ШИРОКОПОЛОСНОЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОЕ ПРОСВЕТЛЯЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ

Полезная модель относится к области создания просветляющих покрытий, предназначенных для уменьшения отражения света от прозрачных сред.
Уровень техники
Известны однослойные просветляющие покрытия, используемы для увеличения пропускания излучения различными оптическими приборами. Просветление, обеспечиваемое такими просветляющими покрытиями, имеет явно выраженный пиковый характер. Для обеспечения широкополосного просветления используются многослойные просветляющие покрытия, представляющие собой некоторое количество гомогенных пленок строго заданной толщины из различных веществ, нанесенных на поверхность подложки (Walheim S., Schaffer E., Mlynek J., Steiner U. Science, 283, 520, 1999). Данные покрытия позволяют добиться значений пропускания света 99.8-99.9% (см. патент США US 7311938 B2, 25.12.2007) в широком диапазоне длин волн. При этом они обладают рядом недостатков, например, необходимо использовать большое количество пленок из различных материалов, существует проблема физико-химической совместимости материалов слоев в многопленочном покрытии и возникающих внутренних напряжений, что может приводить к расслаиванию. Кроме того, подобные просветляющие покрытия не являются универсальными и требуют уникальных параметров многослойной структуры (материалы и толщины пленок) для просветления различных сред, в частности, материалы с требуемыми параметрами могут не существовать.
От части указанных недостатков, как правило, свободны наноструктурированные просветляющие покрытия. В частности, технология их изготовления не требует нанесения большого количества различных по своим свойствам слоев. Просветляющий слой в этом случае выполнен в виде слоя наноразмерных частиц на поверхности просвеляемой среды и создается либо структурированием приповерхностной области (Chen Y. W., Han P. Y., Zhang X.-C. Appl. Phys. Lett., 94, 041106, 2009), либо нанесением на поверхность композитной пленки, например, содержащей металлические наночастицы, свойства которой обеспечивают просветление в некотором частотном диапазоне (Krogman K. C., Druffel T., Sunkara M. K. Nanotechnology, 16 S338 (2005)). Такого рода покрытия позволяют просветлять среды, просветление которых с помощью гомогенных покрытий затруднено.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является просветляющее покрытие, защищенное патентом на изобретение CA2635427A1 «Anti-reflective coated glass plate». Авторами патента CA2635427A1 в качестве просветляющего покрытия предлагается использовать стеклянную пластинку, на поверхности которой расположены наноразмерные частицы со средним диаметром 2--50 нм и наноразмерные полости, причем доля последних составляет не менее 20%, что позволяет обеспечить пропускание света данной поверхностью около 98% в диапазоне длин волн 400-800 нм, что меньше, чем в случае многослойных интерференционных покрытий.
Техническая задача заключается в обеспечении величины пропускания света, большей 99.9%, в широком диапазоне длин волн, (например, 400-800 нм) при помощи единственного структурированного слоя вблизи поверхности просветляемой среды.
Целью данной полезной модели является разработка просветляющего покрытия, обладающего улучшенными характеристиками. В результате решения данной задачи возможно получение технических результатов, заключающихся в том, что достигается просветление диэлектрических сред в широком диапазоне длин волн, упрощается конструкция просветляющего покрытия, улучшается технологичность
Описание полезной модели
Заявляется широкополосное наноструктурированное просветляющее покрытие для прозрачных диэлектрических сред, содержащее сферические нанополости, отличающееся тем, что нанополости одинакового размера выполнены вплотную друг к другу либо на расстоянии не больше радиуса полостей в приповерхностной области просветляемой прозрачной диэлектрической среды в один слой в виде квадратной решетки.
На фигурах представлены: общий вид предлагаемого просветляющего покрытия (фиг.1 - вид сбоку, фиг.2 - вид сверху); спектр отражения стекла, поверхность которого модифицирована сферическими полостями диаметром 50 нм (фиг.3, где - коэффициент отражения,  - длина волны).
Целью данной полезной модели является разработка просветляющего покрытия, обладающего улучшенными характеристиками. В результате решения данной задачи возможно получение технических результатов, заключающихся в том, что достигается просветление диэлектрических сред в широком диапазоне длин волн, упрощается конструкция просветляющего покрытия, улучшается технологичность. Данные технические результаты обеспечиваются тем, что в приповерхностной области прозрачной диэлектрической среды создается слой наноразмерных полостей, расположенных вплотную друг к другу упорядоченным образом в виде квадратной решетки. В отличие от массивной пленки, отражение света от упорядоченного слоя из нанопор 1, размещенных в среде 2 (см. фиг.1 и фиг.2), всегда происходит с некоторым дополнительным фазовым сдвигом , зависящим от параметров . Таким образом, дискретность структуры слоя, состоящего из объектов, размер которых много меньше длины волны, является существенным отличием дискретных наноструктурных слоев от массивных пленок, определяющим их основные свойства.
Согласно результатам работы (Шалин А. С. Радиотехника и электроника. Т. 56. №1. с.20 (2011)), система, представляющая собой слой нанообъектов (в частности, нанополостей) на поверхности массивной среды, может быть формально представлена как пленка, размещенная на поверхности подложки, причем ее толщина () равна расстоянию от поверхности до плоскости, проходящей через центры нанообъектов. При этом фазовый сдвиг волн, отраженных от верхней и нижней границ пленки определяется соотношением  (в то время как в обычной пленке имеет место только фазовый сдвиг ), и для реализации просветления необходимо выполнение равенства .
Для погашения отражения от поверхности среды в некотором спектральном интервале  необходимо, чтобы фазовый сдвиг , возникающий при отражении от слоя нанобъектов, возрастал и компенсировал уменьшение , возникающее при росте длины волны, сохраняя разность фаз отраженных полей примерно постоянной . Согласно полученным результатам, это имеет место в случае, когда показатель преломления нанообъектов меньше, чем показатель преломления сред, в которую они внедрены. Наиболее простым вариантом решения поставленной технической задачи является диэлектрический материал с выполненными в его поверхности нанопорами.
На фиг.3 представлен спектр пропускания стекла  со слоем сферических нанопор. Расстояние между центрами пор приблизительно равно удвоенному радиусу (поры «касаются» друг друга), радиус пор  нм. Для расчета спектра отражения материала с данными параметрами использован метод конечных элементов с точностью до  % [COMSOL Multiphysics 4.3a, COMSOL AB, Stockholm, Sweden, http://www.comsol.com/products/multiphysics]. Как видно из фиг.рисунка 2, отражение менее 1% достигается в диапазоне длин волн 400-760 нм, что охватывает почти весь видимый диапазон. Участок спектральной зависимости пропускательной способности, на котором она слабо зависит от длины волны и близка к максимальному значению, также достаточно широк (% в интервале  нм), что обусловлено взаимной компенсацией изменения фазовых сдвигов  и . Отражение равно нулю на длине волны 520 нм. В синей области пропускание ослабевает.
Поскольку нанопоры расположены в виде квадратной решетки (фиг.3), спектр материала не зависит от поляризации падающей волны. Использование прямоугольной, ромбической либо иной решетки приводит к анизотропии оптических свойств просветляющей структуры и, как следствие, к анизотропии светопропускания полученного материала.
Технология изготовления такого рода просветляющего покрытия универсальна и может быть использована для просветления различных прозрачных диэлектриков. Предложенное покрытие не требует нанесения на поверхность подложки каких-либо пленок либо структур, а характеризуется модификацией поверхности самой среды. Основным преимуществом заявляемого просветляющего покрытия является достижение высоких значений пропускания света в широком диапазоне длин волн при использовании однослойной наноструктурной системы, возможность реализовать заявляемый материал на основе различных диэлектрических прозрачных сред, более высокая долговечность, поскольку заявляемый материал односоставен, то есть материалы, отличные от материала подложки, не применяются и, соответственно, отсутствует проблема физико-химической совместимости материалов, присущая многопленочным структурам, проблема расслоения, флуктуации толщин пленок и т.д.
Используемые обозначения:
- волновой вектор в среде,
- единичный вектор в направлении падения волны,
- волновое число в среде,
длина волны падающего поля в вакууме,
- показатель преломления среды,
- характерный линейный размер нанополости,
- расстояние между центрами нанообъектов,
- расстояние от поверхности среды до плоскости, проходящей через центры нанополостей,
,
- отражательная способность,
- фазовый сдвиг, возникающий при отражении от слоя нанополостей или нанопор,
- полная разность фаз волн, отраженных от поверхности среды и слоя нанополостей,
- минимальное значение длины волны в рассматриваемом интервале,
- максимальное значение длины волны в рассматриваемом интервале.