ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1997 года по МПК G02B1/10 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в космическом приборостроении при создании бортовой аппаратуры, а именно для защиты приборов от рассеянного излучения Солнца, особенно в ультрафиолетовой области его спектра. Известен оптический элемент, на поверхности которого выполнены выпуклости высотой менее одной трети наибольшей длины волны рабочего диапазона излучения и с расстоянием между ними менее наиболее короткой длины волны диапазона, деленной на показатель преломления материала выпуклостей [1] Недостатком данного оптического элемента является недостаточно низкий коэффициент отражения излучения Солнца особенно в ультрафиолетовой части спектра. Известен также оптический элемент, у которого на поверхность нанесен слой окиси алюминия, магния или цинка, микроструктура которых представляет собой отдельные случайно расположенные иглы различного размера, выступающие от поверхности не менее чем на 20 нм [2] Недостатками описанного оптического элемента являются узкий диапазон используемых материалов и недостаточный уровень светозащиты. Кроме того, основным элементом, влияющим на уровень светозащиты, является материал покрытия и только незначительная часть задачи повышения уровня светозащиты приходится на конструктивный элемент (иглы, выступающие над поверхностью), который работает на рассеивание лучей. За прототип принят противоотражательный оптический элемент, на поверхности которого сформированы двухмерные выступы или углубления с определенным средним радиусом и нерегулярным распределением по поверхности электрода, имеющие высоту или глубину λ/4, где λ средняя расчетная длина волны света [3] Коэффициент отражения у взятого за прототип оптического элемента несколько ниже, чем у аналогичных, за счет того, что часть лучей рассеивается не только выступами, но и углублениями, однако большой процент лучей по-прежнему отражается в окружающее пространство. Такие оптические элементы уже не соответствуют требованиям, предъявляемым к современным высокочувствительным космическим приборам (телескопам, анализаторам, детекторам). Задачей изобретения является снижение коэффициента отражения оптических элементов (внутренних поверхностей приборов) до 1 2% за счет максимальной степени рассеивания и поглощения ультрафиолетового излучения. Поставленная задача решается за счет того, что на поверхности оптического элемента формируют двухслойное покрытие, характеризующееся двухмасштабной неоднородностью поверхности. При этом первый слой формируют из выступов неправильной формы, пространства между которыми образуют световые ловушки. (Световые ловушки получаются в результате образования выпуклостей и выемок на поверхности выступов. ) Эти улавливающие полости способны обеспечить увеличение поглощения лучей в процессе их многократного переотражения. Поверх сформированного таким образом первого слоя крупномасштабной неоднородности формируют второй слой с мелкой неоднородностью (выступами и впадинами), обеспечивающей максимальное рассеяние лучей. Высота (глубина) выступов (впадин) первого слоя в 10 100 раз превышает длину волны излучения линии Лайман-альфа водорода, а размер неоднородностей второго слоя в среднем равен этой длине волны. В качестве масштаба для устройств, работающих в ультрафиолетовом диапазоне, принята длина волны линии излучения водорода l = 121,6 нм, соответствующей резонансному переходу 1S²S 2p²p⁰, т.к. на этой линии Солнце излучается более 50% энергии всего спектра ультрафиолетового излучения).

Таким образом, первый слой, образованный крупномасштабной неоднородностью, создает условия для многократного отражения и поглощения света за счет интерференционного или фотоионизационного поглощения излучения в световых ловушках, образованных выступами и впадинами развитой поверхности, а второй слой, с мелкомасштабной неоднородностью, обеспечивает максимальное дифракционное рассеяние падающего излучения и его поглощение.

На фиг. 1 изображен разрез поверхности оптического элемента, на фиг. 2 приведены зависимости вероятностей отражения света на неоднородностях.

На оптической поверхности 11 создают механическим, химическим, электролитическим или любым другим путем первый слой 2 крупной неоднородности, выступы 3 которых имеют развитую поверхность. Выпуклости 4 и впадины 5, имеющиеся на поверхностях выступов 3, образуют световые ловушки 6, создающие условия для многократного рассеяния и поглощения лучей 7. Существенным здесь является то, что a-характерный размер (толщина и/или высота) выступов 3 в самом широком месте должна намного превышать длину волны излечения линии Лаймана-альфа водорода (a≫ λ). Большое значение здесь также имеет величина шероховатости и величина замкнутости ловушек 6. Шероховатость обеспечивается вторым слоем неоднородности, а замкнутость выбранной технологией изготовления первого слоя. Требуемый размер неоднородностей первого слоя выявлен нами опытным путем в виде: a= (10-100)λ Экспериментально установлено, что при уменьшении характерного размера неоднородностей ниже границы интервала, т. е. при a<10λ, эффективность действия снижается из-за того, что при этом падающий свет начинает интенсивно дифрагировать на края неоднородности и ловушка, по-существу, "экранируется" своим входным отверстием. При увеличении характерного размера неоднородностей более верхней границы установленного интервала, т.е.при a> 100 λ, эффективность ловушек также снижается из-за того, что уменьшается их общее количество и общая площадь поверхности оптического элемента начинает использоваться неэффективно. Рекомендуемое нами соотношение равно: a = 30 λ.. Опытным путем нами также установлено, что различать и устанавливать количественное соотношение между высотой и толщиной (глубиной и шириной) крупномасштабных неоднородностей нет необходимости, т. к. падающее излучение обычно имеет произвольную направленность и то, что является высотой для зенитного излучения может быть шириной для излучения, скользящего вдоль поверхности оптического элемента. Затем, на всей поверхности с крупной неоднородностью формируют второй слой с мелкой неоднородностью, размер b частиц 8 которой примерно равен расчетной длине волны, т.е. b≈ λ. Мелкомасштабная неоднородность обеспечивает дифракционное рассеяние излучения и ослабление его интенсивности.

Описанный оптический элемент формируют следующим образом.

На поверхность 1 (внутреннюю поверхность приборов космической аппаратуры), например, путем газотермического напыления, наносят слой 2 крупномасштабной неоднородности. Световые ловушки формируют путем последующей электрохимической обработки напыленной поверхности (травлением), а мелкомасштабные неоднородности второго слоя получают затем газофазным, гальваническим или химическим осаждением. Совместное действие неоднородностей мелкого и крупного масштабов обеспечивает эффективное рассеяние световой волны, многократное ее отражение и ослабление ее интенсивности при каждом акте отражения. Если энергия фотонов, падающих на поверхность, меньше энергии кванта плазменных колебаний материала поверхности, то фотоны будут испытывать сильное отражение от поверхности. И лишь многократное отражение в ловушках 6 может обеспечить снижение коэффициента отражения вследствие того, что каждый акт отражения от поверхности будет сопровождаться затуханием амплитуды световой волны. Такая ситуация имеет место, например, при падении волны с l = 121,6 нм на поверхность алюминия. В общем случае зависимость вероятности отражения P(θ) от угла отражения θ имеет характер дельта-функции (кривая 9):

где
θ₃ угол зеркального отражения, равный углу падения.

Если теперь на поверхность с крупномасштабной неоднородностью нанести частички 8 металла размером порядка длины волны падающего излучения, то из-за дифракции на них световой волны зависимость вероятности рассеяния на угол θ должна принять вид, отличный от дельта-функции, с чертами, присущими диффузному рассеянию (фиг. 2, кривая 10), причем вероятность в максимуме (при θ=0) будет гораздо меньше единицы, в отличие от случая зеркального отражения на поверхности с крупным масштабом неоднородности. В итоге, при совместном действии неоднородностей двух масштабов падающая световая волна будет дифрагироваться и поглощаться на малых неоднородностях и претерпевать многократное отражение и поглощение в ловушках 6.

Вероятность того, что световой луч, попавший в ловушку 6, выйдет из нее назад, теперь можно представить как произведение вероятностей отражения P_i(θ_i) каждого из n отражений:

Малая величина отдельных сомножителей обусловливает малую вероятность P выхода луча из ловушки. Таким образом, световая волна на поверхности с двухмасштабной неоднородностью поглотится при меньшем числе актов рассеяния, чем на поверхности лишь с крупными или мелкими неоднородностями. Коэффициент отражения в этом случае будет значительно снижен.

из описания предлагаемого технического решения хорошо видно, что уменьшение коэффициента отражения осуществляется путем создания покрытия с двухмасштабной неоднородностью поверхности. Такое решение поставленной задачи позволяет снизить уровень фоновых засветок до приемлемой величины, уменьшить пределы терморегулирования соответствующей регистрирующей аппаратуры и может использовать как в космическом приборостроении при зондировании планет и звездных систем, так и в медицинском приборостроении при радиологическом исследовании и электромагнитной терапии жизненно важных органов человека, а также в солнечной энергетике при создании фотоэлектрических преобразователей с высоким КПД (коэффициент радиационного поглощения солнечных батарей ныне не превышает 50% что свидетельствует об огромных резервах повышения их эффективности).

Использование: в космическом приборостроении для защиты оптических приборов от рассеянного излучения Солнца. Сущность изобретения: оптический элемент состоит из выступов и углублений, причем выступы имеют неправильную форму, выпуклости и выемки которых образуют световые ловушки, а на полученной таким образом крупномасштабной поверхности сформирован второй слой из мелких неоднородностей. Характерный размер выступов и выемок крупномасштабных неоднородностей в 10 - 100 раз превышает длину излучения линии Лайман-альфа, а мелкомасштабных неоднородностей - в среднем равен этой длине. 2 ил.

Оптический элемент, состоящий из сформированных на поверхности выступов и углублений, отличающийся тем, что выступы имеют неправильную форму и их выпуклости и выемки образуют световые ловушки, а на образованной таким образом крупномасштабной неоднородности сформирован второй слой из мелкомасштабных неоднородностей, причем характерный размер выпуклостей и выемок крупномасштабных неоднородностей в 10 100 раз превышает длину волны излучения линии Лайман-альфа водорода, а мелкомасштабных неоднородностей в среднем равен этой длине волны.