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。

VO2膜作为相变温度最接近室温的热致相变材料,相变前透过率高,探测器可正常工作,吸收来袭激光能量相变后透过率低,起到保护探测器作用,可用在激光防护领域。膜层厚度对透过率有很大影响,采用吸收膜的特征矩阵方法加以分析,通过VO2膜的折射率及消光系数等光学参数,计算出薄膜相变前后透过率。按照符合透过率相变前75%,相变后5%的薄膜,计算出厚度,结合对溅射产额和溅射速率的计算,可得到制备时间。在硒化锌基片上制备了VO2膜,用红外分光光度计测量出相变前后透过率为79.2%和12.3%。样品经轮廓仪测量得到的厚度与计算得到的厚度基本相符。