电子的分布密度相同，所述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中任一项所述的电调光反射率薄膜，其特征在于，定义纳孔面积占第一阳极总通光面积的比率为第一纳孔填充系数，定义纳孔面积占第二阳极总通光面积的比率为第二纳孔填充系数，所述第一纳孔填充系数和所述第二纳孔填充系数均在84％以上，且所述第二纳孔填充系数大于所述第一纳孔填充系数。
6.如权利要求1至4中任一项所述的电调光反射率薄膜，其特征在于，所述纳孔为纳方孔、纳圆孔或纳十字孔。
7.如权利要求1至4中任一项所述的电调光反射率薄膜，其特征在于，所述第二阳极远离所述第二光学介质层的一面还设有第一保护膜，所述阴极远离所述第一光学介质层的一面还设有第二保护膜。
8.如权利要求1至4中任一项所述的电调光反射率薄膜，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电调光反射率薄膜的靠近所述第二阳极的一侧，用于接入所述第一阳极和所述第二阳极的金属电引线，所述阴极电引线微焊区设置在所述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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