一种可见光-红外-激光多波段光谱选择性调控薄膜

本发明涉及光学薄膜与光谱调控，尤其涉及一种可见光-红外-激光多波段光谱选择性调控薄膜。

背景技术：

1、随着光学薄膜、红外热管理、激光光学及多功能光电器件的发展，对同一薄膜结构在不同光谱波段实现协同调控的需求不断增加。然而，由于不同波段光学响应机制存在差异，在同一薄膜体系中同时实现可见光光谱调控、红外辐射调节以及特定激光波长抑制等多重功能时，往往需要兼顾材料光学常数、膜层厚度、界面耦合效应及结构稳定性等多个因素，导致各波段性能之间存在相互制约关系。因此，兼具可见光、红外及特定激光波长调控能力的多波段光学薄膜，在光谱调控、热辐射管理及光学器件表面功能化等领域具有较大的应用潜力。

2、目前可见光光谱调控技术主要由复合涂层来实现，例如专利201510420635.1、202511175638.3和202511059931.3等。上述技术能够实现一定范围内的可见光光谱调控，但主要依赖材料组分和颜料配比，对中远红外及特定激光波长的光谱特性缺乏协同调控能力，难以同时满足多波段光谱调控的需求。

3、在红外波段，物体表面的热辐射特性与其温度及表面发射率密切相关。根据斯特藩-玻尔兹曼定律，通过调控表面温度或者调节表面发射率，可以改变物体与外界之间的热辐射交换。传统低发射率材料通常在较宽红外波段内保持较低发射率，虽然能够降低部分波段的辐射强度，但也可能抑制物体通过热辐射方式向外界散热，从而造成表面温度升高。因此，在不同红外波段实现差异化的发射率调控，对于兼顾特定波段光谱性能与辐射散热能力具有重要意义。例如，可在3-5 μm和8-14 μm等红外波段保持较低发射率，同时在5-8 μm波段提高发射率，从而利用该波段增强辐射换热能力，实现红外光谱特性与热管理性能之间的协同调节。

4、目前能够进行红外选择辐射的红外光谱调控薄膜主要由谐振腔膜系结构与超表面来实现，其中谐振腔膜系结构利用法布里-珀罗谐振腔实现红外波段的选择性吸收，例如专利201510362845.x、201510362417.7、201810663194.1、202111127984.6、202211439359.x和202311425151.7等。超表面利用电磁谐振特性实现红外波段的选择性吸收，例如专利201710019819.6、202110625429.x和202411420077.4等。上述技术能够实现较为明显的红外选择性光谱响应，但其设计通常集中于红外波段，若进一步引入可见光颜色调控及特定激光波长调控功能，不同功能之间容易产生光谱耦合，需要对结构进行进一步优化。

5、目前激光光谱调控器件主要由复合涂料来实现，如专利200710015544.5、201710161001.8、201711383816.7、202310040064.3、202310224473.9等。这些专利通过对不同材料按照比例进行组合并通过高温煅烧、均匀混合、粘合等处理以实现激光波段的低反射率或高吸收特性。上述方案主要针对特定激光波长进行设计，对宽波段红外选择性热辐射以及可见光反射光谱的协同调控能力仍较为有限。

6、为同时获得多个波段的光谱响应，已有研究采用光子晶体或多层谐振膜系结构进行设计。光子晶体是一种介电常数沿单一方向周期性变化的人工超材料，通过周期性结构形成光子带隙，阻止特定频率电磁波的传播。谐振腔膜系结构通过法布里-珀罗谐振腔多光束干涉效应与超薄金属膜的隧道效应，实现电磁波的选择性吸收特性。例如，专利202011125741.4公开了一种[znse/caf2]n/[znse/te]m光子晶体结构，该结构在3-5 μm和8-14 μm波段具有较高反射率98.6%和95.1%，在1.05-1.08 μm和10.55-10.65 μm附近最大反射率分别为4.1%和4.9%，同时能够呈现蓝色、绿色及黄色等不同可见光特征。专利202310208937.7公开了一种[sio2/si]n光子晶体结构，其在3-5 μm和8-14 μm波段具有较高平均反射率96.2%和93.0%，在5-8 μm波段具有相对较低反射率51.5%，并在10.6 μm表现出明显的低反射率0.4%；通过改变顶层sio2膜厚，还能够获得绿色、蓝色和黄色等不同可见光表观颜色。但是上述光子晶体仅在特定的角度才能够实现其优良性能，不利于实际场景中的应用，且所需制备薄膜层数过多厚度过大，导致制备工艺复杂和制备时间成本较高。专利202210542145.9公开了一种[ab]k[cdc]m异质膜系结构，该膜系结构能够在3-5 μm和8-14 μm波段反射率均高于80.0%，并在10.6 μm附近形成明显的低反射窄带，此外，该膜系结构在可见光波段呈现橙色的光泽，在0.93 μm、1.06 μm和1.54 μm的反射率分别为15%、20%和5%。。但是该膜系结构在5-8 μm的平均反射率较高，辐射散热性能较差，且可见光颜色数目较少，不能够应用于多色域背景中。

7、综上，现有多波段光学薄膜虽然能够分别或部分实现可见光、红外及激光波段的光谱调控，但在多个波段协同设计时仍存在以下问题：（1）不同功能膜层之间存在明显的光学耦合，改善某一波段光谱性能时可能影响其他波段的响应；（2）在3-5 μm、5-8 μm及8-14μm等不同红外波段之间实现差异化发射率调控仍具有较大难度，红外光谱性能与辐射散热性能难以兼顾；（3）10.6 μm激光波长响应与宽波段红外光谱特性以及可见光反射光谱之间难以实现协同调节；（4）部分现有多波段膜系采用周期性光子晶体结构或较多膜层，存在整体厚度较大、制备工艺复杂以及对入射角较为敏感等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有多波段光谱调控薄膜存在的不同波段光谱性能难以协同调节、红外辐射散热能力不足以及膜层数量较多所导致的制备工艺复杂、制备成本较高等问题，提供一种可见光-红外-激光多波段光谱选择性调控薄膜。通过对不同材料膜层的组合方式及结构参数进行协同设计，在较少膜层数量的条件下，实现可见光反射光谱、红外选择性发射特性以及10.6 μm激光波长光谱响应的协同调控，同时兼顾特定红外波段的低发射率特性与辐射散热性能，从而简化薄膜制备工艺，并提高其在多波段光学调控、热辐射管理及光学器件表面功能化等领域的应用潜力。

2、本发明采用的技术方案是：一种可见光-红外-激光多波段光谱选择性调控薄膜，所述多层膜结构自下而上依次由基底、红外光谱调控膜层、激光光谱调控膜层和可见光光谱调控膜层组成；所述红外光谱调控膜层自下而上依次为厚度均不同的金属膜a、硅膜a、金属膜b和硅膜b；所述激光光谱调控膜层自下而上为二氧化硅膜和锗膜；所述可见光光谱调控膜层仅一层材料。

3、作为一种优选的基本结构，上述的一种可见光-红外-激光多波段光谱选择性调控薄膜，所述的基底材料包括单晶硅、蓝宝石、不锈钢、聚乙烯醇和聚酰亚胺。

4、作为一种优选的基本结构，上述的一种可见光-红外-激光多波段光谱选择性调控薄膜，上述的金属膜a和金属膜b材料包括钨、金、银、铜、铝、铬和钼及合金材料。

5、作为一种优选的基本结构，上述的一种可见光-红外-激光多波段光谱选择性调控薄膜，所述的可见光光谱调控膜层材料包括硅和硫化锌。

6、作为一种优选的基本结构，上述的一种可见光-红外-激光多波段光谱选择性调控薄膜，其特征在于，所述红外光谱调控膜层中的金属膜a厚度为150±50 nm，所述红外光谱调控膜层中的硅膜a厚度为750±100 nm，所述红外光谱调控膜层中的金属膜b厚度为15±10 nm，所述红外光谱调控膜层中的硅膜b厚度为400±50 nm，所述激光光谱调控膜层中的二氧化硅膜厚度为1750±100 nm，所述激光光谱调控膜层中的锗膜厚度为800±100 nm，所述可见光光谱调控膜层中的硅膜厚度为30±20 nm。

7、本发明的创新性和良好效果是：

8、1.本发明提出的一种可见光-红外-激光多波段光谱选择性调控薄膜，将红外光谱调控膜层设计为自下而上依次设置的金属膜a、硅膜a、金属膜b和硅膜b。通过金属膜与硅膜之间的光学耦合形成双法布里-珀罗谐振腔，并结合超薄金属膜的发射率增强特性，实现不同红外波段发射率的选择性调控。所述薄膜能够在非大气窗口波段（5-8 μm）波段形成较高发射率，以增强该波段的辐射换热能力，同时在大气窗口（3-5 μm和8-14 μm）波段保持较低发射率，从而兼顾红外光谱选择性调控与辐射散热性能，改善传统宽波段低发射率材料辐射散热能力不足的问题。

9、2.本发明提出的一种可见光-红外-激光多波段光谱选择性调控薄膜，在红外光谱调控膜层的基础上进一步设置由二氧化硅膜和锗膜组成的激光光谱调控膜层。利用多光束干涉理论与红外光谱调控膜层中超薄金属层的红外高吸收特性，设计出激光光谱调控膜层。激光光谱调控膜层通过精确调控材料光学常数与光学厚度，使薄膜在10.6 μm这一典型激光波长处实现极低的反射率，从而显著降低激光回波信号，有效实现激光光谱调控功能。这一多层复合设计使薄膜在保持红外选择辐射的红外光谱调控性能的同时，拓展了对10.6μm激光波段的光谱调控能力，具备多波段光谱选择性调控效果。

10、3.本发明提出的一种可见光-红外-激光多波段光谱选择性调控薄膜，在实现红外光谱调控膜层和激光光谱调控膜层之上进一步集成可见光光谱调控膜层。该设计的核心是在不影响红外-激光光谱选择性调控特性的基础上，运用薄膜结构色原理，即通过精确控制该调节层的光学厚度，利用可见光光在薄膜中产生的干涉效应，调控其对特定可见光波段的反射或吸收，从而呈现所需的颜色。由此，根据不同应用场景的可见光光谱调控需求，通过可见光隐身膜层光学厚度调整自身表面的显色状态，实现高效的可见光光谱调控效果。这一设计使得可见光-红外-激光多波段光谱选择性调控薄膜在保持红外选择辐射的红外光谱调控与激光光谱调控特性的同时，显著增强了在复杂环境中的视觉自适应能力，实现了可见光-红外-激光多波段光谱选择性调控效果。

11、综上所述，本发明通过红外光谱调控膜层、激光光谱调控膜层和可见光光谱调控膜层的协同设计，在同一多层薄膜结构中实现了可见光反射光谱、红外选择性发射特性以及10.6 μm激光波长光谱响应的协同调控。所述薄膜总层数仅为8层，总厚度约为3 μm，相较于采用多周期光子晶体或复杂微纳结构的多波段光谱调控方案，具有膜层数量少、整体厚度小、结构相对简单以及制备流程易于实现等特点，有利于降低制备复杂程度和加工成本，并具有进一步扩大制备面积的潜力。此外，本发明利用含超薄金属膜的双法布里-珀罗谐振结构实现红外波段的选择性发射，并在此基础上进一步协同引入激光光谱调控膜层和可见光光谱调控膜层，在尽量减小不同波段光谱性能相互影响的条件下，实现多波段光谱特性的协同调控，可应用于多波段光学调控、热辐射管理及光学器件表面功能化等领域。