1 苏州大学光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
2 江苏省先进光学制造技术重点实验室暨教育部现代光学技术重点实验室，江苏 苏州 215006
3 浙江大学信息与电子工程学院，浙江 杭州 310027
自适应温度调控器件以其智能开关特性而逐渐成为研究焦点，但是一方面其特殊的光谱要求使得器件设计过程复杂且周期冗长，另一方面器件热控性能亟待提高以满足更加严苛的应用场景。针对以上问题，提出一种深度生成神经网络模型来执行上述复杂的优化任务，该网络模型的更新不依赖于数据集，而是将生成神经网络与传输矩阵方法（TMM）相结合，通过TMM返回的梯度信息指导产生符合预期的多层膜结构，并自动优化膜层厚度和材料种类。作为网络优化能力的验证和演示，本课题组使用该方法设计了一种基于二氧化钒的自适应热控器件，实现了高温太阳吸收比低于0.2、高温发射率高于0.9、发射率差值大于0.8的优异性能。与传统的优化算法相比，生成神经网络以高自由度和更快的速度寻找最优解，与普通神经网络相比，全局优化网络考虑整体的优化目标，通过全局搜索寻找全局最优解，设计结果也证明了该方法在复杂设计任务中的实用性。
薄膜 多层膜 神经网络 自适应温度调控 二氧化钒
1 南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院，江苏 南京 210023
2 南京邮电大学贝尔英才学院，江苏 南京 210023
3 天津大学精密仪器与光电子工程学院教育部光电信息技术重点实验室，天津 300072
依据Pancharatnam-Berry（PB）相位原理提出了一种可切换频段的太赫兹编码超表面，其顶层是金属-二氧化钒（VO2）复合结构层，中间是聚酰亚胺介质层，底部为纯金属反射层。编码超表面单元按不同的编码序列排列构成的编码超表面，可以产生多种太赫兹波束形式，并且随着VO2的相变，可以在不改变原波束形式的情况下实现从单频段到双频段的切换功能。通过设计不同的编码序列，令编码超表面分别产生了涡旋波和散射波，对于垂直入射的右旋圆极化波（左旋圆极化波类似）：当VO2处于绝缘态时，在频段1.17~1.37 THz处可以产生与编码序列所对应的波束形式；当VO2相变为金属态时，在0.87~0.92 THz和1.4~1.6 THz两个不同频段处分别获得与VO2处于绝缘态时相同的波束形式，进一步拓宽波束产生的频段。所提出的编码超表面利用了VO2的相变特性增加了太赫兹工作的频段，为实现频段可切换的太赫兹编码超表面提供了思路，在太赫兹波束调控中的调频方面有一定参考意义。
光学器件 太赫兹 编码超表面 二氧化钒 可切换 频段
设计了一种基于二氧化钒和狄拉克半金属的滤波/传感太赫兹超表面。该超表面由基于狄拉克半金属的镜面对称双开口环以及具有矩形孔的二氧化钒薄膜构成。通过调控超表面中二氧化钒的电导率，可以实现传感器/滤波器两种功能的切换。结果显示：当二氧化钒处于绝缘态时，超表面工作在传感器模式，此时，增大样品厚度及样品与传感器的距离均可增大传感器的灵敏度；当二氧化钒处于金属态时，超表面工作在滤波器模式，滤波器在中心频率处的插入损耗为1.3 dB，回波损耗为12.7 dB。这种具有多功能的超表面在太赫兹传感器和滤波器等方面具有较高的应用价值。
光学器件 太赫兹 超表面 多功能 狄拉克半金属 二氧化钒
江西师范大学物理与通信电子学院, 江西南昌 330224
提出一种基于二氧化钒 (VO2)超材料的吸收器, 由 3层结构组成, 从上往下分别为 2个 VO2圆、中间介质层和金属底板。仿真数据表明, 该吸收器有 2个很强的吸收峰, 分别为 4.96 THz和 5.64 THz, 相对应的吸收率为 99.1%和 98.5%。利用阻抗匹配理论和电场分布进行分析, 阐明了吸收的物理机制, 并进一步分析了结构参数对吸收率的影响。所提出的吸收器具有可调谐的特点, 能够灵活调控吸收率, 为太赫兹波的调控、滤波等功能的实现提供了良好的方案。该吸收器在图像处理、生物探测和无线通信领域都有潜在的应用。
太赫兹 超材料 二氧化钒 吸收器 THz metamaterial vanadium dioxide absorber 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(12): 1410
1 南京大学电子科学与工程学院，超导电子学研究所，江苏 南京 210023
2 紫金山实验室，江苏 南京 211111
提出了一种在超表面中嵌入二氧化钒（VO2）从而对太赫兹波进行动态调控的方法。VO2在68 ℃左右会发生绝缘体到金属的相变，导致其电导率发生4~5个数量级的显著变化。超表面由一个双开口金属谐振环阵列以及金属环开口处嵌入的VO2结构组成。仿真结果表明，通过改变VO2的电导率，太赫兹波可以实现高频与低频之间的谐振模式的切换。值得注意的是，这种模式转换不仅可以在实验中通过直接改变环境温度实现，还可以通过激光和强场太赫兹的泵浦完成。这种多样化的激励为该超表面在实际多场景应用中动态调控太赫兹波提供了参考。
光电子学 太赫兹 超材料与超表面 二氧化钒 激光泵浦 强场太赫兹 中国激光
2023, 50(17): 1714015
Author Affiliations
Abstract
Friedrich Schiller University Jena, Institute of Applied Physics, Albert-Einstein-Str. 15, 07745 Jena, Germany
Vanadium dioxide (VO2) has promising applications in smart windows and active micro-optical devices due to its thermochromic properties. However, the successful fabrication and patterning of VO2 thin films with the correct stoichiometry and phase are challenging. In this study, we investigated lithographically patterned and non-patterned VO2 thin films fabricated by reactive ion beam deposition, using variable angle spectroscopic ellipsometry, Raman spectroscopy, and transmission and reflection measurements. The results show that the refractive index and extinction coefficient exhibit significant changes for near-infrared wavelengths when heated above 68 °C, confirming its thermochromic properties. The Raman spectroscopy results indicate the formation of the monoclinic phase VO2(M) after annealing, which was not changed by reactive ion etching. Lithographically structured VO2-layers were successfully realized demonstrating the potential of VO2 as a material for active micro-optical devices, such as guided mode resonance filters with switchable reflectance. The results suggest that VO2 has great potential as a promising material for actively switched optical elements and micro-optical devices.
Vanadium dioxide Guided mode resonance Phase change material Lithography Switching VO2 Spectroscopy Reflectivity Reactive ion beam deposition Micro optics Journal of the European Optical Society-Rapid Publications
2023, 19(1): 2023019
Author Affiliations
Abstract
1 School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
2 Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System, Shanghai 200093, China
We propose an ultra-broadband near- to mid-infrared (NMIR) tunable absorber based on VO2 hybrid multi-layer nanostructure by hybrid integration of the upper and the lower parts. The upper part is composed of VO2 nanocylinder arrays prepared on the front illuminated surface of quartz substrate, and VO2 square films and VO2/SiO2/VO2 square nanopillar arrays prepared on the back surface. The lower part is an array of SiO2/Ti/VO2 nanopillars on Ti substrate. The effects of different structural parameters and temperature on the absorption spectra were analyzed by the finite-difference time-domain method. An average absorption rate of up to 94.7% and an ultra-wide bandwidth of 6.5 μm were achieved in NMIR 1.5–8 μm. Neither vertical incident light with different polarization angles nor large inclination incident light has a significant effect on the absorption performance of the absorber. The ultra-broadband high absorption performance of this absorber will be widely used in NMIR photodetectors and other new optoelectronic devices.
Broadband absorber Vanadium dioxide Perfect absorption Metamaterials Thermal tuning Journal of the European Optical Society-Rapid Publications
2023, 19(1): 2022017
1 云南农业大学 理学院，云南 昆明 650201
2 云南大学 信息学院，云南 昆明 650091
提出了基于狄拉克半金属（BDS）和二氧化钒（VO2）的三频带（triple-band）双调谐吸波体，通过时域有限差分法和等效电路模型（ECM）分析了吸波体的电磁特性。研究表明：当VO2呈现出纯金属态时，吸波体会出现三个明显的吸收峰，平均吸收率为98.64%。同时，通过改变BDS费米能量和VO2电导率可以动态调谐吸波体吸收峰处的谐振频率和吸收率。最后，分别讨论了吸波体吸波特性随BDS层、VO2层和中间介质层厚度的变化规律。这为多带双调谐滤波器、吸波体的设计提供了理论依据。
吸波体 狄拉克半金属 二氧化钒 双调谐 absorber Dirac semimetal vanadium dioxide dual-tunable
1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室, 上海 201800
二氧化钒(VO2) 是一种典型的强关联电子材料, 当达到相变阈值时, 会可逆地从绝缘单斜相转变到金属金红石相, 这种相变主要通过温度、光照、电场、磁场、应力等激励条件激发。相突变可在亚皮秒时间尺度内发生, 并会伴随着光学透过率、折射率和磁化率等特性的显著变化，其中相变前后电阻率会发生 3～5 个数量级的变化, 这使得 VO2 在智能节能窗、光电探测、光电存储、光开关等领域有着重要的应用前景。首先介绍了 VO2 的相变机制, 主要有电子关联驱动、晶格结构驱动以及两者共同驱动, 接着重点介绍了利用超快时间分辨技术, 尤其是太赫兹时域光谱技术, 来研究 VO2 薄膜的相变动力学过程, 最后, 介绍了基于 VO2 薄膜的太赫兹调制器、太赫兹滤波器、太赫兹开关等领域的应用研究。
薄膜物理学 二氧化钒薄膜 绝缘-金属相变 太赫兹时域光谱 太赫兹功能器件 thin film physics vanadium dioxide thin film insulator-metal transition terahertz time-domain spectroscopy terahertz functional device
