为实现对军用激光测距机雪崩二极管的有效防护, 通过实验的方法测试了VO2薄膜在1064 nm激光辐照下的基本性质, 得出了其相变前后透过率与膜厚的关系以及不同厚度VO2薄膜对C30950E雪崩二极管最低饱和入射激光阈值的影响, 并给出了拟合公式。实验结果表明,随着膜厚的增加,雪崩二极管的最低饱和入射激光阈值逐渐提高;膜厚为200 nm的VO2薄膜可将雪崩二极管的最低饱和入射激光阈值由5×10-6 W提高到 1.2×10-5 W。由于目前国内针对军用激光测距机雪崩二极管激光防护开展的研究还较少, 且大多局限在理论层面、缺乏实验数据支撑, 因此本文提供的数据和拟合公式不仅可以进一步验证将VO2薄膜用于军用激光测距机雪崩二极管防护的可行性, 而且为进一步开展各型激光测距装备雪崩二极管防护研究提供了数据参考。

通过硅基微结构与二氧化钒(VO2)相变薄膜相结合，设计并实现了一种电控太赫兹幅度调制器件。该调制器具有很高的太赫兹波透射率与极低的器件插损，同时具有大的工作带宽和调制深度。仿真和实验测试结果表明，该调制器对太赫兹波的增透响应带宽为0.25~0.95 THz波段。在0.4~0.85 THz频段内(约450 GHz宽带)的透射率超过80%，相较于硅衬底的透射率增加了10%以上，且透射率最高可达85%。对该器件电调控后，调制深度可达76%以上，器件透射率变化幅度可达65%。因低插损、大调制幅度以及宽工作带宽，该太赫兹调制器在太赫兹成像和通信系统中具有重要的应用价值。

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。

为研究纳秒激光作用下的VO2薄膜的相变特性, 采用泵浦-探测技术进行实验。首先, 利用直流磁控溅射法制备VO2薄膜, 经X射线衍射(XRD)和原子力显微镜(AFM)分析表明样品质量较高。然后, 测量VO2薄膜在波长532 nm处的透过率随温度的变化情况, 发现透过率随温度升高由32%上升到37%, 与红外波段完全相反。在此基础上, 选择1 064 nm泵浦光和532 nm探测光研究激光参数中能量密度和重频对VO2薄膜相变特性的影响, 同时结合ANSYS有限元软件对纳秒激光作用下VO2薄膜的单脉冲温升情况进行分析。结果表明: VO2薄膜在大于30 mJ/cm2的纳秒激光能量密度作用下, 单脉冲温升可达相变温度, 最小相变响应时间在14 ns左右。进一步提高纳秒激光能量密度, 其相变响应时间略有增加但变化不大。在100 Hz以内改变纳秒激光重频对VO2薄膜的相变响应基本无影响。VO2薄膜的相变恢复时间随着纳秒激光能量密度的增大而呈自然指数增加, 其变化过程与基底材料和纳秒激光参数密切相关。因此, 可以通过优化VO2薄膜基底材料参数提高其激光防护效果。

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。

钒的氧化物具有对温度敏感的半导体-金属可逆相变特性.在多种钒氧化合物中,VO2的相变温度点约为68℃,适用于很多应用领域.VO2长期暴露在空气中时,会被氧化.研究了通过制备VO2/Al2O3复合膜系来保持氧化钒薄膜的稳定性的方法.采用TFCalc薄膜设计软件,设计了VO2/Al2O3复合膜系.依据材料的折射率和消光系数,优化了膜系各膜层的厚度,分析了复合膜系的相变特性.采用磁控溅射方式制备了氧化钒薄膜,再通过氧氩混合气氛热处理得到VO2占主要成分的氧化钒薄膜.在氧化钒薄膜上采用射频磁控溅射方法封装了120nm厚的Al2O3膜.利用分光光度计测量分析了膜系的相变特性,Al2O3膜对VO2膜的相变性能影响很小.Al2O3膜适于VO2薄膜的封装.

二氧化钒（VO2 ）薄膜由于具有优异的热致变色性能已成为激光防护材料领域的研究热点。本文综述了国内外VO2 薄膜的研究进展，对VO2 薄膜的主要制备方法、用于红外激光防护的原理及防护波段进行了探讨， 并总结了用VO2 薄膜实现激光防护所面临的问题。