一种基于超薄掺杂金属/介质复合结构的电磁屏蔽曲面光学窗制造技术

一种基于超薄掺杂金属/介质复合结构的电磁屏蔽曲面光学窗属于光学透明件电磁屏蔽领域。该曲面透明电磁屏蔽器件在曲面衬底上依次沉积介质膜和超薄金属薄膜形成复合结构，并利用共掺杂沉积方法在超薄厚度条件下得到表面连续、粗糙度极低的高质量掺杂金属膜，为大尺寸曲面光窗电磁屏蔽提供了新型解决途径。由于超薄掺杂金属薄膜与介质膜厚度均在几十纳米以下，远远小于微波段电磁波波长，可以提供稳定的强电磁反射，极大地拓宽了电磁屏蔽带宽，解决金属网栅结构由于周期性开孔电磁屏蔽带宽严重受限的问题。同时，通过调控超薄金属/介质单元数量控制复合结构的透光率和电磁屏蔽效率，并实现宽频带范围内的强电磁屏蔽。进一步，通过设计超薄掺杂金属与介质单元厚度与单元数的组合实现复合结构对可见光的耦合传输，实现良好的光学通透性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超薄掺杂金属/介质复合结构的电磁屏蔽曲面光学窗
本专利技术属于光学透明件电磁屏蔽领域，特别涉及一种基于超薄掺杂金属/介质复合结构的电磁屏蔽曲面光学窗。
技术介绍
从广播、电视、雷达、卫星通讯与导航、移动通信到无线定位、医疗诊断等，电磁波技术广泛应用于人们日常生活和生产的各个领域。尤其是伴随着电磁波通讯技术的不断发展，发射和接收电磁波的终端设备成数量级的增长，电磁波应用波段不断被展宽，并且电磁波发射功率不断增强，造成了日益严重的电磁污染问题。其影响之一是，电磁辐射波谱的展宽和电磁辐射功率的增强带来了严重的电磁干扰，极大地影响了电子系统的稳定性并带来了相应的电子安全性问题，同时也会给人体健康带来危害。电磁干扰通常可以通过密闭金属壳体或者涂覆吸波材料解决，然而，该方法不能解决需要视觉观测场合下的电磁干扰屏蔽—也就是透明电磁屏蔽，这也是电磁屏蔽领域的一个公认的热点和难点问题。其实际应用方面，包括一切同时需要满足视觉可见和电磁隔离的场合，如航空航天设备中飞行器/卫星光窗、舰船/汽车光窗、光学仪器光窗、商用高精度仪器的显示设备，医用电磁隔离室观察窗和民用手机触屏、显示器等。尤其是在尖端航空航天领域中，透明电磁隐身是当前最具有前沿性和挑战性的课题之一。最近，随着5G和新型探测与遥感等技术的快速发展，对透明电磁屏蔽技术提出了两个十分迫切的新需求。第一个迫切需求是发展具有宽频带电磁屏蔽能力的光学透明器件。伴随着电磁波通讯技术的不断发展，空间中电磁波信号频率成分愈发复杂。第二个迫切需求是发展曲面透明电磁屏蔽技术，它打破传统光学窗以平面为主的现状，曲面光窗符合空气动力学原理，然而由于在曲面上加工微细结构十分困难，依赖特种加工设备并且存在效率低、成本高等问题，无法实现大面积以及高性能的曲面电磁屏蔽结构。1.专利200810063988.0“一种具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗”描述了一种由结构参数相同的方格金属网栅或金属丝网平行放置于光学窗或透明衬底两侧构成的电磁屏蔽光学窗，大幅度提高了电磁屏蔽效率。2.专利200810063987.6“一种具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗”描述了一种由两层圆环金属网栅加载于光学窗两侧构成的电磁屏蔽光学窗，解决了高透光率和强电磁屏蔽效率不能同时兼顾的问题。3.专利201410051497.X“具有同心圆环的多周期主从嵌套圆环阵列电磁屏蔽光窗”描述了一种用于实现光学窗电磁屏蔽功能的多周期同心圆环嵌套的金属网栅结构，该结构使得高级衍射造成的杂散光得到了一定的均化，减小了网栅对光窗成像质量的影响。4.专利201410051496.5“双层交错多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗”描述了一种由两层交错排列的金属网栅构成的电磁屏蔽光窗，显著降低了网栅衍射光强分布的不均匀性，减小对成像的影响。5.专利201510262958.2、201510262957.8、201510262996.8、201510262998.7都是基于裂痕网栅的制作方法，该网栅属于随机网栅的一种。是利用特定条件下，掩模液自然干燥形成裂纹模板，利用该模板制作裂痕网栅，可以有效降低最大高级次衍射，但是由于裂纹是通过自然形成，导致网栅具有不可控性，无法确保透光性、电磁屏蔽效率和高级次衍射能量分布均匀性，且多次试验会造成成本的上升。6.四川大学鄢定祥等人报道了一种基于藻酸钙/银纳米线/聚氨酯结构的透明电磁屏蔽膜。该电磁屏蔽膜可以在可见光透光率为92％时实现大于20dB的电磁屏蔽性能，同时具有加工成本低等优点(YanDX等,“Highlyefficientandreliabletransparentelectromagneticinterferenceshieldingfilm”.ACSappliedmaterials&interfaces,2018,10(14):11941-11949)。7.西班牙光子科学研究所ValerioPruneri等人报道了一种基于铜种子层的超光滑银膜，通过在银膜沉积之前先沉积1nm的铜，后续银膜获得了极其光滑的表面(表面粗糙度小于0.5nm)，大幅提升了银膜的光电性能，然而种子层金属的引入增大了银膜的光学损耗，同时银膜自可见光向红外波段反射率逐渐升高。(ValerioPruneri等，“Ultrastableandatomicallysmoothultrathinsilverfilmsgrownonacopperseedlayer”.ACSappliedmaterials&interfaces,2013,5(8):3048-3053)。8.专利201510262996.8具有金属网栅结构的电磁屏蔽曲面光学窗制作方法描述了一种在曲面衬底上加工金属网栅的方法，可以通过涂覆裂纹漆生成随机网格结构，进一步通过金属沉积与裂纹模板去除在曲面上得到最终金属网栅结构，然而曲面上涂覆裂纹漆存在厚度不均匀、以及得到金属网栅结构随机不完全可控，导致透光率和电磁屏蔽效率性能无法保证。综上所述，现有技术的主要缺陷在于：1.曲面光学窗电磁屏蔽技术难以实现：曲面上加工微细结构十分困难，存在两个严重问题：第一、曲面上生成微小周期单元图案十分困难。第二、曲面上加工依赖特种设备，存在效率低、成本高、加工尺寸小等问题，无法得到大面积以及高性能的曲面电磁屏蔽结构。因此，迫切需要寻找新型加工技术方案实现高性能曲面光学窗电磁屏蔽技术。2.传统电磁屏蔽技术屏蔽带宽受限：金属网栅电磁屏蔽技术本质上属于高通滤波技术，由于周期开孔结构导致的频率依赖性使得其微波段电磁屏蔽带宽严重受限，这一现象在上述已经报道的各种不同图案和周期结构的金属网栅专利上均有体现。随着电磁波技术的不断发展，来自不同波段宽频率范围内的电磁干扰已呈现越发严重的趋势，而传统金属网栅电磁屏蔽技术等已无法满足在多频段的应用。因此，迫切需要寻找一种新型透明电磁屏蔽原理和方法来实现超宽频带的高性能电磁屏蔽，这已成为亟待解决的科学难题。3.金属网栅结构设计规则复杂：金属网栅的结构演化从最初的方格结构向圆环结构，从开始单一周期到复杂周期继而到随机化不断演变，其目的为实现更好的衍射光学性能，避免高级次衍射杂散光能量集中分布影响成像质量。在此过程中，金属网栅结构的光学性能虽然不断提升，然而给结构设计与优化和器件加工带来了巨大的困难。因此，简化结构设计规则并同时实现极低的成像质量影响是目前透明电磁屏蔽器件衍射光学性能追求的目标，也是金属网栅屏蔽技术存在的挑战。4.强电磁屏蔽性能难以实现：电磁辐射功率的增强带来了严重的电磁干扰问题，针对特殊场合，如航空航天装备光窗、特种科研设施、大型射频设备、电磁隔离室等需要40dB(微波衰减99.99％)以上的屏蔽效率。然而，目前基于单层金属网栅结构或单层金属薄膜的电磁屏蔽能力有限，无法实现超强电磁屏蔽性能的电磁屏蔽。5.金属薄膜光学性能较差：金属薄膜的介电常数变化模型符合德鲁德参数模型，即其介电常数随着波长增长而逐渐升高，从可见光波段到红外波段，由于折本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超薄掺杂金属/介质复合结构的电磁屏蔽曲面光学窗，其特征在于：所述的电磁屏蔽曲面光学窗由N个超薄掺杂金属/介质单元依次堆叠在曲面衬底(1)组成，超薄掺杂金属/介质单元由一层超薄掺杂金属和一层介质相邻层叠构成，其中1≤N≤6。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于超薄掺杂金属/介质复合结构的电磁屏蔽曲面光学窗，其特征在于：所述的电磁屏蔽曲面光学窗由N个超薄掺杂金属/介质单元依次堆叠在曲面衬底(1)组成，超薄掺杂金属/介质单元由一层超薄掺杂金属和一层介质相邻层叠构成，其中1≤N≤6。


2.根据权利要求1所述的一种基于超薄掺杂金属/介质复合结构的电磁屏蔽曲面光学窗，其特征在于：曲面光学窗中曲面衬底(1)的面形为球面、球冠面、圆柱面或共形曲面。


3.根据权利要求1所述的一种基于超薄掺杂金属/介质复合结构的电磁屏蔽曲面光学窗，其特征在于：曲面光学窗的制作方法为采用电子束蒸发镀膜、热蒸发镀膜或者直流、磁控溅射镀膜等沉积方式按设计顺序依次在曲面衬底表面沉积介质膜和超薄金属薄膜；其中超薄掺杂金属采用金属共掺杂沉积方式在主要金属沉积过程中按一定速率不断掺入少量掺杂金属，通过控制主要金属与掺杂金属电子束功率或者溅射功率改变两者的原子沉积速率比，最终控制超薄掺杂金属中主要和掺杂金属元素的原子浓度比例。


4.根据权利要求1所述的一种基于超薄掺杂金属/介质复合结构的电磁屏蔽曲面光学窗，其特征在于：超薄掺杂金属/介质单元中超薄掺杂金属的厚度小于等于30nm，并且大于等于4nm；超薄掺杂金属由两种或两种以上金属材料通过共沉积的方式形成，其中主要金属元素的原子浓度占比大于等于85％，掺杂金属元素的总原子浓度占比小于等于15％。


5.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王赫岩，陆振刚，谭久彬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23