激光辐照VO2薄膜温度场分布及透射特性研究

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·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·mm^-2和5.39 W·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。     

MBE法制备VO2薄膜及其中红外调制深度测量

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。     

采用泵浦探测技术研究VO2薄膜相变特性

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。     

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%.     

基于Nd:YAG/Cr:YAG/YAG键合晶体LD侧面泵浦激光器

利用Nd∶YAG/Cr∶YAG/YAG键合晶体,建立了具有高平均输出功率的LD侧面泵浦被动调Q激光器系统.当Cr∶YAG的初始透过率为85%、最大泵浦光功率为187.5 W时,1 064nm激光的平均输出功率为83.68W.通过KTP晶体进行倍频,在最大泵浦光功率下,产生了27.2W532nm绿光激光脉冲,同时脉冲宽度和重复频率分别为210ns和21.2kHz;绿光单脉冲能量和峰值功率分别为1.28mJ和6.1kW;泵浦光(808nm)到倍频光(532nm)的光-光效率为14.5%.     

1 319和1 338 nm双波长Nd:YAG脉冲激光输出实验研究

 根据计算得到的双波长激光振荡的阈值条件,激光实验中对全反镜镀制1 319和1 338 nm的全反膜（其反射率大于99.73%,而对1 064 nm激光的反射率约为7%）;输出镜采用对1 064 nm强谱线95%的高透过率,而对1 319和1 338 nm谱线的透过率分别为34.7%,32.5%,有效抑制了强线1 064 nm振荡,成功实现了1 319和1 338 nm Nd:YAG同时双波长激光脉冲输出。当输入能量为125 J时,1 319和1 338 nm脉冲双波长激光的单脉冲总输出能量为0.89 J,电-光转换效率为0.71%,斜率效率为0.89%。输出的双波长激光的中心波长分别在1 318.8和1 338.2 nm处,谱线宽度（FWHM）分别为0.35和0.48 nm,强度之比为36:44。     

掺钨VO_2薄膜的电致相变特性

采用直流磁控溅射与后退火工艺相结合的方法,在掺氟SnO_2(FTO)导电玻璃基底上制备了高质量的掺钨VO_2薄膜,对薄膜的结构、表面形貌和光电特性进行测试,分析了钨掺杂对其相变性能的影响.结果表明,室温下掺钨VO_2薄膜的阈值电压为4.2 V,观察到阈值电压下约有两个数量级的电流突变.随着温度升高,相变的阈值电压降低,且电流突变幅度减小.当施加8 V电压时,分别在不同温度下测试了掺钨VO_2薄膜的透过率.温度为20和50℃时,掺钨VO_2薄膜相变前后的红外透过率差量分别为23%和27%.与未掺杂的VO_2薄膜相比,掺钨VO_2薄膜具有相变温度低、阈值电压低和电阻率小的特点,在高速光电器件中有广阔的应用前景.     

HfO_2单层膜的吸收和激光损伤阈值测试

薄膜吸收是降低膜层激光损伤阈值的重要原因,为了研究薄膜吸收对激光损伤阈值的影响,对HfO2单层膜在1 064 nm处的吸收及其在不同波长激光辐照下的损伤阈值进行了测试和分析。研究结果表明:薄膜的激光损伤阈值由薄膜吸收平均值(决定于薄膜中缺陷的种类和数量)和吸收均匀性(决定于薄膜中缺陷的分布)共同决定;根据HfO2单层膜在1064 nm波长处的吸收值,不但可以定性判断薄膜在1 064 nm波长,而且还可以判断在其它波长激光辐照下的抗激光损伤能力。     

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.     

1064nm激光与远红外共窗口成像系统波长分离膜的研制

根据激光与远红外共窗口成像系统的技术要求,研制了一种波长分离膜,实现通过共窗口的激光与远红外光分离成像,即1 064nm高反射、8~14μm高透射.分析薄膜的微观结构,研究了薄膜材料吸潮前后的折射率变化,结合光学薄膜理论,优化膜系结构.在薄膜应力的基础上,优化膜层厚度,提高薄膜牢固性.研制的分离膜,1064nm反射率为99.71%,8~12μm平均透过率为97.1%,12~14μm平均透过率为90.1%,满足户外环境中长期使用的要求.     

激光辐照ZnSe／MgF2滤光片的热效应研究

介绍了光热光检测方法的基本原理。采用从波长上把泵浦光和检测光分开的方法，利用光热光平行检测技术测量了检测激光通过ZnSe/MgF2滤光片后信号的变化，并用红外热像仪测量了泵浦激光辐照干涉滤光片产生温升随时间的变化。根据干涉滤光片的膜层结构，分析了热效应对干涉滤光片薄膜折射率、膜层光学厚度和透过率的影响。研究结果表明：连续激光辐照ZnSe/MgF2滤光片产生的温升，可使滤光片透射光谱曲线偏高中心滤长，导致其透过率的热致非线性变化。     

Nd:YVO4复合腔激光器双波长激光输出及腔内和频研究

 采用两个重叠的共线支腔构成的三镜复合腔,实现LD泵浦的Nd:YVO₄激光器的1 064 nm和1 342 nm双波长激光运转。根据双波长振荡阈值相等条件,数值计算了1 064 nm支腔和1 342 nm支腔的腔长、支腔的输出耦合镜透过率之间的关系。合理选择两个支腔的参数,当泵浦功率13 W时,获得1 064 nm激光功率1.59 W,1 342 nm激光功率1.17 W的双波长激光输出。在满足腔内1 064 nm 和1 342 nm双波长光子数密度相等的条件下,计算了腔内和频的复合腔Nd:YVO4激光器的腔参数。采用Ⅱ类临界相位匹配KTP晶体作为和频器件,当808 nm泵浦光功率为12 W时,获得340 mW的和频593 nm激光输出。     

连续激光辐照下二氧化钒薄膜热致相变实验研究

 介绍了VO₂薄膜的相变原理，用磁控离子溅射法制备了VO₂薄膜，并进行了X射线衍射和不同温度下的光谱透过率测量。在1.319 μm 连续波激光辐照下，实时测量了VO₂薄膜的温度变化，以及由于温度变化引起相变后对激光透过率的变化。结果表明，入射到薄膜表面的平均功率为8.9 W、光斑直径2 mm时，激光出光480 ms后，VO₂的温度从室温上升到约100 ℃，薄膜发生了相变，其对1.319 μm激光的透过率从相变前的48％降为相变后的28％。     

COIL腔镜薄膜参数实验研究

 利用HITACHI U-4001型分光光度计和基于光腔衰荡光谱的高反射率测量仪对氧碘化学激光器（COIL）输出镜的透过率和高反镜的反射率进行了膜层均匀性、测量重复性、激光辐照等方面的测量和实验研究。实验结果显示：离子束溅射膜的性能比电子枪蒸发膜更为稳定;只要保证镜片存放于干燥处,长时间放置对其薄膜的透过率和反射率均无明显影响。     

纳秒激光作用下二氧化钒薄膜相变特性

采用脉冲激光沉积法制备了VO2薄膜,应用X射线衍射和X射线光电子能谱分析表明样品为多晶薄膜。采用泵浦-探针方法研究了二氧化钒薄膜的相变特性,实验结果表明当激光重复频率为160 Hz时,样品最小相变响应为12ns,相变恢复时间与激光能量按照自然指数关系变化。仿真结果表明当激光能量一定时,二氧化钒薄膜相变恢复时间与衬底材料的热导率、热扩散系数有关。     

SiSb相变薄膜的激光初始化研究

利用直流磁控溅射法将SiSb薄膜沉积到聚碳酸酯光盘盘基上,利用相变光盘初始化仪分别在400,500,600,700,800和1200 mW的激光功率下将光盘初始化。比较了在不同激光功率下SiSb薄膜在300～800 nm波段的反射率变化情况。研究表明,随着初始化激光功率的提高,SiSb薄膜的反射率和反射率对比度逐渐增加。在400～800 nm波长范围内,SiSb薄膜在1200 mW激光初始化下高达30%～35%的反射率对比度,说明此相变薄膜是一种有前途的新型光存储材料。将沉积态与400,800和1200 mW初始化后的SiSb薄膜进行X射线衍射分析,研究表明,沉积态的SiSb为非晶态,激光初始化后的样品发生了不同程度的晶化,激光功率越高,晶化程度越高,晶化相为Sb的六方晶系菱形中心结构。     

两种后处理方法对HfO2薄膜性能的影响

利用电子束蒸发和光电极值监控技术制备了氧化铪薄膜,并分别用两种后处理方法(空气中退火和氧等离子体轰击)对样品进行了处理.然后,对样品的透过率、吸收和抗激光损伤阈值进行了测试分析.实验结果表明,两种后处理方法都能不同程度地降低了氧化铪薄膜的吸收损耗、提高了抗激光损伤阈值.实验结果还表明,氧等离子体轰击的后处理效果明显优于热退火,样品的吸收平均值在氧等离子体后处理前后分别为34.8 ppm和9.0 ppm,而基频(1 064 nm)激光损伤阈值分别为10.0 J/cm2和21.4 J/cm2.     

固体发动机羽烟的激光透过率测试

为获得羽烟对激光透过率的影响,用烟箱法对2种配方的缩比发动机羽烟在1.06 μm、10.6 μm激光波段的透过率进行测试.采用1.064 μm激光调制发射、接收、数据采集系统对1.06 μm激光波段烟雾透过率测试;用黑体、光谱辐射计、数据采集系统可测出2 μm ～13 μm 的光学透过率,从中提出10.6 μm激光波段烟雾透过率,得到不同推进剂配方、不同烟雾浓度情况下10.6 μm光波和1.06 μm光波的烟雾透过率测试数据.烟箱1.8 m烟道上的测试数据表明:配方2推进剂优于配方1推进剂,10.6 μm光波的烟雾透过率96%～97%大于1.06 μm光波的烟雾透过率92%～93%.     

ZnO薄膜受激发射特性的研究

氧化锌薄膜因其大的激子结合能和强的光发射、激光阈值低和能在高温下工作等优点而成为制备短波长激光、发光二极管等光电子器件的有希望材料。采用激光分子束外延 (L MBE)方法制备了ZnO薄膜。在室温下 ,测量了样品的吸收光谱 ,以及不同光泵浦强度下的发射光谱。从光谱图中可以看出该材料有很好的质量。研究了ZnO薄膜的受激发射特性及机理 ;测量了发射光强与泵浦光强之间的关系 ;比较了较高激发密度下的受激发射、自发发射和激光脉冲的时间特性 ,这些都证实了该发射是受激发射。     

太阳光泵浦Cr,Nd:YAG透明陶瓷的光谱特性和激光参数

太阳光泵浦激光器可将太阳光直接转化为激光,在空间太阳能发电站、深海等领域有着极大的应用前景,而Cr,Nd∶YAG是一种很有潜力的太阳光泵浦激光介质。本文以高纯Y_2O_3、α-Al_2O_3、Nd_2O_3、Cr_2O_3粉体作为原料,采用固相反应法结合真空烧结技术制备了高光学质量的0.1%Cr,1.0%Nd∶YAG透明陶瓷,并研究了其光谱特性和激光参数。根据太阳辐照光谱和Cr,Nd∶YAG陶瓷的吸收和发射光谱,计算了不同条件下Cr,Nd∶YAG陶瓷激光器的泵浦率、阈值太阳聚光比、有效发射截面、饱和光强和阈值输入功率等激光参数。研究发现0.1%Cr,1.0%Nd∶YAG陶瓷(厚度为1.0 mm)在370 nm和1 064 nm处的直线透过率分别为81.5%和84.0%,晶胞密度为4.57 g/cm~3,光学散射损耗为1.4%cm~(-1),吸收带内的太阳辐照度约是太阳常数的42%。上述研究结果表明Cr,Nd∶YAG陶瓷是理想的太阳光泵浦激光介质,可通过优化聚光系统、泵浦方式和陶瓷尺寸获得高功率激光输出。