一种高透明复合玻璃的制作方法

本发明涉及复合玻璃技术领域，特别是涉及一种高透明复合玻璃。

背景技术：

普通石英(二氧化硅sio2)玻璃因其对光波的高透明性，已经为最常见、应用最为广泛的重要光学透明材料之一。然而，玻璃并不是对光波完全透明的，尤其是对于大角度斜入射下的光波，玻璃的反射是很明显的。通常情况下，对于横电波(光波的电场平行于玻璃平面)，从空气中正入射到平整的玻璃板上的光波会有近5％的能量会被反射回去，而随着入射角的增大，将会有更大的反射，比如，当入射角为60°时，会有近20％的光波被反射回来，而当入射角增大到80°时，就会有超过一半的入射光波被玻璃板反射回来。在很多应用中，这种反射是有害的，这是需要消除的，比如，夜间车窗玻璃的反射会影响到驾驶员对路况的观察，光学成像系统中玻璃棱镜的反射会造成成像质量的下降，等等。另一方面，由于横磁波(光波的磁场平行于玻璃平面)具有布儒斯特角效应，横磁光波在玻璃板上的反射随入射角度的增加而增大的趋势不太明显。

提高普通玻璃在大角度入射下透明度的传统方法是利用减反膜，即在玻璃板表面上镀上一层膜或多层薄膜，或“蛾眼”型涂层来消除玻璃板上的反射。

对于在玻璃板表面上镀上一层膜或多层减反膜的方法，尽管可以消除在某一或某些入射角，甚至一小段入射角区域内的反射波，但对于大的入射角(>60°)，该种减反膜的效果则很有限。

对于在玻璃板表面上镀上“蛾眼”型涂层的方法，尽管可以实现较宽角度范围内的减反效果，但由于“蛾眼”型涂层是一些凹凸结构，因此会影响到玻璃表面的平整度，这会对一些对平整度要求很高的微纳光学器件产生大的不利影响。

技术实现要素：

本发明的一个目的是设计在近乎全角度入射角下都能实现对反射波的消除的材料，同时适用于对平整度要求很高的微纳光学器件。

本发明提出的一种高透明复合玻璃，包括：

多层二氧化硅薄膜；

多层光学膜，其与所述多层二氧化硅薄膜交替排列，以形成层数为奇数的奇数层膜，所述奇数层膜的处于最外侧的两层膜均为所述二氧化硅薄膜，所述光学膜的折射率大于或等于1.8，所述最外两层膜厚度均是中间的二氧化硅薄膜的厚度的45％-50％。

可选地，所述最外两层膜厚度均是所述二氧化硅薄膜的厚度的50％。

可选地，所述二氧化硅薄膜的厚度为范围在100-300nm之间的任一数值，所述光学膜的厚度为范围在50-150nm之间的任一数值。

可选地，所述二氧化硅薄膜的厚度为200nm，所述光学膜的厚度为100nm。

可选地，所述高透明复合玻璃在预定光波下在0-85°的角度范围内的能量透射率大于或等于96％。

可选地，所述预定光波为横电光波。

通常情况下，由于空气和玻璃的折射率不同，使得空气和玻璃中的光波不能完全匹配，因此导致了反射波的产生。然而，发明人经过多次试验和深入的总结分析创造性发现，在本发明的复合玻璃中，通过合理的设计能够在光学膜中形成较强的光学共振模态来匹配空气和复合玻璃中的光波，而位于最外侧的两层膜能够实现空气中光波和高折射率材料中共振模态的平滑过渡和完美匹配，重要的是，能够实现近乎全角度入射波的阻抗完全匹配，实现了意想不到的技术效果。

本申请的发明人发现，普通的玻璃和空气的阻抗不匹配，两者界面上总是存在着反射波，因而无法实现完美吸收，尤其是当入射角比较大时，会有更大的反射。然而，本申请可以通过调节二氧化硅薄膜和光学膜的厚度，来使得该光学吸收多层膜对特定波长下的工作具有近乎全角度(0-85°)的高透明度(能量透射率≥96％)，这个原理在于，该玻璃与空气间的全角度阻抗匹配效应。

此外，光学膜的选取可以是多样的，例如，可以是二氧化钛tio2，五氧化二钽ta2o5，氮化硅sinx等。因此，在实际应用中，可以根据应用所需的力学、热学等性质来选择合适的光学膜材料，这极大地拓展了复合玻璃的可能的应用领域。

在上述认知和发现的基础上，发明人通过设计简单的复合玻璃结构，获得了意想不到的技术效果。本发明的复合玻璃，对于横电光波实现了近乎全角度的高透明度(能量透射率≥96％)。此外，该复合玻璃具有平整的表面，适用于对平整度要求很高的微纳光学器件。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的高透明复合玻璃的示意性结构图；

图2是根据本发明一个实施例的高透明复合玻璃对600nm波长光波的能量透射率随入射角的变化曲线图；

图3是根据本发明另一个实施例的高透明复合玻璃对横电光波的能量透射率随入射角的变化曲线图。

附图标记：

110-二氧化硅薄膜，

120-光学膜。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一个实施例的高透明复合玻璃的示意性结构图。如图1所示，该高透明复合玻璃包括二氧化硅薄膜110和光学膜120。该二氧化硅薄膜110和光学膜120的层数均可以为多层，并且该多层二氧化硅薄膜110和多层光学膜120交替排列。多层二氧化硅薄膜110和多层光学膜120一起形成层数为奇数的奇数层膜，并且奇数层膜的最外两层膜均为二氧化硅薄膜110。其中，光学膜120的折射率大于或等于1.8。最外两层膜厚度均是二氧化硅薄膜110的厚度的45％-50％。

通常情况下，由于空气和玻璃的折射率不同，使得空气和玻璃中的光波不能完全匹配，因此导致了反射波的产生。然而，本发明的发明人经过多次试验和深入的总结分析创造性地发现，在本发明的复合玻璃中，通过合理的设计能够在光学膜120中形成较强的光学共振模态来匹配空气和复合玻璃中的光波，而位于最外侧的两层膜能够实现空气中光波和高折射率材料中共振模态的平滑过渡和完美匹配，重要的是，能够实现近乎全角度入射波的阻抗完全匹配，可以实现意想不到的技术效果。

若要实现全角度的阻抗匹配效应，奇数层膜的最外两层膜均必须为二氧化硅薄膜110，且该最外两层膜的厚度是中间的二氧化硅薄膜110的厚度的45％-50％。此外，光学膜120的折射率对实现全角度的阻抗匹配效应也具有非常显著的影响，经过大量实现验证发现，光学膜120的折射率必须是大于或等于1.8。如果光学膜120的折射率小于1.8，则与二氧化硅薄膜110的折射率对比度不够，将难以实现大角度下的阻抗匹配和高透射率。光学膜120的折射率可以比较大，即与二氧化硅薄膜110的对比度较大，这样更容易实现大角度的阻抗匹配和高透射率，但是如果光学膜120的折射率太大如大于5，则制备精度等要求较高。

在一个实施例中，奇数层膜的最外两层膜的厚度均是中间的二氧化硅薄膜110的厚度的一半。如此，可以将最外两层膜中的其中一层最外层膜110、与该最外层膜相邻的光学膜120、以及取一半厚度的与该光学膜120相邻的二氧化硅薄膜110(即次外层二氧化硅薄膜)看做是一个结构单元，而整个复合玻璃可以看做是由多个这样的结构单元周期性排列组成而成，这使得结构单元具有平移对称性，也能保证了空气中光波和高折射率材料中共振模态实现最佳的平滑过渡。在另一个实施例中，最外两层膜的厚度均是中间的二氧化硅薄膜110的厚度45％、46％、47％、48％或49％。在一个实施例中，最外两层膜的厚度相等。在另一个实施例中，最外两层膜的厚度不相等。

在一个实施例中，二氧化硅薄膜110的厚度为100-300nm，例如100nm、150nm、200nm、250nm或300nm或100-300nm中其他的任一数值。光学膜120的厚度为50nm、100nm或150nm，也可以为50-150nm中任一数值。在另一实施例中，二氧化硅薄膜110的厚度约为200nm，光学膜120的厚度约为100nm。在设计中，可以通过调整二氧化硅薄膜110和光学膜120的厚度来改变工作波长。

其中，该奇数层膜的层数对复合玻璃的透明性几乎没有影响，在实际应用中，可以根据应用需求来灵活取值。

本申请的发明人发现，普通的玻璃和空气的阻抗不匹配，两者界面上总是存在着反射波，因而无法实现完美吸收，尤其是当入射角比较大时，会有更大的反射。然而，本申请可以通过调节二氧化硅薄膜110和光学膜120的厚度，来使得该光学吸收多层膜对特定波长下的工作具有近乎全角度(0-85°)的高透明度(能量透射率≥96％)，这个原理在于，该玻璃与空气间的全角度阻抗匹配效应。

此外，光学膜120的选取可以是多样的，例如，可以是二氧化钛tio2，五氧化二钽ta2o5，氮化硅sinx等。因此，在实际应用中，可以根据应用所需的力学、热学等性质来选择合适的光学膜120材料，这极大地拓展了复合玻璃的可能的应用领域。

并且，该复合玻璃对入射角为0-85°，例如0°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°或85°的横电光波的能量透射率可以达到甚至超过96％。

图2示出了根据本发明一个实施例的高透明复合玻璃对600nm波长光波的能量透射率随入射角的变化曲线图。在该实施例中，奇数层膜的二氧化硅薄膜110的折射率为1.5，中间的二氧化硅薄膜110的厚度为170nm，最外两层膜的厚度为85nm。光学膜120的材料选为tio2材料，其折射率为2.4，厚度为79nm。在一个实施例中，入射光波为横电波，波长取为600nm，且从空气中入射到玻璃中。

如图2所示，图中灰色虚线为光波在现有技术的普通石英玻璃中的能量透射率，可以看到，随着入射角的增大，能量透射率急剧下降，当入射角为80°时，透射率已降低到50％以下。图中黑色虚线和灰色实线均表示光波在本发明实施例的复合玻璃中的能量透射率，黑色虚线对应的奇数层膜的层数为51层，灰色实线对应的奇数层膜的层数为11层，由图可知，对于本发明实施例的复合玻璃，能量透射率随着入射角的增大几乎不发生变化，且始终接近100％。这些结果还表明，本发明的复合玻璃的透明性与奇数层膜的层数无关，并且也进一步证明了复合玻璃的全角度阻抗匹配效应。

图3示出了根据本发明另一个实施例的高透明复合玻璃对横电光波的能量透射率随入射角的变化曲线图。在该实施例中，奇数层膜的二氧化硅薄膜110的折射率为1.5，中间的二氧化硅薄膜110的厚度为206nm，最外两层膜的厚度为103nm。光学膜120的材料选为ta2o5材料，其折射率为2.1，厚度为58nm。在一个实施例中，入射光波为横电波，波长取为600nm，且从空气中入射到玻璃中。

如图3所示，图中灰色虚线为光波在现有技术的普通石英玻璃中的能量透射率，可以看到，随着入射角的增大，能量透射率急剧下降。图中黑色虚线和灰色实线均表示光波在本发明实施例的复合玻璃中的能量透射率，黑色虚线对应的奇数层膜的层数为51层，灰色实线对应的奇数层膜的层数为11层，由图可知，对于本发明实施例的复合玻璃，能量透射率随入射角的增加只发生微小的变化，其在0°-80°范围内始终保持≥96％的高透射率。

根据本发明的方案，发明人通过设计简单的复合玻璃结构，获得了意想不到的技术效果。本发明的复合玻璃，对于横电光波实现了近乎全角度的高透明性(能量透射率≥96％)。此外，该复合玻璃具有平整的表面，适用于对平整度要求很高的微纳光学器件。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。