基于二氧化钒相变薄膜的红外激光限幅器取得新进展

发布时间:2024-05-29浏览次数:399



激光限幅器(optical limiter)是保护各种敏感的光子探测器、照相机、红外传感器,甚至人眼等免受高亮度光源或激光致盲攻击的关键核心器件。限幅器不仅需要在响应时间、响应波长范围、限幅阈值、动态范围以及稳定性等方面满足要求,而且还需要限幅器的使用不能对它所保护的传感器的正常工作有较大的影响。然而至今国内外还没有报道一种完全达到上述要求的自适应限幅器。

 二氧化钒(VO2)是一种典型的强关联氧化物相变材料,在室温附近表现出显著的金属-绝缘相变特征。同时在相变过程中对红外和太赫兹波段具有极大的调制作用,其光谱特征表现为相变前的高透射变为相变后的高反射状态,展示出显著的红外和太赫兹开关效应。VO2薄膜的这种红外光开关特性使其成为制备自适应光限幅器和激光防护窗口的理想材料。对于光限幅器或者激光防护应用来说,保持初始状态下的红外光信号的高透射率是必要的条件。但是这一要求使得作为干扰源的红外激光在照射过程中不能快速触发相变,因此基于VO2的光学限制器难以实现自适应的快速响应。

 在本研究中,研究组提出了一种自激励的VO2红外光学限制器, 它由自支撑VO2层、InGaAs微/纳米线阵列和一个局部加热器构成。基于瞬态的“光响应-电加热”策略,一旦入射的红外激光束强度超过InGaAs微/纳米线阵列预先设定的阈值,就可以快速触发VO2层的相变。结果表明,该集成红外光学限幅器在3-5微米中波红外波段具有优良的开关比(>26dB)、灵活的阈值设定和高稳定性。这项工作为激光防护等军工应用提供了可行的解决方案,并为未来开发基于VO2的多功能相变器件提供了新的思路。

 图1. 自激励VO2红外光学限幅器示意图实验室搭建的中波红外激光防护测试系

 相关研究结果以“Self-excited Free-standing VO2 Film for Infrared Optical Limiter”为题发表于光学领域权威期刊《Laser & Photonics Reviews》上(Laser Photonics Rev. 2024, 2400426),并申请了一项发明专利。

 核科学技术学院博士生赵闪光为论文第一作者,国家同步辐射实验室/核科学技术学院邹崇文研究员为论文通讯作者,国防科技大学电子对抗学院路远教授课题组参与了该项研究工作。同步辐射相关表征在合肥同步辐射光源XMCD线站(BL12B)上进行,部分微纳器件的制作在中国科大微纳研究与制造中心完成。该工作得到了国家自然科学基金重点项目、中国科学院合肥大科学中心以及中央高校基本业务费的支持。


论文链接:https://doi.org/10.1002/lpor.202400426