光谱吸收器的制作方法

本发明涉及光处理技术领域，尤其涉及光谱吸收器。

背景技术：

光吸收器是一种用于吸收光的器件，在各类涉及光电转换的系统中有广泛的应用，例如可以提升光功率的探测效率，有效提高太阳能转换效率，消除杂散光等。

常用吸收器的真实吸收率大多低于0.999，鲜少有光吸收腔的吸收率可以达到0.9999。并且大多数吸收腔内壁采用的是氧化发黑的方式，只适用于可见光波段，近红外乃至中红外波段，吸收率会大幅度下降。

一般提升吸收率所采用的方法是采用高吸收率涂层材料、增加腔体深度等方式。其中，高吸收率的涂层难以加工，材料成本高；吸收器的腔体深度增大，会导致整体体积增大，不能适应体积小的设备。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种光谱吸收器，进行多级反射和吸收，增加光程，提升吸收率，结构简单。

根据本发明实施例的光谱吸收器，包括：

壳体，其为柱状结构，包括底壁、顶壁和侧壁；

微结构吸光模块和多个吸光反射镜；

导光管，连接于所述顶壁，并与所述壳体限制出腔体，所述导光管下方设有一个所述吸光反射镜；

多个分隔板，连接所述侧壁和所述导光管，并将所述腔体分隔为多个吸光反射腔和至少一个吸收腔，每个所述吸光反射腔内至少设有两个所述吸光反射镜，所述吸收腔内设有所述微结构吸光模块和所述吸光反射镜；所述导光管下方的所述吸光反射镜、所述吸光反射腔内的所述吸光反射镜与所述吸收腔的所述吸光反射镜之间形成光通路；所述导光管的入射光通过所述光通路进行多级反射吸收后，在所述吸收腔的所述微结构吸光模块表面被吸光并发生漫反射。

根据本发明的一个实施例，所述微结构吸光模块包括底座和多个吸光单元，所述吸光单元连接于所述底座，所述底座连接于所述底壁和/或所述分隔板，多个所述吸光单元阵列排布，所述吸光单元的吸光面与其上入射光形成锐角夹角。

根据本发明的一个实施例，所述吸光面的宽度向远离所述底座方向逐渐缩小并形成尖点。

根据本发明的一个实施例，所述吸光单元的形状为圆锥形，所述吸光单元的高度与底面半径之比大于等于10。

根据本发明的一个实施例，所述分隔板设有四个，所述腔体分隔为三个所述吸光反射腔和一个吸收腔，每个所述吸光反射腔内设有两个所述吸光反射镜，所述吸光反射镜的入射角为45°。

根据本发明的一个实施例，所述吸光反射镜的镜面形状与所述导光管内导光通道在其上的投影形状相对应。

根据本发明的一个实施例，所述吸光反射镜的入射角均为45°，所述导光管内的导光通道截面形状为圆形，所述吸光反射镜的镜面形状为椭圆形。

根据本发明的一个实施例，所述吸光反射镜的镜面为黑色镜面，所述吸光反射镜的反射率小于等于10％。

根据本发明的一个实施例，所述吸光反射镜的镜面材料为混入炭黑的有机玻璃，所述壳体的内壁、所述导光管的壁面以及所述分隔板的壁面涂覆有黑色涂料。

根据本发明的一个实施例，所述微结构吸光模块的表面喷涂有碳纳米管层。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

本发明的实施例，包括壳体、导光管、分隔板和多个吸光反射镜，壳体与导光管之间的腔体分隔为多个吸光反射腔和至少一个吸收腔，每个吸光反射腔内设有至少两个吸光反射镜，导光管下方设有一个吸光反射镜，吸收腔内设有吸光发射镜，腔体内的多个吸光反射镜之间形成光通路，入射光沿导光管下方的吸光发射镜、依次经过吸光反射腔内的吸光反射镜，反射到吸收腔内的吸光反射镜，实现至少六级的吸收和反射，最后，吸收腔内的微结构吸光模块的表面进行吸收和漫反射，光波的吸收效果好，在不改变壳体体积的情况下，可明显增加光程，结构简单，效果好。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的光谱吸收器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的光谱吸收器的透视结构示意图；其中，未显示微结构吸光模块；

图3是本发明实施例提供的光谱吸收器的去除壳体后的内部结构示意图；

图4是图3中a的局部放大结构示意图；

图5是本发明实施例提供的光谱吸收器的斜下方视角的内部结构示意图；

图6是本发明实施例提供的光谱吸收器的吸收腔对应位置的内部结构示意图。

附图标记：

1、壳体；11、顶壁；12、侧壁；13、底壁；2、导光管；3、分隔板；41、第一吸光反射腔；42、第二吸光反射腔；43、第三吸光反射腔；5、吸收腔；6、吸光反射镜；61、一级吸光反射镜；62、二级吸光反射镜；63、三级吸光反射镜；64、四级吸光反射镜；65、五级吸光反射镜；66、六级吸光反射镜；67、七级吸光反射镜；68、八级吸光反射镜；7、微结构吸光模块；71、底座；72、吸光单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

结合图1至图6所示，本发明的一个实施例，提供一种光谱吸收器，包括：壳体1，其为柱状结构，包括底壁13、顶壁11和侧壁12；多个吸光反射镜6；导光管2，连接于顶壁11，并与壳体1限制出封闭的腔体，导光管2下方设有一个吸光反射镜6；多个分隔板3，连接侧壁12和导光管2，并将腔体分隔为多个吸光反射腔和至少一个吸收腔5，每个吸光反射腔内至少设有两个吸光反射镜6，吸收腔5内设有微结构吸光模块7和至少一个吸光反射镜6；导光管2下方的吸光反射镜6、吸光反射腔内的吸光反射镜6与吸收腔5的吸光反射镜6之间形成光通路，导光管2的入射光通过光通路进行多级反射吸收后，在吸收腔5的微结构吸光模块7表面被吸收并发生漫反射。

壳体1可以为圆柱形、棱柱形等多种形状的柱状。导光管2连接于顶壁11，可以理解为一体成型或独立安装，根据需要设置。壳体1套接于导光管2外侧，壳体1与导光管2之间形成封闭的腔体，分隔板3将腔体分隔为多个相互连通的子腔，具体为多个吸光反射腔和至少一个吸收腔5。吸光反射镜6具有吸光和反射功能，吸光反射镜6吸收其入射光波中的部分，其余部分反射到下一级的吸光反射镜6。

其中，分隔板3沿壳体1的高度和/或水平方向延伸，即从顶壁11向底壁13的方向延伸或从导光管2向侧壁12方向延伸。分隔板3沿高度或水平方向延伸，结构简单，也能增加光程，提升光的吸收率。分隔板3延伸方向可以同时包括高度和水平方向延伸，在高度和水平方向均增加光程，进一步提升光的吸收率。

结合图1至图6所示，本实施例以分隔板3沿壳体1的高度延伸为例进行说明。吸收反射腔与吸收腔5为轴向并列且连通的空腔，子腔之间的连通方式为分隔板3与顶壁11或底壁13之间留有预设间距，预设间距的高度与导光管2的入射光的宽度相关，预设间距不小于入射光在吸光反射镜6上的投影宽度，保证光波顺利通过分隔板3进入下一个吸光反射腔。

每个吸光反射腔内至少设有两个吸光反射镜6，可以理解为：当每个吸光反射腔内设有两个吸光反射镜6，每个吸光反射腔内的入射光波经过两次反射吸收后，进入下一个吸光反射腔，起到增加光程的作用，且结构简单；当每个吸光反射腔内设有三个及以上吸光反射镜6，每个吸光反射腔内的入射光经过三次以上的反射吸收后，进入下一个吸光反射腔，进一步增加光程，吸光效果更好。

下面，以隔板沿壳体1的高度方向延伸，每个吸光反射腔内设有两个吸光反射镜6为例，对吸光过程进行具体说明。

参考图5所示，在使用时，入射光通过导光管2进入腔体，即入射光照射在导光管2下方的一级吸光反射镜61，一级吸光反射镜61吸收部分光波，其余的光波被反射到第一吸光反射腔41内的二级吸光反射镜62；二级吸光反射镜62对应于一级吸光反射镜61，即二级吸光反射镜62能够接受一级吸光反射镜61反射的全部光波，二级吸光反射镜62再吸收其入射光波的部分，其余光波被反射到第一吸光反射腔41内的三级吸光反射镜63；三级吸光反射镜63接收二级吸光反射镜62反射的全部光波，三级吸光反射镜63吸收部分光波后，通过分隔板3上方的预设间距将其反射到第二吸光反射腔42内四级吸光反射镜64，实现两个吸光反射腔之间的光传导；四级吸光反射镜64接收三级吸光反射镜63反射的全部光波，进行吸收和反射，依次类推，入射光在多个吸光反射腔内进行多级反射吸收；最后进入吸收腔5，参考图6所示，吸收腔5内的最后一级吸光反射镜接收其相邻的吸光反射腔反射的光波，进行吸收并反射到微结构吸光模块7，微结构吸光模块7表面吸光并发生漫反射，同时具有吸光效果，避免光波完成吸光过程。

本实施例的光谱吸收器，入射光在多个吸光反射腔和至少一个吸收腔5内进行多级反射的过程中被多次吸收，入射光在壳体1内的光程增大；并且微结构吸光模块7的表面积增大，吸光效果好，微结构吸光模块7将光波漫反射，抑制光波反射回导光管2。在不改变壳体1的外形尺寸的基础上，增加了光程，显著的提高了光谱吸收器对光波的吸收率，适用于体积小、精度要求高的精密仪器中，结构简单，成本低。

下面提供微结构吸光模块7的实施例。

在另一个实施例中，微结构吸光模块7包括底座71和多个吸光单元72，吸光单元72连接于底座71，底座71连接于底壁13和/或分隔板3，多个吸光单元72阵列排布，吸光单元72的吸光面与其上入射光形成锐角夹角。

吸光单元72与底座71形成整体式结构，方便微结构吸光模块7安装，并且还可以通过调整底座71的安装角度，而调节吸光单元72的角度，进而适应不同角度的入射光。多个吸光单元72在底座71上阵列分布，相邻吸光单元72的间距尽量小，尽量增加吸光单元72的数量，散射效果好，有助于光线向多方向散射，进而被各个方向的壁面吸收。同时，吸光单元72也具有吸光功能，吸光单元72数量多、整体面积增大，提升吸光率。

其中，底座71可以连接在底壁13或分隔板3上进行固定；还可以将底座71的两侧连接于分隔板3，底部连接于底壁13。

进一步的，底座71与底壁13形成夹角，其夹角可以与各个吸光反射镜6的入射角相同，每个吸光单元72垂直于所述底座71向吸收腔5的斜上方延伸，有助于接收并散射光波。当吸光反射镜6的入射角为45°，底座71与底壁13的夹角为45°，结构简单，方便定位和安装。

进一步的，导光管2和分隔板3上也连接有吸光单元72，更加充分吸收光波，提升吸光率。导光管2和分隔板3上的吸光单元72，按照底座71上吸光单元72的阵列规律排布。

更进一步的，吸光单元72的吸光面的宽度向远离底座71方向逐渐缩小并形成尖点。

吸光面可以为平面或曲面，吸光面的投影形状为扇形或三角形，吸光面的端部形成尖点，以降低吸光面顶端的反射率。优选的，吸光面为曲面，有助于降低反射率。

一个具体实施例，吸光单元72的形状为圆锥形，吸光单元72的高度与底面半径之比大于等于10。圆锥形的壁面为曲面，且其端部形成尖点，其高度与底面半径之比尽量大，有助于减低反射率。

一个实例，吸光单元72的半径为1mm，其高度为10mm。

其中，当吸光单元72为其他形状时，如棱锥、不规则形状等，吸光单元72的宽高比尽可能大，有助于吸收光波，抑制光波反射。

需要说明的是，当吸光单元72与侧壁之间的间距小于预设的吸光单元72高度，此时，可以将吸光单元72加工为与其他吸光单元72不等高且具有尖点的结构，还可以参照图6所示，吸光单元基础尺寸不变，去除其与侧壁产生干涉的部分，满足安装要求。

在另一个实施例中，微结构吸光模块7的表面喷涂有碳纳米管层，以增加微结构吸光模块7对光的吸收。

下面提供吸光反射腔的分布方式的实施例。

在另一个实施例中，分隔板3设有四个，腔体分隔为三个吸光反射腔和一个吸收腔5，每个吸光反射腔内设有两个吸光反射镜6，形成四象限等分的光吸收腔，入射光经过八次吸收和折射，光程明显增长。其中，吸光反射镜6的入射角为45°，光波的反射路径为水平和竖直，方便隔板安装，也简化结构，实现了有限空间的高效利用。

具体的，壳体1与导光管2形成双层同心圆柱腔，导光管2的半径与顶壁11开口半径一致并紧密配合，避免透光。

吸光反射腔分为：第一吸光反射腔41、第二吸光反射腔42和第三吸光反射腔43，第一吸光反射腔41内设置连接于底壁的二级吸光反射镜62和连接于顶壁的三级吸光反射镜63，第二吸光反射腔42内设置连接于顶壁的四级吸光反射镜64和连接于底壁的五级吸光反射镜65，第三吸光反射腔43内设置连接于底壁的六级吸光反射镜66和连接于顶壁的七级吸光反射镜67，底壁13上连接一级吸光反射镜61，吸收腔5对应的顶壁11上连接八级吸光反射镜68。

入射光从壳体1的顶壁11通入导光管2，入射到一级吸光反射镜61，一级吸光反射镜61的反射光进入第一吸光反射腔41的二级吸光反射镜62，二级吸光反射镜62的反射光进入三级吸光反射镜63，三级吸光反射镜63的反射光进入第二吸光反射腔42的四级吸光反射镜64，四级吸光反射镜64的反射光进入五级吸光反射镜65，五级吸光反射镜65的反射光进入第三吸光反射腔43的六级吸光反射镜66，六级吸光反射镜66的反射光进入七级吸光反射镜67，七级吸光反射镜67的反射光进入吸收腔5的八级吸光反射镜68，经过八次吸光和八次反射，然后进入微结构吸光模块7，在微结构吸光模块7表面吸光并发生漫反射。

在另一个实施例中，与上述实施例的区别在于，吸光反射镜6的入射角为30°、60°或其他角度，可根据实际需要设计，可增加光程，实现多级吸收和反射即可。

下面提供吸光反射镜6的实施例。

吸光反射镜6包括镜面和基座，镜面通过基座固定于顶壁11、底壁13、侧壁12或导光管2的外壁上。优选的，基座固定于顶壁11或底壁13上。其中，图中表示的吸光反射镜6为其基座的位置。多个吸光反射镜6的结构相同，可以相互置换，便于配件。

在另一个实施例中，吸光反射镜6的镜面形状与导光管2内导光通道在其上的投影形状相对应，保证每级吸光发射镜均准确、全面接收上一级反射的光波，并且节省镜面的面积，缩减成本。

在另一个实施例中，吸光反射镜6的入射角均为45°，导光管2内的导光通道截面形状为圆形，吸光反射镜6的镜面形状为椭圆形。导光通道截面形状为圆形，即入射光的入射形状为圆形，其在45°斜面上的投影形状为椭圆形，当吸光反射镜6的入射角为45°，即吸光发射镜与底壁13或顶壁11形成45°夹角，吸光反射镜6的镜面形状设为椭圆形，能够准确、全面接收入射光，且充分利用镜面面积，避免镜面浪费。

在另一个实施例中，吸光反射镜6的镜面为黑色镜面，吸光反射镜6的反射率小于等于10％。黑色镜面的吸光效果好，也就是，吸光反射镜的吸光率大于等于90％，吸光效果好，进行三次吸收，即能达到99.9％的吸光率。当光谱吸收器具有上述实施例的八个吸光反射镜6，其吸收率达到99.999999％。

在另一个实施例中，吸光反射镜6的镜面材料为混入炭黑的有机玻璃，其中，有机玻璃为低折射率，使镜面的反射率小于等于10％，混入炭黑的有机玻璃适于宽光谱范围的吸光，实现了宽光谱范围上的超黑光吸收腔5。其中，宽光谱可以理解为波长范围在250nm-100um的波段。

在另一个实施例中，吸光反射镜6的材料为黑玻璃，黑玻璃等反射镜适于可见光，黑玻璃在中、红外波段反射比较高，吸光效果不佳。

需要说明的是，吸光反射镜6的材料可以根据需要吸收光波的波段范围进行调整，有针对性进行光波吸收，提升吸光效果。

在另一个实施例中，壳体1的内壁、导光管2的壁面以及分隔板3的壁面涂覆有黑色涂料。黑色涂料的吸光率要尽量高，以提升吸光效果。黑色涂料选用漫射黑漆，具体可以为nextel-velvet-coating811-21，辅助吸收各个空腔内的光波。

需要说明的是，腔体内部除镜面部分应全部涂覆有高吸收率的黑色涂料。

上述实施例，在不改变外形尺寸的基础上，增加了光程，显著的提高了腔体吸收率，可以实现在宽光谱范围内的超黑光吸收腔，且实现宽光谱的高吸收率。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。