СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УЗКОПОЛОСНОГО ОТРАЖЕННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ПРЕВОСХОДЯЩЕГО ПО ИНТЕНСИВНОСТИ ИСХОДНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
METHOD FOR OBTAINING NARROW-BAND REFLECTED RADIATION EXCEEDING THE INTENSITY OF THE ORIGINAL RADIATION

Изобретение относится к способам получения высокоинтенсивного отраженного излучения, которые основаны на использовании специальных отражающих покрытий или структур, и может быть использовано в отраслях, связанных с приемом и передачей электромагнитного излучения в инфракрасном и радиочастотных диапазонах.
На современном уровне развития науки и техники известны следующие способы получения высокоинтенсивного отраженного излучения, а также устройства и покрытия, созданные на их основе.
Известен способ нанесения отражающего покрытия с высокой отражательной способностью в инфракрасной области спектра (Авт.свид. СССР №1390205, МПК С03С 17/06, опубл. 23.04.1988, БИ №15). Согласно данному способу на поверхность создаваемого отражателя напыляют отражающее покрытие, которое осуществляют на вакуумной установке электронно-лучевого испарения или другой аналогичной, предназначенной для этих целей. В качестве испаряемого вещества используют сплав магния с европием. Нанесение отражающей пленки осуществляют на холодную подложку из стекла или другого соответствующего материала, при этом толщина отражающей пленки составляет 10,5 мкм. Способ обеспечивает достижение отражательной способности, близкой к значению 0,95 или 95%.
Известен способ обеспечения отражающего покрытия для подложки для светоизлучающего устройства, включающий следующие стадии: обеспечения подложки, имеющей первую часть поверхности с первым материалом поверхности и вторую часть поверхности со вторым материалом поверхности, отличающимся от первого материала поверхности; нанесения отражающего соединения, выполненного с возможностью присоединения к указанному первому материалу поверхности с образованием связи с этой подложкой в первой части поверхности, которая является более сильной, чем связь между отражающим покрытием и подложкой во второй части поверхности; отверждения указанного отражающего соединения с образованием отражающего покрытия, имеющего связь между отражающим покрытием и подложкой в первой части поверхности; и подвергания указанной подложки механической обработке с такой интенсивностью, чтобы удалить указанное отражающее покрытие из указанной второй части поверхности, в то время как указанное отражающее покрытие остается на указанной первой части поверхности (патент РФ №2597253, МПК F21K 99/00, Н05В 33/00, H01L 33/60, опубл. 10.09.2016, БИ №25). Технический результат - упрощение процесса нанесения отражающего покрытия.
Известен способ изготовления гибкой зеркально отражающей структуры и структура, полученная этим способом (патент РФ №2235802, МПК С23С 14/06, F21V 7/22, опубл. 10.09.2004). Способ заключается в том, что на предварительно отполированную и химически очищенную металлическую поверхность вакуумным напылением наносят отражающее покрытие - слой серебра, который наносят в две стадии с промежуточной обработкой пучком ускоренных ионов между стадиями, при этом толщина слоя серебра составляет 100-200 нм, затем вакуумным распылением наносят слой сплава никель-хром толщиной 1-3 нм с заданным соотношением компонентов в сплаве, после чего покрывают полученное покрытие защитным слоем из оксида металла. В результате применения способа получают отражающее покрытие на гибкой основе с отражательной способностью 0,98-0,99.
Известен способ получения отражающего покрытия решеток-поляризаторов путем нанесения на прозрачную дифракционную решетку вакуумным напылителем отражающего материала под углом к поверхности решетки, закрепленной на подложке, заключающийся в том, что с целью повышения технологичности способа получения покрытия решеток-поляризаторов увеличенных размеров, дифракционную решетку закрепляют на подложке с вогнутой цилиндрической поверхностью радиусом, равным R=Kh, где K - коэффициент пропорциональности, равный 2,3±0,1; h - расстояние от напылителя до центра решетки, при этом отражающий материал наносят в двух противоположных направлениях под углом в ее центре, равным 0,3-0,5 величины угла наклона соответствующей грани штриха решетки и касательной к ее поверхности (Авт.свид. СССР №909819, МПК B05D 5/12, опубл. 27.06.2002, БИ №18).
Известен способ формирования отражающего покрытия для пленочных поляризаторов отражающего типа (патент республики Беларусь №4678 С1 (BY), МПК G02B 5/30, C09J 7/02, C09K 3/34, опубл. 30.09.2002). Способ включает нанесение матированной алюминиевой фольги на поляризатор путем приклеивания с помощью прозрачного клея на основе натурального полиизопрена, канифоли, дибутилфталата и толуола в заданной пропорции.
Известен способ изготовления изделий из композиционных материалов с отражающим покрытием, который включает сборку пакета путем укладки слоев, содержащих термореактивное связующее, формование заготовки изделия с отверждением связующего, подготовку рабочей отражающей поверхности изделия и нанесение на нее отражающего покрытия, содержащего слой металла, методом напыления в вакууме, при этом подготовку поверхности изделия под нанесение покрытия производят в одном технологическом вакуумном цикле непосредственно перед напылением покрытия - сочетанием прогрева изделия в вакууме до устранения газовыделения с последующей обработкой заряженными частицами плазмы тлеющего разряда или ионного источника, а отражающее покрытие наносят методом конденсации из парогазовой фазы в вакууме или ионно-плазменным магнетронным распылением (патент РФ №2660863, МПК В32В 33/00, С23С 14/35, С23С 14/38, С23С 14/46, H01G 2/22, опубл. 10.07.2018, БИ №19).
0
0
К
Известно отражающее покрытие, состоящее из трех диэлектрических слоев А, В, С, где слой А выполнен из материала с низким показателем преломления, слой В - из материала со средним показателем преломления, слой С - из материала с высоким показателем преломления, при этом оптическая толщина слоев составляет λ/4, где λ - длина волны середины интервала с высоким отражением, а последовательность чередования слоев имеет вид (СВСАВА)СВС, где К>1 (целое число) (патент РФ №2256942, МПК G02B5/08, 5/28, 5/26, опубл. 20.07.2005, БИ №20). Покрытие предназначено для использования в оптическом приборостроении для широкополосного отражения света. Технический результат - расширение области спектра с высоким коэффициентом отражения за счет смещения соседних полос пропускания в противоположные.
Известно отражающее покрытие, которое содержит два слоя, один из которых выполнен из серебра и имеет толщину 20-250 нм, а другой - из оксида титана или оксида циркония (патент РФ №2206634, МПК С23С 14/08, С23С 14/20, опубл. 20.06.2003). Данное покрытие характеризуется повышенным коэффициентом ослабления теплового излучения.
Общим недостатком всех перечисленных выше способов и покрытий является невозможность получения с их помощью отраженного излучения, превосходящего по интенсивности исходное падающее излучение, т.е. невозможность создания отражающего покрытия со спектральной отражательной способностью выше единицы.
Таким образом, на современном уровне развития науки и техники не выявлено каких-либо способов и, соответственно, покрытий, созданных на их основе, которые бы обеспечивали получение отраженного излучения, превосходящего по интенсивности падающее исходное излучение.
Технический результат изобретения - получение отраженного излучения в заданном узком спектре, превосходящего по интенсивности исходное падающее излучение  и создание на его основе серии селективно отражающих покрытий с заданной высокой отражательной способностью.
Данный технический результат достигается за счет того, что сжимают спектр излучения, падающего на реальное тело от исходного источника, и переизлучают его в более узком спектральном диапазоне, для чего на поверхности реального тела располагают основание с установленной на нем объемной упорядоченной структурой, которая состоит из набора структурных элементов заданной формы, например, цилиндров, направляют реальное тело, основание и объемную упорядоченную структуру на исходный источник, излучение от которого необходимо отразить, либо направляют излучение от исходного источника на реальное тело, основание и объемную упорядоченную структуру, в результате получают узкополосное отраженное излучение, превосходящее по интенсивности исходное излучение, при этом материалы структурных элементов и основания выбирают такими, чтобы они обладали соизмеримыми спектральной излучательной и спектральной отражательной способностями, геометрические размеры структурных элементов и расстояние между находят расчетным путем исходя из заданной пиковой длины волны отраженного излучения, заданной ширины полосы и заданной кратности превышения интенсивности отраженного излучения над исходным излучением, для этого используют следующие расчетные соотношения:
h - характерная высота единичного структурного элемента упорядоченной структуры,
а - характерный размер поперечного сечения структурного элемента упорядоченной структуры,
S - межповерхностное расстояние (шаг) между двумя смежными структурными элементами упорядоченной структуры,
Р
Р
ρ(λ) - спектральный коэффициент отражения излучения материалом структурных элементов упорядоченной структуры на пиковой длине волны λ,
Р
Р
ε(λ) - спектральный коэффициент поглощения излучения материалом структурных элементов упорядоченной структуры на пиковой длине волны λ,
ИИ
L(λ) - спектральная энергетическая яркость (интенсивность) исходного излучения,
η - заданная кратность превышения интенсивности получаемого отраженного излучения над исходным излучением,
P
λ - пиковая длина волны получаемого отраженного излучения,
B
λ - верхняя спектральная граница аккумулируемого излучения, которая равна длине контура полости, образованной двумя смежными элементами, т.е.
B
В
Р
λ=S+2h-a, при этом λ>λ,
H
λ - нижняя спектральная граница аккумулируемого излучения, которая равна характерному размеру поперечного сечения структурных элементов 3, т.е.
H
Н
Р
λ=а, при этом λ<λ,
Δλ - ширина полосы получаемого отраженного излучения на половине максимума интенсивности,
Q - добротность отражающих резонаторов, образованных полостями между смежными структурными элементами.
ИИ
OИ
Р
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3. На фиг. 1 представлена графическая интерпретация способа: приведены спектральное распределение энергетической яркости исходного излучения L(λ) (линия 1) и энергетической яркости отраженного излучения L(λ) (линия 2) с пиком интенсивности на длине волны λ и с шириной полосы на половине максимума, равной Δλ. На фиг. 2 представлен пример объемной упорядоченной структуры, с помощью которой обеспечивается получение узкополосного отраженного излучения, превосходящего по интенсивности исходное излучение. Объемная упорядоченная структура состоит из одинаковых структурных элементов 3, выполненных, например, в виде одинаковых цилиндров (фиг. 2), которые расположены на основании 4. Основание 4 и объемная упорядоченная структура со структурными элементами 3 устанавливаются на поверхности реального тела 5. На фиг. 3 представлен графический пример зависимости кратности превышения узкополосного отраженного излучения (инфракрасный диапазон) относительно исходного излучения от ширины полосы аккумулируемого исходного излучения.
H
B
P
ОИ
ИИ
Сущность изобретения заключается в следующем. В теоретическую основу предлагаемого способа положено явление аккумулирования энергии падающего излучения из заданной части спектра и последующего ее переизлучения (отражения) на длине волны, соизмеримой с размером твердых тел или частиц, на которые падает излучение. Это означает, что управляя фотонами, падающими на поверхность реального тела, в узком спектральном диапазоне можно получать дополнительное излучение, которое суммируется с отраженным излучением, в результате чего получается суммарное излучение, более интенсивное, чем исходное падающее излучение. При этом суммарная по спектру энергия, отражаемая от поверхности реального тела, всегда остается меньше суммарной по спектру энергии падающего излучения, поэтому закон сохранения энергии здесь не нарушается. Согласно предлагаемому способу, высокоинтенсивное отраженное излучение получают путем аккумулирования энергии падающих фотонов (фиг. 1, линия 1) в некотором заданном спектральном диапазоне λ÷λ (фиг. 1) и последующего переизлучения накопленной энергии в более узком заданном спектральном диапазоне Δλ (фиг. 1, линия 2) на пиковой длине волны λ. В результате этого, в заданном более узком спектральном диапазоне шириной Δλ будет иметь место суммарное излучение, характеризуемое более высокой интенсивностью L по сравнению с интенсивностью L падающего исходного излучения. Такой процесс аккумулирования энергии и ее последующего переизлучения, или, другими словами, процесс сжатия спектра исходного падающего излучения, обеспечивает превышение интенсивности получаемого суммарного излучения реального тела над падающим исходным излучением в разы и более.
H
B
P
P
H
B
B
B
H
H
Для осуществления данного процесса предлагается специальная переизлучающая отражающая структура - объемная упорядоченная структура, состоящая из одинаковых структурных элементов 3 заданной формы, например, в виде цилиндров (фиг. 2), геометрические размеры которых и расстояние между ними соизмеримы с длинами волн заданного спектрального диапазона, в котором требуется получить высокоинтенсивное отраженное излучение. Это является главным условием, при котором структурные элементы начинают аккумулировать энергию падающих фотонов из заданного диапазона λ÷λ и переизлучать эту энергию в более узком диапазоне АХ на пиковой длине волны λ, близкой или равной межцентровому поверхностному расстоянию S между структурными элементами, т.е. λ=S (фиг. 2). Вторым условием является соразмерность излучательной (поглощательной) ε(λ) и отражательной способностей ρ(λ) материала структурных элементов 3. Аккумулирование энергии падающих фотонов осуществляется из спектрального диапазона со следующими границами: λ÷λ (фиг. 1), где Δ - верхняя спектральная граница аккумулируемого излучения, которая равна длине контура полости, образованной двумя смежными элементами, т.е. λ=S+2h-a; λ - нижняя спектральная граница аккумулируемого излучения, которая равна характерному размеру поперечного сечения структурных элементов 3, т.е. λ=а. Переизлучение накопленной энергии в заданном более узком спектральном диапазоне, ширина которого Δλ может быть оценена по соотношению (3), осуществляется благодаря резонаторам, образованным полостями между смежными структурными элементами 3. При этом, согласно второму условию, для надежной работы резонаторов необходимо, чтобы их стенки (поверхность структурных элементов 3) обладали соразмерными излучательной ε(λ) и отражательной ρ(λ) способностями. Для этого вполне подходят металлы, например, такие как вольфрам, титан, и им подобные металлы, у которых указанные коэффициенты равны ε(λ)≈0,4; ρ(λ)≈0,6.
АКК
Накопленная в результате аккумулирования энергия от падающих фотонов характеризуется поверхностной плотностью потока поглощенного излучения (интенсивностью) I, значение которой описывается соотношением:
где
ИИ
L(λ) - спектральная энергетическая яркость (интенсивность) исходного излучения,
ε(λ) - спектральный коэффициент поглощения излучения материалом структурных элементов 3 объемной упорядоченной структуры. Для оценочных расчетов в большинстве случаев можно принять постоянство ε(λ), следовательно, в соотношении (4) его можно вынести за знак интеграла, т.е.:
P
P
При этом, например, можно принять, что указанный коэффициент поглощения равен коэффициенту поглощения материала структурных элементов 3 на пиковой длине волны λ, т.е. ε(Δ)≈ε(λ).
ПИ
Накопленная энергия переизлучается структурными элементами 3 и она характеризуется плотностью потока излучения I, которая описывается соотношением:
ОИ
Суммарная энергия, излучаемая структурными элементами 3 в заданном узком спектральном диапазоне Δλ, равна сумме переизлученной ими энергии и отраженной ими энергии в указанном спектральном диапазоне, и характеризуется суммарной интенсивностью I:
где
P
P
P
ρ(λ) - спектральный коэффициент отражения материала структурных элементов 3, который по аналогии с коэффициентом поглощения ε(λ) взят равным коэффициенту отражения материала на пиковой длине волны λ, Указанная суммарная энергия излучается в более узком спектральном диапазоне, имеющем следующие верхнюю и нижнюю границы:
P
P
P
λ-Δλ/2=λ-λ/2Q - нижняя граница суммарного излучения,
P
P
P
λ+Δλ/2=λ+λ/2Q - верхняя граница суммарного излучения.
ОИ
P
В общем случае Δλ - это ширина полосы излучения на половине максимума энергетической яркости L(λ), и она равна отношению пиковой частоты λ к добротности резонатора, образованного полостью между двумя смежными элементами. Добротность резонатора Q, равно как и ширина полосы, Δλ главным образом, определяется разбросом размеров структурных элементов 3, а также шероховатостью их поверхности. Точный расчет добротности резонатора Q затруднителен, поэтому для получения оценочных значений Δλ, добротность резонатора рассчитывают по следующему соотношению:
где
k - коэффициент пропорциональности, который определяет разброс размеров структурных элементов 3 и численно равен отношению среднего отклонения размеров к самому размеру с учетом шероховатости.
При этом, чем выше добротность резонаторов Q, тем меньше ширина пика получаемого излучения и тем больше превышение интенсивности получаемого излучения над исходным падающим излучением.
P
P
Ожидаемая кратность превышения интенсивности получаемого суммарного излучения в диапазоне длин волн (λ-Δλ/2; λ+Δλ/2) над исходным падающим излучением в одноименном диапазоне длин волн оценивают по следующему расчетному соотношению:
P
ИИ
P
P
Сущность способа и его осуществление раскроем на примере. Пример 1. Пусть, например, требуется получить суммарное отраженное излучение, превосходящее исходное падающее излучение, например, на пиковой длине волны Δ=0,5 мкм с шириной полосы Δλ=0,1 мкм (инфракрасный диапазон). Примем, что исходное излучение сплошное, а его спектральная энергетическая яркость постоянна, т.е. L(λ)=const. Материал структурных элементов - вольфрам, у которого излучательная (поглощательная) способность ε(Δ)=0,44, а отражательная способность ρ(Δ)=0,56. Для принятого условия и исходных данных расчетное соотношение (9) вырождается в соотношение вида:
B
H
P
Р
По соотношению (10) рассчитывают кратность превышения в зависимости от (Δ-Δ), отображают данную зависимость графически (фиг. 3) и аппроксимируют. Для ε(Δ)=0,44; ρ(Δ)=0,56; ДА=0,1 мкм получают зависимость вида:
B
H
где Δ, Δ измеряются в мкм.
B
H
H
P
B
H
B
B
P
Далее, задавшись требуемой кратностью превышения η, с помощью полученной аппроксимирующей зависимости (11) находят соответствующее данной кратности η значение разности (Δ-Δ), исходя из условия λ<λ задают характерный размер а поперечного сечения структурного элемента 3, по найденной разности (Δ-Δ) находят значение верхней границы аккумулируемого излучения λ-S+2h-a, при этом должно выполняться условие, что Δ>Δ (фиг. 1), из которой находят значение высоты h структурных элементов 3.
P
P
P
B
H
H
B
B
P
B
P
-1
-1
-1
-1
-1
Пусть, например, для взятых исходных данных (Δ=0,5 мкм; Δλ=0,1 мкм; ε(λ)=0,44; ρ(Δ)=0,56) требуется получить превышение отраженного излучения относительно исходного в 5,5 раз. Исходя из (11) находят, что такому превышению соответствует разность (Δ-Δ)=2,55 мкм. Задают характерный размер поперечного сечения структурного элемента λ=а=0,2 мкм, рассчитывают значение верхней границы аккумулируемого излучения Δ=а+2,55=2,75 мкм. Далее из соотношений λ=S+2h-a, S=λ=0,5 мкм находят значение высоты структурного элемента h=(Δ+a-S)/2=(2,75+0,2-0,5)/2=l,23 мкм. Затем определяют требование к отклонению размеров структурных элементов 3. Для этого используют соотношение (3) и приведенное ранее соотношение для добротности резонатора Q=S(k(h+a)). Согласно соотношению (2) добротность резонаторов должна быть Q=λ/Δλ=0,5/0,1=5. Значение коэффициента k=SQ(h+a)=0,5⋅5⋅(1,23+0,2)=0,07, - это означает, что отклонения в размерах структурных элементов 3 не должны превышать:
по размеру а→Δа=ka=0,07.0,2=0,014 мкм=14 нм,
по размеру h→Δh=kh=0,07.1,23=0,086 мкм=86 нм.
P
Таким образом, в приведенном примере, объемная упорядоченная структура, состоящая из структурных элементов 3 (фиг. 2) - одинаковых цилиндров диаметром а=0,2 мкм, высотой h=1,23 мкм и межповерхностным расстоянием между ними S=0,5 мкм, на пиковой длине волны Δ=0,5 мкм обеспечит кратность превышения отраженного излучения над исходным излучением, равную η=5,5, при этом ширина полосы на половине максимума интенсивности будет составлять Δλ=0,1 мкм.
P
ИИ
Р
Р
Пример 2. Пусть, например, требуется получить суммарное отраженное излучение, превосходящее исходное падающее излучение, например, на пиковой длине волны Δ=1 см с шириной полосы Δλ=0,2 см (сантиметровый диапазон радиоволн). Примем, что исходное излучение сплошное, а его спектральная энергетическая яркость постоянна, т.е. L(λ)=const. Материал структурных элементов - вольфрам, у которого излучательная (поглощательная) способность ε(Δ)=0,44, а отражательная способность ρ(Δ)=0,56. Для принятого условия и исходных данных расчетное соотношение (9) вырождается в соотношение вида:
B
H
Р
P
По соотношению (12) рассчитывают кратность превышения в зависимости от (Δ-Δ), отображают данную зависимость графически и аппроксимируют. Для ε(Δ)=0,44; ρ(Δ)=0,56; Δλ=0,2 см получают зависимость вида:
B
H
где Δ, Δ измеряются в см.
B
H
H
P
B
H
B
B
P
Далее, задавшись требуемой кратностью превышения η, с помощью полученной аппроксимирующей зависимости (13) находят соответствующее данной кратности η значение разности (Δ-Δ), исходя из условия Δ<Δ задают характерный размер а поперечного сечения структурного элемента 3, по найденной разности (Δ-Δ) находят значение верхней границы аккумулируемого излучения λ=S+2h-a, при этом должно выполняться условие, что Δ>Δ (фиг. 1), из которой находят значение высоты h структурных элементов 3.
Р
Р
Р
B
H
H
B
B
P
B
P
-1
-1
-1
-1
-1
Пусть, например, для взятых исходных данных (Δ=1 см; Δλ=0,2 см; ε(Δ)=0,44; ρ(Δ)=0,56) требуется получить превышение отраженного излучения относительно исходного в 3 раза. Исходя из (13) находят, что такому превышению соответствует разность (Δ-Δ)=2,52 см. Задают характерный размер поперечного сечения структурного элемента Δ=а=0,5 см, рассчитывают значение верхней границы аккумулируемого излучения Δ=а+2,52=3,02 см. Далее из соотношений λ=S+2h-a, S=λ=0,5 см находят значение высоты структурного элемента h=(Δ+а-S)/2=(3,02+0,5-0,5)/2=1,51 см. Затем находят требование к отклонению размеров структурных элементов 3. Для этого используют соотношение (3) и приведенное ранее соотношение для добротности резонатора Q=S(k(h+a)). Согласно соотношению (2) добротность резонаторов должна быть Q=λ/Δλ=1/0,2=5. Значение коэффициента k=SQ(h+a)=0,5⋅5⋅(1,51+0,5)=0,05, - это означает, что отклонения в размерах структурных элементов 3 не должны превышать:
по размеру а→Δа=ka=0,05⋅0,5=0,025 см=25 мкм,
по размеру h→Δh=kh=0,05⋅1,51=0,075 см=75 мкм.
P
Таким образом, в приведенном примере, объемная упорядоченная структура, состоящая из структурных элементов 3 (фиг. 2) - одинаковых цилиндров диаметром а=0,5 см, высотой h=1,51 см и межповерхностным расстоянием между ними S=0,5 см, на пиковой длине волны λ=1 см обеспечит кратность превышения отраженного излучения над исходным излучением, равную η=3, при этом ширина полосы на половине максимума интенсивности будет составлять Δλ=0,2 см.
Выполнив расчеты геометрических параметров объемной упорядоченной структуры и ожидаемого превышения интенсивности отраженного излучения, как показано в примерах, изготавливают заданную объемную упорядоченную структуру со структурными элементами 3, размещают ее на основании 4, основание 4 и структуру устанавливают на реальном теле 5. После чего используют для получения искомого высокоинтенсивного отраженного излучения.
Предложенный способ может быть использован для отслеживания и идентификации различных объектов на основе инфракрасного и радиоизлучения, в производстве высокоэффективных и настраиваемых оптических источников и других эффективных приложений в области энергетики.