用泵浦探针法实验研究了红外激光辐照二氧化钒薄膜的相变特性.首先利用氧源-分子束外延法制备了薄膜厚度分别为20 nm、40 nm、60 nm的三组VO2单晶外延薄膜, 并且以10.6 μm的CO2连续激光作为泵浦光, 分别以1 064 nm和3 459 nm的纳秒脉冲激光作为探针光, 对这三组薄膜分别进行了辐照实验.实验发现三组薄膜相变后对1 064 nm探针光的透过率降低量平均值分别为5.26%、6.2%、8.92%, 反射率降低量分别为3.09%、6.56%、4.93%; 对3 459 nm探针光透过率降低量平均值分别为28.4%、47.78%、55.13%, 反射率升高量平均值分别为6.65%、17.87%、7.49%.结果表明: 利用分子束外延法制备的纳米级VO2薄膜相变前后对入射激光为镜面反射; 薄膜对3 459 nm探针光的相变特性比对1 064 nm探针光相变特性显著; 薄膜厚度的增加会降低相变前透过率, 但是对相变后透过率降低更为明显; 薄膜对10.6 μm CO2连续激光相变前后始终保持几乎不透.研究结果可为薄膜的应用提供参考.

为了探究VO2薄膜受激光辐照的温度场分布, 以及1 064 nm激光直接辐照100 s内至相变的激光功率密度阈值, 并比较近红外和中红外波段透过率调制特性差异。首先基于COMSOL建立了薄膜受激光辐照的模型并进行了温度场仿真, 然后分别测试了薄膜正反面被不同功率密度的1 064 nm激光辐照100 s内激光透过率随时间响应特性。实验中的VO2薄膜利用分子束外延法在Al2O3基底上制备得到。仿真结果表明, 激光功率密度为25 W瘙
簚mm-2时,50 nm厚薄膜在被辐照1 ms时间内即达到相变温度。经激光辐照实验发现: 50 nm厚的VO2薄膜正反面受1 064 nm激光直接辐照100 s内至相变的功率密度阈值分别为4.1 W瘙
簚mm-2和5.39 W瘙
簚mm-2。30 nm厚VO2薄膜对1 064 nmn激光的透过率调制深度约为13%, 对3 459 nm激光透过率调制深度约62%, 说明VO2薄膜对近红外透过率调制特性不明显。

为了探究在脉冲激光辐照VO2薄膜过程中, 影响薄膜相变响应时间的因素, 基于COMSOL对辐照过程进行仿真计算.建立辐照VO2薄膜的物理模型, 并设置模型的边界条件, 利用红外脉冲激光辐照三组通过分子束外延法制备的VO2薄膜, 间接得到了薄膜平均吸收率, 并将吸收率实验数据带入计算模型中.在仿真计算中, 考虑了激光的功率密度.薄膜基底厚度和薄膜初始温度等因素对仿真结果的影响.实验结果表明：增大激光功率密度和初始温度.减小基底厚度均可缩短薄膜辐照中心相变时间, 并且相变时间和激光功率密度呈指数衰减趋势.5 000 W/mm2的激光辐照基底厚度分别为0.15 mm、0.3 mm、0.5 mm的三组VO2薄膜, 达到相变的时间分别为157 ns、250 ns、455 ns, 相变时间随薄膜初始温度升高线性减小.在入射激光功率不明确时, 可以通过给VO2薄膜施加一个接近相变点的偏置温度,适当控制薄膜基底厚度等来缩短相变时间, 这对VO2薄膜防护激光干扰中相变响应时间的相关研究具有一定的借鉴意义.

为了给VO2薄膜在定向红外对抗系统防护方面的应用提供理论依据, 我们用透过率调制深度表征VO2薄膜在中红外波段的相变特性。本实验利用分子束外延法(MBE)制备VO2外延单晶薄膜, 经XRD、AFM表征, 发现其具有(020)择优取向、纯度较高, 薄膜表面平整、均匀且致密。经VU-Vis-IR测量发现其近红外透过率相变特性显著, 但在紫外和可见光范围内透过率相变特性较不明显。然后我们对制备时间为30 min、40 min的两组薄膜分别进行25~70 ℃的升温和降温实验, 观察其对波长为3 459 nm、脉宽50 ns、重频50 kHz、功率密度0.14 W/cm2的中红外激光的透过率变化, 并比较两组薄膜的温滞曲线特性。实验发现它们对中红外透过率的调制深度均可达60%以上, 前者比后者对中红外的调制深度高出约4%。这说明利用分子束外延法制备的VO2单晶薄膜具有良好的中红外调制特性, 且调制深度和膜厚有关。进一步表明了利用VO2薄膜实现中红外激光防护具有一定的可行性。

为实现对 VO2薄膜光学常数的测量，本文在全光谱拟合法的基础上，首先利用导纳矩阵法推导出透射率 T与薄膜厚度 d、折射率 n以及消光系数 k的函数关系，然后利用单纯形法得到其优化函数。最后采用 Matlab编程方法对低温态、高温态 VO2薄膜的红外透射率进行了全光谱拟合，得到折射率和消光系数等 VO2薄膜光学常数的拟合曲线。结果表明：拟合曲线与已有研究结果及实测曲线基本吻合。采用全光谱拟合方法得到的光学常数能较准确的对 VO2薄膜进行描述，为最佳膜厚设计提供了依据。此外，为更简便地描述 VO2薄膜的光学常数，本文还引入了 Cauchy色散模型方程，对全光谱拟合方法得到的中远红外波段(2.5～15 μm)的光学常数结果进行了拟合。

采用双离子束溅射氧化钒薄膜附加热处理的方式制备了纳米二氧化钒薄膜。 在热驱动方式下, 分别利用四探针测试技术和傅里叶变换红外光谱技术对纳米二氧化钒薄膜的电学与光学半导体-金属相变特性进行了测试与分析。 实验结果表明, 电学相变特性与光学相变特性之间存在明显的偏差, 电学相变温度为63 ℃, 高于光学相变温度, 60 ℃; 电学相变持续的温度宽度较光学相变持续温度宽度宽; 在红外光波段, 随着波长的增加, 纳米二氧化钒薄膜的光学相变温度逐渐增大, 由半导体相向金属相转变的初始温度逐渐升高, 相变持续的温度宽度变窄。 在红外光波段, 纳米二氧化钒薄膜的光学相变特性可以通过光波波长进行调控, 电学相变特性更适合表征纳米VO2薄膜的半导体-金属相变特性