基于Au/VO_2纳米结构的可调控红外吸收器设计

设计了一种Au/VO_2周期性方形孔洞阵列结构的红外吸收器,利用时域有限差分法研究了吸收器的结构参数对吸收光谱的影响,优选出VO_2和Au膜层厚度分别为140 nm和80 nm,孔洞边长和阵列周期分别为1.1μm和1.2μm时,吸收可调控特性最为明显,在2.3μm处其高低温的吸收率差值可达80.3%.理论模拟计算了光以不同偏振、入射角入射时的吸收,结果表明,正入射时吸收器是偏振无关的;斜入射时吸收器具有广角吸收的特点,与TM偏振相比TE偏振下吸收器具有更强的角度依赖性.低温时吸收器中的电磁场呈高度局域化分布,表现为强的吸收;而高温时吸收器中的电磁场分布在吸收器表面,吸收被抑制.所设计的吸收器吸收效率高,吸收强度可以调控,可应用于新型可调控智能光电器件.

Au/VO_2双层薄膜纳米点阵的光学特性

基于VO_2薄膜的热致相变特性,利用修正的Sellmeier色散模型和有限时域差分法计算了Au/VO_2双层薄膜纳米点阵的透过率和反射率,发现其存在反转效应,且反转效应受点阵间距、膜层厚度和颗粒半径等参量调控.随着颗粒间距的增大,透射谱中谐振峰的位置发生红移,透过率反转差值增加,但间距进一步增大时,反转效应消失.随着Au/VO_2膜层厚度的减小,透过率明显增大,透过率反转差值也随之改变.随着颗粒尺寸的增大,相变前后的透过率差值逐渐增大,但当颗粒尺寸进一步增大时,透过率反转效应不明显.对点阵间距、膜层厚度和颗粒半径的优化结果表明,Au/VO_2双层薄膜纳米点阵间距为9.8nm、VO_2层厚度和Au层厚度均为110nm、颗粒半径为58nm时,反转效应最明显,其相对透过率反转差值可达91%,其相对反射率反转差值可达90%.

二氧化钒纳米周期点阵的光学特性

为了得到相变温度低且性能优越的智能窗光学材料,基于时域有限差分法模拟计算了不同结构的VO_2纳米周期点阵相变前后的光学特性,优选出最佳的VO_2纳米周期点阵结构.采用直流磁控溅射和后退火工艺在玻璃衬底上制备VO_2薄膜,再利用掩膜光刻的方法制备VO_2纳米周期点阵结构,测试其组分结构,反射和透过率曲线.结果表明,填充比为0.74的圆形纳米周期点阵的相变温度有效降低了约25℃,在波长为1700 nm处的透过率改变量达到39%,透过率整体高于VO_2薄膜,呈现出良好的相变光学特性,说明通过调控VO_2纳米周期点阵的结构可以有效提升材料的光学特性.

基于AZO/VO_2/AZO结构的电压诱导相变红外光调制器

采用直流磁控溅射和后退火工艺先在掺Al氧化锌(AZO)导电玻璃基底上制备了高质量的VO_2薄膜,再在VO_2膜层上制备AZO导电膜,最终制备出了AZO/VO_2/AZO三明治结构.测试了VO_2/AZO复合薄膜和AZO/VO_2/AZO三明治结构的组分、微结构以及光学特性,结果表明VO_2/AZO复合薄膜在800—2300 nm红外区域其相变前后的最大透过率差值达24%,而AZO/VO_2/AZO三明治结构在相同波长范围内其相变前后的最大透过率差值可达31%.通过在AZO/VO_2/AZO三明治结构导电膜层上施加不同电压,观察到不同外界温度下电流的突变,当外界温度越高,所需阈值电压越低.AZO/VO_2/AZO三明治结构性能稳定,制备工艺简单,有望应用于集成式红外光调制器.

基于FTO/VO_2/FTO结构的VO_2薄膜电压诱导相变光调制特性

采用直流磁控溅射和后退火工艺在掺氟的SnO2(FTO)导电玻璃衬底上制备VO2薄膜,研究了不同退火时间和不同比例的氮氧气氛对VO2薄膜性能的影响,对VO2薄膜的结晶取向、表面形貌、表面元素的相对含量和透过率随波长变化进行了测试分析,结果表明在最佳工艺条件下制备得到了组分相对单一的VO2薄膜.基于FTO/VO2/FTO结构在VO2薄膜两侧的透明导电膜上施加电压并达到阈值电压时,观察到了明显的电流突变.当接触面积为3 mm×3 mm时,阈值电压为1.7 V,阈值电压随接触面积的增大而增大.与不加电压的情况相比,FTO/VO2/FTO结构在电压作用下高低温的红外透过率差值可达28%,经反复施加电压,该结构仍保持性能稳定,具有较强的电致调控能力.

基于VO_2/TiO_2/FTO微结构的电压诱导相变存储器特性

相变存储器作为下一代具有竞争力的新型存储器,其基础和核心是相变存储介质。为了制备基于VO_2薄膜的非易失性相变存储器,首先采用等离子体增强化学气相沉积法在氟掺杂二氧化锡(FTO)导电玻璃衬底上沉积一层厚度为100 nm的TiO_2薄膜,再通过直流磁控溅射法制备VO_2薄膜,并在TiO_2/FTO复合薄膜上形成VO_2/TiO_2/FTO微结构,用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、四探针测试仪和半导体参数测试仪表征分析微结构的结晶和非易失性相变存储特性。结果表明,N_2和O_2的体积流量比为60∶40时,在TiO_2/FTO上可生长出晶向为<110>的高质量VO_2薄膜,在VO_2/TiO_2/FTO微结构两侧反复施加不同的脉冲电压,可观测到微结构具有非易失性相变存储特性,在67,68和69℃温度下的相变阈值电压分别为8.5,6.5和5.5 V,相比多层膜结构的相变阈值电压降低了约37%。

离轴旋转光纤传输系统的设计与实现

为了实现光信号的离轴旋转连接,设计了一种新型的离轴旋转光纤传输系统。基于高斯光束传播理论,分析了大口径光纤准直器对高斯光束的扩束准直作用,利用ZEMAX对准直器的结构和输出光束特性进行了优化。对离轴旋转光纤传输系统进行了实验测量,结果表明大口径光纤准直器输出光束在50 mm的工作距离处能量分布满足高斯型,其束腰半径达到18 mm,远场发散角仅为5.48×10-2mrad,在1.25 Gb/s的信号传输速率及80 r/min的转速下,系统的最大连接损耗为23.28 d B,整体性能满足了旋转部件之间稳定传输高速光信号的要求。

基于VO_2相变的热致型智能辐射器设计

基于VO_2/Si_3N_4/Al结构设计了一种发射率可调控的智能辐射器(SRD)。通过薄膜特征矩阵理论SRD的光学特性进行分析,结果表明VO_2的厚度决定了SRD的辐射能力,其调控光谱范围与介质层Si_3N_4的厚度密切相关,优化后的SRD发射率调控范围为0.38。采用MgF2/Si_3N_4双层减反膜进一步优化SRD,使其低温(20℃)和高温(100℃)发射率分别达到0.30和0.91,调控范围扩大至0.61。利用有限时域差分法分析了有无减反膜时SRD的辐射场分布,结果表明减反膜可以提高SRD的温度调控效率,增强空间复杂环境适应能力。设计思路对高性能SRD的制备和航天器热控系统的轻量化具有重要意义。