一种基于金属基平面纳尖簇电极的电调透光率薄膜技术领域
本发明属于光学薄膜及光学精密测量与控制技术领域，更具体地，涉
及一种基于金属基平面纳尖簇电极的电调透光率薄膜。
背景技术
光波在薄膜介质界面处被反射和折射，光能以特定比率分别沿波束的
反射和折射方向输运，基于能量守恒调控光透过率意味着需要调变折射和
反射波束的能流比率。通常情况下，参与反射和折射的膜介质主要涉及界
面附近厚度在几至几十个纳米范围内的原子、分子或其团簇的光场电激励
振荡与电磁再发射。一般而言，根据不同的物质结构形态，参与电激励振
荡与电磁再发射的微纳电子学结构，主要包括以下形式：(一)存在自发
极化的介电材料其固有偶极子在光场中产生偏摆式受迫振荡以及相应的受
迫电磁发射；(二)介电材料受光场驱动产生振荡式极化，有时也附加振
荡极化子随光场的偏摆振荡响应以及所产生的电磁再发射；(三)包括锗
硅等的半导体材料以及其它一些可呈现半导性的特殊材料如典型的金属氧
化物、石墨烯、纳米碳管以及巴基球等，在光场驱动下产生浓度相对较低
的导带电子或价带空穴等局域载流子的振荡性响应以及相应的光频电磁再
发射；(四)存在大量自由电子的金属包括金属性的石墨烯和纳米碳管等
在光场驱动下，在其表面激励出显著的电子受迫振荡甚至共振性的表面等
离激元以及相应的较强电磁再发射。特定方向上的反射和折射波束，由膜
界面附近数量巨大的微纳电子学结构其光激励性电磁辐射叠加而成。因此，
物质的结构属性决定了膜界面处的反射和折射光能量输运强度。迄今为止，
基于上述物理机制的薄膜控光技术，主要沿着控制薄膜内参与光场电激励
的微纳功能结构其电子学极化响应这一路线前进，典型方式有：(一)通
过电致、磁致、声致、热致或光致物理化学效应实现微纳功能结构其电子
学极化行为的受控调变；(二)基于铁电、铁磁或热相变效应实现微纳功
能结构其电子学极化态的梯度型或反转式改变等。
目前，在应用驱动下正在发展功能日渐增多、指标逐步增强、成本逐
渐走低的薄膜型可调变光透过率的技术手段。主要功能需求归纳起来有：
具备在较大范围内快速调光，适用于较宽谱域，光学透过参数稳定性好，
环境和波束适应能力强等。现有的薄膜控光技术在满足上述需求方面能力
明显不足，主要问题归结起来有：(一)薄膜材料自身仅具备相对有限的
微纳电子学极化效能从而呈现对传输光场的有限电激励振荡响应；(二)
驱控薄膜实现光学稳态转换的过渡期较长，响应仍显迟缓，电子学极化参
数涨落影响光学(波谱、强度及偏振)稳定性；(三)基于光学介电材料的
控光薄膜，因绝大多数光学材料其介电响应的可变动范围有限，光强可调
变区域相对狭窄，存在明显的强光饱和以及较高的弱光阈值；(四)基于电
极化态热驱动调变的介电材料由于热惯性，其光学稳态间的调变相对缓慢，
存在环境依赖性，结构声子以及光热效应会引发较明显的无规热起伏等影
响；(五)基于微纳电子学结构其梯度型或反转式电极化响应的控光操作，
其实质是执行开关式的光波通断操作，呈现典型的二值窗口效应。总之，
发展适用于快速、宽带、偏振不敏感、光强变动范围大、控光阈值在强弱
两个方向上可被显著延伸、驱控灵活的薄膜调光架构，是目前发展控光薄
膜技术的热点和难点问题，迫切需要新的突破。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于金属基
平面纳尖簇电极的电调透光率薄膜，其可对宽谱入射波束的光透过率执行
电控调变，具有偏振不敏感、驱控灵活、控光范围大以及调光响应快的特
点。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于金属基平
面纳尖簇电极的电调透光率薄膜，包括一对保护膜、平面阳极、金属基平
面纳尖簇阴极、一对基膜以及电隔离膜，顶部保护膜和底部保护膜分别设
置在电调透射光薄膜的顶部和底部，上部基膜和下部基膜分别设置在顶部
保护膜的下方和底部保护膜的上方，并分别设置在平面阳极和金属基平面
纳尖簇阴极的光入射面和光出射面上，平面阳极设置在上部基膜的表面，
并由透光的纳米厚度材料制成，金属基平面纳尖簇阴极设置在下部基膜的
表面，并由基于高密度排布的金属平面微纳线尖簇构成，电隔离膜填充在
平面阳极和金属基平面纳尖簇阴极间；金属基平面纳尖簇阴极上的纳尖簇
线以交错的方式呈锯齿状均匀排布。
优选地，在电调透射光薄膜的平面阳极的光入射面的边缘处设置有第
一电引线微焊区，用于接入一根金属电引线。
优选地，在平面阳极上还设置有一个阳极指示符，用于指出阳极端位
置。
优选地，在金属基平面纳尖簇阴极的光出射面上与第一电引线微焊区
对应的边缘处，设置有第二电引线微焊区，用于接入另一根金属电引线。
优选地，金属基平面纳尖簇阴极上的纳线尖簇被高密度均匀排布，纳
线尖簇与平面阳极相向配置，其间距在纳米尺度。
优选地，构成金属基平面纳尖簇的纳尖簇线为直线型，且彼此平行设
置，且所有纳尖簇线电连接。
优选地，构成金属基平面纳尖簇的纳尖簇线为矩形，从内到外平行嵌
套设置，且相邻的纳尖簇线彼此电连接。
优选地，构成金属基平面纳尖簇的纳尖簇线为圆环形，从内到外呈环
形嵌套设置，且相邻的纳尖簇线彼此电连接。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够
取得下列有益效果：
1、通过将纳尖簇线密集排布所构成的图案化阳极与同材质平面阴极实
现纳间距耦合构成可电调光透过率的控光薄膜；
2、通过在薄膜上加载可灵活调变信号幅度、频率和占空比的时序电压
信号，实现入射光其透射能量的的电调节，具有控制特性好的特点；
3、通过在图案化阳极与平面阴极间形成弯曲锐化且形态可调的阵列化
微空间电场，调控阴极/阳极上的阵列化电子分布密度及其分布形态，具有
光学态可快速稳定调变以及环境影响低的特点；
4、具有易于耦合在其它功能性光学、光电及电子学结构上的特点；
5、本发明通过控制阴极/阳极电子的阵列化分布密度来控制光波的透
射传输，适用于宽谱、较强功率和任意偏振态波束并具有快速调光等特点。
附图说明
图1是本发明基于金属基平面纳尖簇电极的电调透光率薄膜主要呈现
阳极端的结构示意图；
图2是本发明基于金属基平面纳尖簇电极的电调透光率薄膜主要呈现
阴极端的结构示意图；
图3是本发明基于金属基平面纳尖簇电极的电调透光率薄膜的剖面结
构示意图；
图4是本发明基于金属基平面纳尖簇电极的电调透光率薄膜的电极形
态及其配置示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-第一电引线微焊区，2-图案化阳极，3-阳极指示符，4-电调透光率
薄膜；5-第二电引线微焊区，6-平面阴极，7-顶部保护膜，8-上部基膜，
9-电隔离膜，10-底部保护膜，11-下部基膜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图
及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体
实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的
本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可
以相互组合。
图3是本发明基于金属基平面纳尖簇电极的电调透光率薄膜的剖面结
构示意图。如图所示，电调透射光薄膜包括一对保护膜7和10、平面阳极
2、金属基平面纳尖簇阴极6、一对基膜8和11以及电隔离膜9。
顶部保护膜7和底部保护膜10分别设置在电调透射光薄膜4的顶部和
底部。
上部基膜8和下部基膜11分别设置在顶部保护膜7的下方和底部保护
膜10的上方，并分别设置在平面阳极2和金属基平面纳尖簇阴极6的光入
射面和光出射面上。
平面阳极2设置在上部基膜8的表面，并由透光的纳米厚度材料(如
典型的ITO材料)制成。
金属基平面纳尖簇阴极6设置在下部基膜11的表面，并由基于纳米尺
度间隔的高密度排布纳尖构成。
电隔离膜9填充在平面阳极2和金属基平面纳尖簇阴极6间，且具有
纳米厚度，该电隔离膜9既起到使平面阳极2和金属基平面纳尖簇阴极6
间保持适当间隔，同时又起到电隔离平面阳极2和金属基平面纳尖簇阴极6
的作用。
图1是本发明基于金属基平面纳尖簇电极的电调透光率薄膜主要呈现
阳极端的结构示意图，图2是本发明基于金属基平面纳尖簇电极的电调透
光率薄膜主要呈现阴极端的结构示意图。如图所示，在电调透光率薄膜的
图案化阳极端的边缘处设置有一个电引线微焊区1，用以接入一根金属电引
线，同时还设置有一个阳极指示符3，用以指示阳极/阴极加电端面位置；
在金属基平面纳尖簇阴极6的光出射面上与第一电引线微焊区1对应的边
缘处，同样设置有第二电引线微焊区5，用以接入另一根金属电引线。
在加电态下，时序电压信号V被加载在图案化阳极与平面阴极上，从
而在阳极/阴极和阴极/阳极间激励出具有纳米结构尺度且电场强度与场锐
化程度可调变的阵列化纳电场，见图示的从阳极/阴极到阴极/阳极的微发
散锐化电场情形；信号正端加载在由金属平面纳尖簇线构成的电极上，则
该电极为阳极，信号负端加载则为阴极，平面金属纳膜电极的加电情形与
此类似；分布在阴极/阳极表面的局域电场E由垂直阴极/阳极表面的局域
电场E垂和平行阴极/阳极表面的局域电场E面构成，满足E＝E面+E垂关系，
包括图案化电极为阳极时的E1以及为阴极时的E2等典型情形；阳极/阴极中
的各纳尖顶与阴极/阳极间形成向阴极/阳极表面弯曲且以锐化表征的局部
电场；平面阴极上可自由移动的电子被阴极/阳极表面所激励的阵列化纳电
场驱动，向各纳电场中电场强度最大部位聚集，阴极/阳极上有稠密自由电
子分布的部位其透光率将显著降低，缺少自由电子的部位其透光率则将明
显增强；由于纳尖簇线在阳极/阴极上的填充系数被控制在90％(经验参数)
以上，与平面阴极耦合后将在阴极/阳极表面形成接近100％的电场覆盖区，
从而将不受控制的漏光减到最小。薄膜的透光率由综合各微纳区光透过情
况后的平均效果统计得出；在断电态下，阳极/阴极与阴极/阳极上的电子
分布密度大致相同，在由金属平面纳尖簇线构成的电极中，可自由运动的
电子在纳尖顶的分布密度略高于其它部位；通过调变加载在阴阳电极间的
信号电压，相应于调变阴极/阳极上的阵列化电子分布密度及其分布形态，
对入射光波执行电调透过率操作；通过调变所加载的时序电压信号的频率
或占空比，控制调变光透过率的时间。
图4是本发明基于金属基平面纳尖簇电极的电调透光率薄膜的电极形
态及其配置示意图。如图所示，金属基平面纳尖簇阴极上的纳尖簇线以交
错的方式呈锯齿状均匀排布，纳尖簇线阵与平面阳极相向配置，阴阳电极
间距通过控制所制作的基膜/光学介质层的厚度被精确限定在纳米尺度。
在图4中，构成金属基平面纳尖簇的纳尖簇线可为直线型，且彼此平
行设置，且所有纳尖簇线电连接。
在图4中，构成金属基平面纳尖簇的纳尖簇线也可为矩形，从内到外
平行嵌套设置，且相邻的纳尖簇线彼此电连接。
在图4中，构成金属基平面纳尖簇的纳尖簇线也可为圆环形，从内到
外呈环形嵌套设置，且相邻的纳尖簇线彼此电连接。
下面结合图1至4说明本发明实施例基于平面纳尖阵电极电调光透过
率薄膜的工作过程。首先将一根金属电引线压焊在薄膜的图案化阳极的电
引线微焊区上，将另一根金属电引线同样压焊在薄膜的平面阴极/阴极的电
引线微焊区上。将具有特定幅度、频率和占空比的时序电压信号通过两根
金属电引线加载在调光薄膜上，其中的正电端/负电端加载在图案化阳极上，
负电端/正电端加载在平面阴极上，随着信号电压的有效加载和参数调变，
调光薄膜将逐次呈现所限定的透光率；通过调节电压信号的频率或占空比，
调节薄膜的有效调光工作时间。基于薄膜的电驱控分布响应及电激励振荡
电磁再发射机理，光波既可以从薄膜的阳极端入射也可以从阴极端入射，
均具有相同的调光效果。
本发明基于金属基平面纳尖簇电极的电调透光率薄膜，采用可调幅及
调变信号占空比的时序电压信号控制薄膜的透光率，具有偏振不敏感、驱
控灵活、调光响应快以及调光范围大等特点。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，
并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等
同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。