CN112230309A - 一种热辐射可控的光学窗口薄膜 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热辐射可控的光学窗口薄膜，用以解决现有技术中金属诱导透射的光学窗口薄膜透过率低、透射波段窄、耐高温性能差的问题。所述热辐射可控的光学窗口薄膜，自基底层依次包括：第一增透匹配层、第一金属防护层、诱导透射金属层、第二金属防护层、第二增透匹配层；诱导透射金属层的厚度根据薄膜应用环境热辐射的大小进行设定，且第一增透匹配层依次为高折射率薄膜、低折射率薄膜、高折射率薄膜；第二增透匹配层依次为高折射率薄膜、折射率薄膜、高折射率薄膜、低折射率薄膜。本发明热辐射可控光学窗口薄膜具有可见光透过率高、增透谱段宽、热辐射水平低且耐高温的特点，可用于制备高温透明热防护薄膜窗口。

Description

一种热辐射可控的光学窗口薄膜

技术领域

本发明属于光学薄膜领域，具体涉及一种热辐射可控的光学窗口薄膜。

背景技术

当飞行器在稠密大气层中高速飞行时，光学窗口被加热后会以热辐射的形式向飞行器内部辐射红外线，一方面这将造成光学系统工作环境温度升高，从而影响到系统内部结构的稳定性；另一方面，也将对使用窗口的光学探测成像系统的正常运行造成干扰，降低目标探测的精确性，严重时甚至会淹没需探测的目标信号。为使光学窗口系统能够满足恶劣、复杂的飞行环境，一般采用多层窗口隔热、窗口制冷、热辐射调控薄膜、被动气动隔热等多种方式，其中薄膜调控热辐射是通过光学镀膜的形式，在保证信号光高效通过的同时，有效阻隔外部辐射出的红外线，起到保护内部光学系统的作用。

现有技术中，光学镀膜通常采用金属诱导透射的方式实现热辐射调控，但是，采用金属诱导透射的方式获得的光学窗口薄膜，透过率低、透射波段窄、耐高温性能差，随着光学窗口使用环境的越加复杂、恶劣，越来越无法满足窗口学薄膜的需要。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种热辐射可控的光学窗口薄膜，通过设置可调厚度的诱导透射金属层，应用于不同的热辐射环境中，通过高、低折射率材料的交替设置，获得高透过率、透射波段宽、耐高温的窗口薄膜。

为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

本发明实施例提供了一种热辐射可控的光学窗口薄膜，

自基底层依次包括：第一增透匹配层、第一金属防护层、诱导透射金属层、第二金属防护层、第二增透匹配层；其中，诱导透射金属层的厚度根据薄膜应用环境热辐射的大小进行设定。

作为本发明的一个优选实施例，第一增透匹配层依次为第一内高折射率薄膜、第一内低折射率薄膜、第二内高折射率薄膜；第二增透匹配层依次为第一外高折射率薄膜、第一外低折射率薄膜、第二外高折射率薄膜、第二外低折射率薄膜。

作为本发明的一个优选实施例，所述高折射率薄膜材料采用TiO₂、Ta₂O₅、HfO₂、ZrO₂中的一种或两种，低折射率薄膜材料采用SiO₂。

作为本发明的一个优选实施例，诱导透射金属层材料选择Ag；金属防护层材料采用Al₂O₃。

作为本发明的一个优选实施例，所述高折射率薄膜材料采用同一种高折射率材料，低折射率薄膜材料采用同一种低折射率材料，所述热辐射可控的光学窗口薄膜结构如下：

Sub//x₁H y₁L x₂H z₁N cM z₂N x₃H y₂L x₄H y₃L/Air；

其中，Sub代表窗口基底材料，H代表高折射率膜层，L代表低折射率膜层，M代表诱导透射金属层，N代表金属热防护层，Air为空气，x_i、y_i、z_i，i＝1、2、3、4、5，代表每层膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ₀/4，λ₀为薄膜设计波长；其中，x₁＝1.2～2.2；y₁＝0.8～1.2；x₂＝0.3～0.7；z₁＝0.1～0.2；c＝8～20nm；z₂＝0.1～2；x₃＝0.3～0.7；y2＝0.8～1.2；x₄＝0.2～0.6；y₃＝1.0～1.5。

作为本发明的一个优选实施例，所述薄膜设计波长选自420nm～680nm波段。

本发明具有如下有益效果：

本发明实施例所述热辐射可控的光学窗口薄膜，通过设置诱导透射金属层的不同厚度，实现不同的热辐射应用，所述薄膜具有可见光透过率高、增透谱段宽、热辐射水平低且耐高温的特点，可用于制备高温透明热防护薄膜窗口。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施方式提供的热辐射可控的光学窗口薄膜结构示意图；

图2为TiO₂薄膜随入射波长的折射率变化曲线；

图3为Al₂O₃薄膜随入射波长的折射率变化曲线；

图4为SiO₂薄膜随入射波长的折射率变化曲线；

图5为金属Ag薄膜随薄膜物理厚度的折射率变化比较图；

图6为金属Ag薄膜随薄膜物理厚度的消光系数变化比较图；

图7为本发明实施例1中热辐射可控的光学窗口薄膜在420nm～680nm波段区间的透射光谱；

图8为本发明实施例1中热辐射可控的光学窗口薄膜在红外波段的反射光谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实施方式提供了一种热辐射可控的光学窗口薄膜，采用所述薄膜的窗口，具有可见光透明、耐高温、低发射率的特性。

如图1所示，所述热辐射可控的光学窗口薄膜，自基底层依次包括：第一增透匹配层、第一金属防护层、诱导透射金属层、第二金属防护层、第二增透匹配层；其中，诱导透射金属层的厚度根据薄膜应用环境热辐射的大小进行设定。

如上所述，第一增透匹配层依次为第一内高折射率薄膜、第一内低折射率薄膜、第二内高折射率薄膜；第二增透匹配层依次为第一外高折射率薄膜、第一外低折射率薄膜、第二外高折射率薄膜、第二外低折射率薄膜。其中，所述高折射率薄膜材料采用TiO₂、Ta₂O₅、HfO₂、ZrO₂中的一种或两种，第一内/外高折射率薄膜与第二内/外高折射率薄膜可以相同，也可以不同；低折射率薄膜材料采用SiO₂。

所述高折射率薄膜与低折射率薄膜是相对的，如TiO₂折射率大小为2.0～2.3，SiO₂折射率大小为1.11～1.27，相比较，前者为高折射率薄膜，后者为低折射率薄膜。

如上所述，诱导透射金属层材料采用具有诱导透射功能的金属材料，例如，Ag、Al等；金属防护层材料选择惰性氧化物材料，如Al₂O₃、ZnS等。优选地，本实施方式中，诱导透射金属层材料选择Ag；金属防护层材料采用Al₂O₃。Al₂O₃金属保护层紧靠金属Ag薄膜上下表面，以有效抵抗高温环境下外部大气环境中氧成分对金属材料的氧化作用。

图2至图4分别为TiO₂薄膜、Al₂O₃薄膜以及SiO₂薄膜随入射波长的折射率变化曲线。如图2至图4所示，TiO₂薄膜、Al₂O₃薄膜以及SiO₂薄膜随入射波长的增加呈逐渐降低的趋势。

图5为金属Ag薄膜随薄膜物理厚度的折射率变化比较图，图6为金属Ag薄膜随薄膜物理厚度的消光系数变化比较图。如图5和图6所示，17nm Ag膜已基本处于完全成膜状态，进一步增加金属膜层厚度，膜层材料光学常数基本保持不变。

优选地，所述高折射率薄膜材料均采用同一种高折射率材料，低折射率薄膜材料也采用同一种低折射率材料，所述热辐射可控的光学窗口薄膜结构如下：

Sub//x₁H y₁L x₂H z₁N cM z₂N x₃H y₂L x₄H y₃L/Air；

其中，Sub代表窗口基底材料，H代表高折射率膜层，L代表低折射率膜层，M代表诱导透射金属层，N代表金属热防护层，Air为空气，x_i、y_i、z_i(i＝1、2、3、4、5)代表每层膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ₀/4,λ₀为薄膜设计波长；其中，x₁＝1.2～2.2；y₁＝0.8～1.2；x₂＝0.3～0.7；z₁＝0.1～0.2；c＝8～20nm；z₂＝0.1～2；x₃＝0.3～0.7；y2＝0.8～1.2；x₄＝0.2～0.6；y₃＝1.0～1.5。优选地，所述薄膜设计波长为可见光波长，420nm～680nm波段。最优选地，波长为550nm。

通过改变诱导透射金属层的厚度可获得不同的热辐射大小。

本实施方式中的光学窗口薄膜各膜层，可通过化学气相沉积、真空蒸镀、离子蒸镀的方式进行制备。其制备过程为现有技术，在此不再赘述。

下面通过举例，对本发明作进一步解释，本实施例是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的限制。例如，作为本发明的一个具体实施例，一种热辐射可控的光学窗口薄膜，所述薄膜设计波长λ₀为550nm，单位光学厚度为λ₀/4，膜层自基底Sub依次包括：

Sub//2.111TiO₂ 0.998SiO₂ 0.5431TiO₂ 0.1245Al₂O₃ 13nmAg0.1245Al₂O₃0.591TiO₂ 1.11SiO₂ 0.458TiO₂ 1.332SiO₂。

高折射率膜层材料和低折射率膜层材料分别采用TiO₂、SiO₂；金属薄膜材料为Ag，金属保护层材料选择Al₂O₃。

对采用具有本实施例所述光学薄膜的窗口，进行光学测试，测得所述薄膜结构在420nm～680nm波段区间的透射光谱及红外波段的反射光谱。如图7和图8所示，膜层结构在420nm～680nm可见光谱段具有较好的透射特性，平均透过率～91％；中、远红外3.0～14μm波段区间的反射率大小从80％逐渐升高至～95％，直至趋于水平，呈现出了较好的红外高反射(低发射率)特性。

本发明实施方式所述热辐射可控的光学窗口薄膜，基于导纳匹配原理，通过高、低折射率膜层材料与内部超薄金属层、入射空气层、基底材料的匹配，有效实现了可见光透过率的提升以及增透谱段的拓宽；由于引入了金属层，膜层结构在远红外波段同时具有较好的反射特性；此外，金属保护层Al₂O₃材料的加热，起到了有效阻隔了高温环境下金属Ag膜的氧化作用，增加了整个膜系结构的高温稳定性，所制备的薄膜具有可见光透过率高、增透谱段宽、热辐射水平低且耐高温的特点，可用于制备高温透明热防护薄膜窗口。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (6)

1.一种热辐射可控的光学窗口薄膜，其特征在于，自基底层依次包括：第一增透匹配层、第一金属防护层、诱导透射金属层、第二金属防护层、第二增透匹配层；其中，诱导透射金属层的厚度根据薄膜应用环境热辐射的大小进行设定。

2.根据权利要求1所述的热辐射可控的光学窗口薄膜，其特征在于，第一增透匹配层依次为第一内高折射率薄膜、第一内低折射率薄膜、第二内高折射率薄膜；第二增透匹配层依次为第一外高折射率薄膜、第一外低折射率薄膜、第二外高折射率薄膜、第二外低折射率薄膜。

3.根据权利要求2所述的热辐射可控的光学窗口薄膜，其特征在于，所述高折射率薄膜材料采用TiO₂、Ta₂O₅、HfO₂、ZrO₂中的一种或两种，低折射率薄膜材料采用SiO₂。

4.根据权利要求1至3任一项所述的热辐射可控的光学窗口薄膜，其特征在于，诱导透射金属层材料选择Ag；金属防护层材料采用Al₂O₃。

5.根据权利要求4所述的热辐射可控的光学窗口薄膜，其特征在于，所述高折射率薄膜材料采用同一种高折射率材料，低折射率薄膜材料采用同一种低折射率材料，所述热辐射可控的光学窗口薄膜结构如下：

Sub//x₁H y₁L x₂H z₁N cM z₂N x₃H y₂L x₄H y₃L/Air；

其中，Sub代表窗口基底材料，H代表高折射率膜层，L代表低折射率膜层，M代表诱导透射金属层，N代表金属热防护层，Air为空气，x_i、y_i、z_i，i＝1、2、3、4、5，代表每层膜的光学厚度系数，单位光学厚度为λ₀/4，λ₀为薄膜设计波长；其中，x₁＝1.2～2.2；y₁＝0.8～1.2；x₂＝0.3～0.7；z₁＝0.1～0.2；c＝8～20nm；z₂＝0.1～2；x₃＝0.3～0.7；y2＝0.8～1.2；x₄＝0.2～0.6；y₃＝1.0～1.5。

6.根据权利要求5所述的热辐射可控的光学窗口薄膜，其特征在于，所述薄膜设计波长选自420nm～680nm波段。

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