专利名称：光学透射毫米波反射镜的制作方法
发明
背景技术：
领域本发明涉及光学的以及毫米波的系统。更特别地，本发明涉及用于反射毫米波频率并传播光学频率的装置。
背景技术：
高能量毫米波系统有时候需要在毫米波光柱轨迹上设置激光器和/或照相机。为了防止对这些设备的损坏，需要将一个防护罩放置在光柱轨迹上。该防护罩需要在毫米波频率上几乎完全反射并且在光学频率上是透射的。
举个例子，在材料加工应用中，毫米波可以在一个反应室内使用，以制造合成物质。有必要并且期望在所述反应室内放置一个窗口，用以观察发生在其中的反应。这个窗口需要在没有破坏光学频率的情况下透射它们，同时阻塞毫米波的透射。
以前解决这个问题的尝试或者使用金属筛网或者使用吸收性的充水窗。金属筛网能有效地反射几乎所有的入射辐射，但是它们对于光学频率仅仅是边缘透射。
而吸收性的充水窗的性能比金属筛网高级，它们受限于几个问题。首先，它们在长期使用以后容易泄漏。此外，在用户之间存在着感觉，即，充足密度的入射毫米波束能够造成水沸腾，这能够导致所述窗口的灾难性的失效。最后，根据经验发现当吸收性的充水窗被高能毫米波束辐射的时候，吸收的能量在水中发起了对流，这个对流分散了入射光，降低了由所述窗口后面的一个照相机所拍摄的图象质量。
因此，现有技术中存在对一种系统或方法的需要，这种系统或方法用于反射毫米波频率，并且在没有破坏光学频率的情况下透射光学频率。
发明简介本发明致力于现有技术的需要，一种光学透射电介质反射镜反射了在设计频率上的一个入射毫米波束。这个性能是通过以下方式实现的，即从不同的光学透射电介质材料层来构建反射镜，并且选择单个层的厚度以使透射的波在前进方向上几乎彻底消除，产生高度的传输损耗以及较高的反射(例如几乎100％)。
在优选实施例中，本发明包括光学兰宝石和空气的交替层。在最优模式中，有七个兰宝石层，其外层具有70.8密耳的名义厚度，内部兰宝石层具有30.4密耳的名义厚度，并且空气层具有32.0密耳的名义厚度。透气金属垫圈用于保持空气层的最优厚度。
与以前技术中吸收性的注水窗不同，本发明是反射，而不是吸收入射毫米波束，并且同时传输光辐射。因为不包含液体，所以泄漏的可能性被消除了。因为入射毫米波能量被反射而不是被吸收，所以由热导致损坏或故障的可能性极大地减少了。最后，由于没有对流出现以分散入射光，所以可以期待由位于一个光学透射毫米波反射镜后面的照相机所拍摄的光学图象的质量达到较高水准。
图1a是展示了横电波入射到一个电介质界面上的视图。
图1b是展示了横磁波入射到一个电介质界面上的视图。
图2是根据本发明技术而设计的光学透射毫米波反射镜的视图。
图3是展示了透射系数对板和缝隙尺寸变化的敏感性的一个图表。
图4是展示了透射系数相对于偏振角的变化的图表。
图5是根据本发明的技术设计的原型反射镜的分解图。
图6是根据本发明的技术设计的环形透气金属垫片的详细视图。
图7是根据本发明的技术设计的反射镜框架的内部详细视图。
图8是根据本发明的技术设计的组装后的反射镜的前视图。
图9是根据本发明的技术设计的组装后的反射镜的后视图。
具体实施例方式
说明性的实施例和示范性的应用现在将参考附图来描述，以揭示本发明的优势教导。
尽管本发明在此是参考用于特殊应用的说明性附图来描述的，但是应该理解本发明并不局限于此。本领域普通技术人员以及熟知在此所提供的技术的人员将能够认识到在此范围之内的附加的修改、应用和实施例以及本发明将在其中具有显著效用附加的领域。
本发明是一种光学透射电介质反射镜，在设计频率下，本发明的一个解释性实施例几乎可以反射100％的入射毫米波束。这个性能是通过以下方式实现的，即从不同的光学透射电介质材料的交替层来构建反射镜，选择单个层的厚度以使透射的波在前进方向上几乎彻底消除，产生高度的传输损耗以及几乎100％的反射。
与以前技术中吸收性的注水窗不同，本发明是反射，而不是吸收入射毫米波束，并且同时传输光辐射。因为不包含液体，所以泄漏的可能性被消除了。因为入射毫米波能量被反射而不是被吸收，所以由热导致损坏或故障的可能性极大地减少了。最后，由于没有对流出现以分散入射光，所以可以期待由位于一个光学透射毫米波反射镜后面的照相机所捕捉的光学图象的质量达到较高水准。
为了理解像这样的一个反射镜怎样被构建，首先考虑一个平面波以一个斜角入射到位于两个电介质材料之间的一个界面上。如果考虑到平面波的偏振，就有两个不同的物理现象必须被考虑。如果平面波的电场平行于所述界面，如图1a所示，那么就说入射波是一个横向电波或者横电(TE)波。另一方面，如果所述入射波的磁场平行于所述界面，如图1b所示，那么就说入射波是一个横向磁场波或者横磁(TM)波。注意到任意一个偏振的平面波都可以被描绘成一个横电波和一个横磁波的重叠。
对于一个入射平面波(横电波或横磁波)来讲，入射波、反射波和透射波之间的关系能够以一个透射矩阵的形式被计算，这个矩阵是在边界左边的入射波和反射波和在边界右边的波之间的关系。这个矩阵关系的形式是
EL1EL2=T11TE,TMT12TE,TMT21TE,TMT22TE,TMER1ER2,---[1]]]>其中，EL1和EL2分别是边界左侧的入射波和反射波，并且ER1和ER2是边界右侧的透射波和入射波，如图1所示。
对于横电波的情况，透射矩阵的元素由下面给出T11TE=T22TE=12(1+ηLcosθRηRcosθL),---[2]]]>T12TE=T21TE=12(1-ηLcosθRηRcosθL),---[3]]]>并且对于横磁波的情况，透射矩阵的元素由下面给出T11TE=T22TE=12(ηLηR+cosθRcosθL)---[4]]]>T12TE=T21TE=-12(ηLηR-cosθRcosθL)---[5]]]>其中，θR和θL分别是入射波和反射波与所述电介质边界的法线在所述电介质边界的左侧和右侧的夹角，并且ηR和ηL是相应材料的特性阻抗。
除了用于电介质界面的所述透射矩阵，还需要描述了一个平面波穿过均质介电板的透射矩阵。既用于横电波又用于横磁波的合适的透射矩阵与z轴呈θR角传播，穿过具有折射指数n的一个材料，这个矩阵如下给出EL1EL2=exp(jk0ndcosθR)00exp(-jk0ndcosθR)ER1ER2---[6]]]>这里，k0＝2π/λ0，其中，λ0是入射平面波的自由空间波长，d是所述材料板的厚度。
所述角度θR能够通过斯涅耳(Snell)折射定理与θL发生联系，例如
nLsinθL＝nRsinθR7所述透射矩阵公式的优点在于由多个电介质层组成的组合结构的反射系数和透射系数能够仅仅通过将每个单独的电介质层的透射矩阵依次相乘就容易地计算出来。通常，由每一个都具有不同厚度的不同材料的介电板构成的一个m层结构的反射和透射系数能够以下面的方式计算出来。
从最左侧边界开始，在这里入射平面波遇到第一介电质界面。在这个界面θL＝θinc，其中θinc是入射平面波与z轴之间的夹角。给定θL的值，θR的值就能够计算出来，平面波正是以θR角度传播到材料的左侧和右侧，到达所述边界的右侧。第一边界的透射矩阵以及穿过所述第一电介质层的传播的透射矩阵然后就能够计算出来。
通过重复应用斯涅耳(Snell)定理，在每个连续层中的θR值就可以在给定其前面层的θL值的情况下被计算出来。通过这种方式，一个组合结构的每一个元件的透射矩阵都可以计算出来。所述组合结构的所述透射矩阵然后就可以作为单独的透射矩阵的矩阵积而获得。如果所述第一电介质界面的透射矩阵被标注为T1a，所述第一板被标注为P1，第二电介质界面被标注为T1b，那么所述组合单层结构的透射矩阵就由下面给出T1＝T1a×P1×T1b8考虑由m层特殊电介质材料构成的一个结构，每一层都通过一个缝隙与下一层分离，这个缝隙可以填充空气或者其它电介质材料。如果有m层，那么将有m-1个缝隙。如果单独层的透射矩阵标注为T1、T1…….、Tm，并且缝隙的透射矩阵标注…为G1、G2、……、Gm-1，那么所述组合结构的透射矩阵是T＝T1×G1×T2×G2……Tm-1×Gm-1×Tm9其中，第K层电介质的透射矩阵由下面给出
Tk＝Tka×Pk×Tkb10假设一个平面波只是从左侧入射，所述入射波和由所述组合结构所反射和透射的波之间的关系由下面给出EincEref=T11T12T21T22Etrans0---[11]]]>可以很容易地指出所述组合结构的功率反射和功率透射系数R和T是根据所述透射矩阵的元素给出的R=|ErefEinc|2=|T21T11|2---[12]]]>T=|EtransEinc|2=|1T11|2---[13]]]>这里的意图是开发一种多层结构，它将反射几乎所有的在特殊的毫米波频率下的入射辐射，同时允许光线通过。也就是说，将所述组合结构的透射系数T最小化。
为了将最终结构的成本最小化且将结构最简化，期望将电介质层的总数最小化。电介质层的数量是一个度的功能，在这个度的状态下透射的波被削弱，并且电介质层的数量实现所用材料的介电常数的功能。为了将层数最小化，相邻层之间的介电常数的差异应该尽可能大，以便于将在每个电介质界面处的反射系数最大化。通过利用气隙来将连续的电介质层分离，获得了在介电常数中最大可能的差异。
电介质材料的选择受某些需要的限制，即，它是光学透射的，并且在毫米波频率下具有低损耗因数。光学兰宝石(Al2O3)是一个可能的选择，因为它对于零切割材料(此时光学轴线垂直于所述材料的表面)具有相对高的介电常数9.41，并且具有在95GHz下8×10-4的低损耗因数。此外，它及其坚硬并且能抵抗一般的酸和碱，这使得它适合于在恶劣的条件下使用。
上面描述的透射矩阵被用来设计一个反射镜，用于在13.5°入射的平面波。需要所述最终设计来削弱接进60dB的透射的横电波和横磁波。已经确定被气隙分离开的七层兰宝石能够符合这个要求。
图2是根据本发明的技术而设计的一个光学透射毫米波反射镜100的外形图。在所述说明性实施例中，所述反射镜100由七个被气隙(30、32、34、36、38、40)分离开的兰宝石板(10、12、14、16、18、20、22)组成。所述兰宝石层以及将它们分离开的气隙的尺寸如下L1＝L7＝70.8±0.4密耳(mils)L2＝L3＝L4＝L5＝L6＝30.4±0.3密耳(mils)d1＝d2＝d3＝d4＝d5＝d6＝32.0±0.5密耳(mils)其中，Li是第i个兰宝石板的宽度，dj是第j个气隙的宽度。
因为最外边的板将是唯一直接暴露在外界环境中的板，所以它们比内板(板2到6)造得要厚，以便于提供更大的机械强度。在L1和L7上的±0.4密耳的公差以及在L2到L6上的±0.3密耳的公差并不是因为性能所致。也就是说，如果公差以某种方式放松的时候所述反射镜在性能稍微降低的情况下仍然能工作，因为所述反射镜的性能对所述兰宝石板的尺寸或者对所述缝隙的尺寸并不过度敏感，如图2所示。
图3是展示了透射系数对板和缝隙尺寸变化的敏感性的一个图表。这个图绘制了对于五种情况下对入射横电波和横磁波的透射系数，每个板和每个缝隙的尺寸在每种情况下都允许相互随机改变。来自名义设计值的最大允许偏差对于每个板来讲是0.5密耳，对于每个缝隙来讲是1密耳。对于每种情况和每个尺寸来讲，所述偏差是不统一分配的随机数字，这个数字的绝对值低于或等于所述最大允许偏差。很明显，在实际中很容易获得的这个公差对于所述反射镜的性能来讲具有很小的影响。
如前面所述，一个随意的偏振入射波能够表现为一个横电波和一个横磁波的重叠以同样的角度入射。如果入射角度是θinc并且在xy平面的电场的投射产生了相对于x轴的角度，那么所述透射系数就能够以横电波和横磁波分量的透射系数的形式来表达T＝TTMcosφpol+TTMsinφpol14注意到如果入射波是横磁波那么φpol＝0°，如果入射波是横电波那么φpol＝90°。
图4是展示了透射系数相对于偏振角的变化的图表。可以看出，随着偏振角的改变，横电波和横磁波作用建设性地干涉并且随后破坏性地干涉。透射系数当φpol＝35°和215°时达到最大值-58.78分贝，并且当φpol＝125.0°和305.0°时达到最小值-108.25分贝。
图5是根据本发明的技术设计的原型反射镜200的分解图。同样设计的两个反射镜组件位于具有一个前盖61的密封的框架60内部。在最外面兰宝石板50和铝制框架60之间以及铝制框架60和所述前盖61之间的O形密封56防止了来自外界的污染。透气的金属垫片54保持相邻板(50、52)之间的最佳间隔。一个T形填充阀72和一个压力计70连接到在所述反射镜框架60中的一个充气通路84(见图7)上，并且一个切断排气阀74连接到在所述反射镜框架60中的一个排气通路86(见图7)上。
图6是环形透气金属垫片54的详细视图。透气孔62允许气态污染物被干燥的氮所取代，所述反射镜组件在密封过程期间被干燥氮填充。特殊的问题是水蒸气，如果允许它保留在反射镜表面，就能够在所述兰宝石板的表面凝结，通过所述反射镜模糊了景象。
图7是所述反射镜框架60的内部视图，展示了所述充气通路84和所述排气通路86。挡流板90引导了气流，防止气流以最小阻力的路径(从所述充气通路84到所述排气通路86)通过，并且强迫它穿过窗口表面流动，在充气过程中将任何污染物从内部排出。
图8是组装后的反射镜200的前视图，展示了在密封的框架60内部的第一和第二反射镜(80、82)，该框架具有一个前盖61。图9展示了组装后的反射镜200的后视图。两个图都展示了连接到所述充气通路84(见图7)上的所述T形填充阀72和压力计70，以及连接到所述排气通路(见图7)上的所述切断排气阀74。
在所述反射镜200用干燥氮回填到1个绝对压强(psia)压力的时候，连接到每个部分的阀被关闭。连接到所述充气通路84上的所述压力计70在使用中允许气压被监控。如果压力降到低于0.25个绝对压强，气体供应就应该恢复并且压力恢复到其名义值。
因此，本发明已经在此通过参考用于特殊应用的特殊实施例来描述。本领域具有一般技术的人员以及了解本技术的人员将认识到在此范围内的附加的修改、应用和实施例。
通过所附的权利要求旨在包含任意的和所有的在本发明范围内的应用、修改和实施例。
权利要求
1.一种用于反射入射毫米波束的装置，包括一第一层，由适合于接收并部分地透射所述入射毫米波束的电介质材料制成，以及一个或多个电介质材料附加层，附加层设置得与所述第一层对齐，每一个附加层部分地透射穿过前面层接收的光波，并且每一层的厚度设置得使透射的光波在前进方向上基本被消除。
2.如权利要求1所述的发明，其中所述电介质材料是光学透射的。
3.如权利要求1所述的发明，其中所述层是由第一和第二电介质材料交替构建的。
4.如权利要求3所述的发明，其中所述第一电介质材料是光学兰宝石。
5.如权利要求3所述的发明，其中所述第二电介质材料是空气。
6.如权利要求4所述的发明，其中兰宝石层的数量是七个，兰宝石层之间具有六个空气层。
7.如权利要求6所述的发明，其中外兰宝石层具有70.8密耳的名义厚度，内兰宝石层具有30.4密耳的名义厚度，空气层具有32.0密耳的名义厚度。
8.如权利要求5所述的发明，其中所述装置进一步包括用于加强空气层的正确厚度的垫圈。
9.如权利要求8所述的发明，其中所述垫圈包括用于移除气态污染物的通气孔。
10.如权利要求5所述的发明，其中所述装置进一步包括一密封的框架。
11.如权利要求10所述的发明，其中所述密封的框架被干燥的氮填充。
12.如权利要求10所述的发明，其中所述密封的框架包括一用于输入空气的充气通路。
13.如权利要求10所述的发明，其中所述密封的框架包括一用于排出空气的排气通路。
14.如权利要求10所述的发明，其中所述密封的框架包括用于引导气流的挡流板。
15.一种用于反射入射毫米波束的装置，包括一第一层，由适合于接收并部分地透射所述入射毫米波束的电介质材料制成；一个或多个电介质材料附加层，附加层设置得与所述第一层对齐，每一个附加层部分地透射穿过前面层接收的光波，并且每一层的厚度设置得使透射的光波在前进方向上基本被消除；一用于所述层的密封的框架，具有一充气通路，一排气通路以及用于引导气流的挡流板；一T形填充阀，连接到所述充气通路上；一压力计，连接到所述T形填充阀的第一管嘴上；施加于所述T形填充阀的第二管嘴的干燥氮；以及一切断排气阀，连接到所述排气通路上。
16.一种用于反射入射毫米波束的方法，包括如下步骤用第一电介质材料层接收所述入射毫米波束，该第一层部分地透射所述光波，以及通过与所述第一层对齐地设置的一个或多个电介质材料附加层来传播所述透射的光波，进一步包括步骤通过每一个附加层部分地透射穿过前面层接收的光波，藉此使透射的光波在前进方向上基本被消除。
全文摘要
一种光学透射电介质反射镜(200)反射了在设计频率上的一个入射毫米波束。该反射镜(200)包括不同光学透射电介质材料层。选择单个层的厚度以使透射的波在前进方向上几乎彻底消除，产生高度的传输损耗和实质的反射。在优选实施例中，本发明包括光学蓝宝石和空气的交替层。在最优模式中，有七个蓝宝石层，其外层(50)具有70.8密耳的名义厚度，内部蓝宝石层(52)具有30.4密耳的名义厚度，并且空气层具有32.0密耳的名义厚度。透气金属垫圈(54)用于保持空气层的最优厚度。
文档编号G02B1/00GK1615446SQ03802075
公开日2005年5月11日 申请日期2003年1月8日 优先权日2002年1月10日
发明者戴维·D·克劳奇, 威廉·E·多拉什 申请人:雷斯昂公司