CN111562685B - 一种用于红外窗口材料的智能红外光开关及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学器件领域，为解决现有红外窗口材料激光能量阈值不高导致的材料易损坏问题，公开了一种用于红外窗口材料的智能红外光开关及制作方法，工作波长为红外光，其特征在于：沿着光传播方向依次包括红外滤波器层、半导体‑金属相变材料层、工作波长内透明的基底层；所述的红外滤波器层用于屏蔽工作波长之外波段的光，并使工作波长的红外光通过；半导体‑金属相变材料层的温度低于相变阈值时为半导体态，工作波长的红外光通过，半导体‑金属相变材料层的温度高于相变阈值时为金属态，工作波长的红外光无法通过。使用本技术方案可对特定红外光的入射光波段进行智能调节。

Description

一种用于红外窗口材料的智能红外光开关及制作方法
技术领域
本发明涉及光电器件技术领域，具体涉及一种用于红外窗口材料的智能红外光开关。
背景技术
红外光电系统是现代高精尖武器的重要组成部分，是实现精确打击和有效攻击的关键，目前已被广泛应用于超音速战机、制导导弹等先进武器中。在红外光电系统中，红外窗口是传递发射信号与接受目标信号的唯一通道，它的光学性质直接影响到光电系统的探测结果。此外红外窗口裸露于外部环境之中，还承担着保护内部光电元器件的使命。因此红外窗口是红外光电系统的重要部件之一。
而目前的红外窗口材料，对于8-14μm的波段工作的红外系统，首选的窗口材料是锗。他的优点是机械强度高，坚硬耐划，导热性好，热吸收系数低，折射率和透射率高。但其中最大的问题来自于红外窗口的热辐射和透过率下降。因为随着能量的不断照射，窗口温度会不断升高，进而造成窗口材料的红外辐射显著增高。此外，窗口温度的升高，也会影响材料的红外吸收，导致窗口材料的红外透过率下降。红外窗口的高温红外辐射会使红外成像系统的红外图像背景亮度增加，造成红外探测器饱和，淹没目标信号。温度过高时甚至会对窗口造成永久性损伤。因此保证窗口材料不受到强激光和高温影响，同时又能保证在正常情况下可通过安全波长的红外光，不被其他波段的光干扰，我们设计了一种对特定的红外波长具有智能光开关的结构。
发明内容
为解决现有技术中存在的为解决现有红外窗口材料激光能量阈值不高导致的材料损坏问题，采用如下技术方案：
一种用于红外窗口材料的智能红外光开关，工作波长为红外光，其特征在于：沿着光传播方向依次包括红外滤波器层、半导体-金属相变材料层、工作波长内透明的基底层；所述的红外滤波器层用于屏蔽工作波长之外波段的光，并使工作波长的红外光通过；
半导体-金属相变材料层的温度低于相变阈值时为半导体态，工作波长的红外光通过；半导体-金属相变材料层的温度高于相变阈值时为金属态，工作波长的红外光无法通过。
上述技术方案为解决红外窗口材料激光能量阈值不高导致的材料损坏问题，使用了半导体-金属相变材料层，在相变前后其可见光波段和红外波段的透过率发生了明显突变，其在温度低于相变温度阈值时为半导体态，半导体-金属相变材料层对红外光高透过，温度高于相变温度阈值时呈金属态，对红外光高吸收，低透过。同时半导体-金属相变材料层具有很快的响应时间，可在短时间内（<1ns）完成相变。当强激光入射到窗口上时，相变材料层薄膜吸收光能量，使得半导体-金属相变材料层温度上升到相变温度点，膜结构迅速向金属态（高温态）转变，光谱特性由较高的透射突变为较高的反射，从而迅速降低了进入光学系统的光能量，使得光学系统不至于饱和或烧毁达到防护作用。当温度下降后，会再次变为半导体态，循环使用，从而通过对温度的感知自发地实现透明到非透明状态的开关作用。
优选方案：所述的红外滤波器层使用的是金属材料，该金属材料上设置有微孔阵列。采用金属材料的原因是金属薄膜天生具有良好的电磁波屏蔽功能，而微孔结构的引入是为了在全波段屏蔽的基础之上透过特定工作波段的光。基于周期性金属微孔结构的表面等离激元共振，通过微纳结构调控达到共振频率和工作频率一致，从而实现工作波段的光透过和非工作波段的光屏蔽。具有相同微纳结构的周期表面构成了典型的选择性滤波器。选择性滤波器阵列中单个周期的大小，形状和周期性会到这共振。当电磁波的频率与选择性滤波器阵列的共振频率相匹配时，根据阵列结构的不同性质，入射的平面波可以全部或者部分地透射(通带)或反射回来(阻带)。因此，选择性滤波器能够在自由空间中通过或阻挡一定频率范围内的电磁波。超表面被广泛地称为具有亚波长厚度的平面超材料，利用光刻和纳米印刷技术可以很容易地制备它们。选择性滤波器的滤波特性可分为四种，其中包括低通、高通、阻带和通带。低通FSS滤波器允许较低的频率范围的电磁波通过结构，而屏蔽较高的频率范围。高通选择性滤波器滤波是应用Babinet原理，与低通滤波功能的对应。类似地，阻带选择性滤波器会屏蔽不需要的频率波段，而通带选择性滤波器只允许特定的频率范围。红外滤波器层使用金属结构微孔阵列使得红外滤波器层呈现金属网格结构，其间的结构由于金属中存在自由的导电电子，当入射的电磁波的入射频率达到金属自由电子共振频率时，入射波就会和自由电子发生共振。从而对于特定的频率有增强透射的特性。几乎可以实现100%的透射。同时由于金属网格结构是无源的原件结构，不会引入其他的噪声，这使得其成为滤波器的首选结构。
进一步方案为：所述的微孔阵列的微孔由十字形微纳孔周期性排列而成。在金属网格结构中，十字孔阵列结构是研究最多也是最成功的一种结构。由于它的对称性以及无偏依赖性，在很多方面都表现出优异的特性。
十字形微纳孔的槽宽为0.5μm-5 μm，长为4.0μm-10μm，周期为5.0μm-20μm。所述的工作波长为8μm-14μm。周期性排列十字交叉微孔结构及其变体可以实现对8-14μm红外波段的选择性透过。其透过光的中心波长可根据十字微纳结构的尺寸进行控制，具有良好的可调性。
所述的半导体-金属相变材料层的材料为二氧化钒，基底层材料为氟化钡、硒化锌等红外窗口材料。
进一步的，半导体-金属相变材料的相变可由电场，电压，脉冲激光等方式驱动。
所述的半导体-金属相变材料层处设置有温度传感器，当温度大于设定阈值时，温度传感器发出开关信号并通过电场、电压、脉冲激光方式驱动半导体-金属相变材料层发生相变。
附图说明
图1为用于红外窗口材料的智能红外光开关结构示意图；
图2为红外滤波器层的俯视示意图；
图3为本发明实施例受到光照后结构的作用示意图；
图4为本发明实施例添加电极的结构示意图；
图5为本发明实施例在1μm- 20μm透过光谱；
其中：01—红外滤波器层、02—半导体-金属相变层、03—工作波长内透明的基底层、04—十字微孔结构；05-第一金属电极；06-第二金属电极。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
如图1所示，一种用于红外窗口材料的智能红外光开关，包含红外滤波器层01（其中采用十字微孔结构04），半导体-金属相变层02，透明基底03；
红外滤波器层01和半导体-金属相变层02依次设与透明基底03上；
红外滤波器层01包含十字微孔结构，也可以是Y孔型，Y环型，圆孔型，圆环型等；可以在金属金，银，铝等材料上通过光刻胶的方法实现。
半导体-金属相变层02使用具有可逆相变性质的材料，本专利主要讲述VO2的使用，也可以使用具有该性质的其他相变材料；
透明基底03使用在光开光波段透明的基底，在8-14μm使用时可以使用BaF2,CaF2，ZnS等；
当光入射时，此时VO2出于半导体态，中红外波段的光正常通过，除指定波段的光，其他波段光被屏蔽。当光照过强（或接受外界电场，磁场，温度变化后），第一层滤波器作用依旧是屏蔽其他波段的光，并使特定波段的中红外光通过，但第二层相变材料会因为外界条件的变化，从半导体态转变为金属态，从而阻断了红外光的通过。从而整体呈无光透过的性能，保护薄膜后面的仪器或者材料。
至少一个实施例中半导体-金属相变层使用热致相变材料。以二氧化钒为例，二氧化钒作为相变材料，相变温度在68℃左右，VO2材料作为相变材料，当激光照射过强或者时间过长，温度高于相变温度时，会自主发生结构变化，从而从半导体态改变为金属态，阻断激光的照射，不需要任何外界帮助。 此方法需要对VO2制备有一定要求，制备前要了解所需的相变温度，在特定的坏境发挥智能光开关的作用。也可以通过外界增加电场，电压等手段，自主选择打开或者关闭红外光开关。
虽然 VO2 是目前已知相变材料中相变温度(Tc)最为接近室温的材料，但纯VO2 材料的 68℃相变温度仍然与 25℃的室温相去甚远，期望 VO2 材料在室温下或者其它的温度下相变，就必须通过各种手段重新调整其相变温度，为调整相变温度阈值，在半导体-金属相变层中掺杂高价态离子(如 Nb5+ 、Ta5+ 、Mo6+ 、W6+等)可降低其相变温度阈值，掺入低价态离子(如 Al3+ 、Cr3+ 、Fe3+ 等)可提高其相变温度。由于目前电子器件等生活场所对温度要求不同，VO2 的相变温度点可以根据用户需要进行自定义设计，二氧化钒薄膜的相变可以通过外部施加电压，改变电场，施加压力，改变温度。激光脉冲等手段。
并且VO2的相变是可逆的，这使得VO2作为光开关材料是非常合适的。将滤波器和相变材料VO2结合，通过VO2对滤波器选择性透过的红外光进行根据要求的屏蔽和透过。
制备 VO2 的方法很多，除了上面的反应蒸发法、磁控溅射法、脉冲激光沉积法等方法，还有许多其它简单可行的方法，如K.R.Speck等人曾用四异丙醇化钒的溶胶-凝胶(Sol-Gel)法在石英片上生长出多晶 VO2 薄膜，相变温度约为 67℃，其电阻的变化达 1-2个数量级。
如图1所示为滤波器的样式， 其中04为空心的交叉微纳结构，
如图2所示，交叉十字形状为两个相同的长方形交叉形成，长方形的长和宽分别是长臂和短臂。
如图3所示，当光入射到结构表面时，首先通过周期性交叉空心微纳结构，对特定波段之外的光进行滤波作用，只透过指定波段的红外光，紧接着通过相变材料层，此时相变材料VO2层呈半导体态，可以使得大部分的红外光透过，当红外光的能量超过一定的阈值，VO2层的相变将会被激发，转变为金属态，从而关闭红外光通道。
本发明可以通过外部输入激光或者电场，磁场等自主改变对红外光的透过率，并始终屏蔽其他波段的光波干扰，当作为红外激光的防护时，由于激光的长时间的照射可能会对样品（被照射物体）有很大的影响，或者在作为防护时，可以避免由于强激光而对物品造成损伤，使用本发明后，当激光过强时，会使得相变材料层发生相变而转变为金属态，将强激光屏蔽，而当激光能量降低后，相变材料低于相变阈值时，、会发生转变，此时红外激光将正常透过。
如图4所示，对于电场，电压调节VO2相变，对结构两边加第一金属电极05以及第二金属电极06。对金属电极之间施加电场或者电压，VO2薄膜会受到电场的作用，产生感应电荷。如果电场强度足够大，导致VO2薄膜中感应电荷浓度足够高时，就会引起相变材料层VO2薄膜发生相变。
如图5所示。为实例展示：使用BaF2作为基底材料，在上面镀VO2薄膜，目前主要的镀膜方法有真空蒸镀法，溅射法，化学气相沉积，溶胶凝胶法，相变层VO2薄膜的厚度控制在40nm左右，薄膜根据需要的条件，通过改变掺杂和镀膜工艺，使得VO2的控制符合既定的条件，然后使用光刻胶的方法，使用金属Al镀上周期性交叉空心微纳结构（如图2所示）。白色的为空气，其中中心十字形的宽为2.5μm，长8μm，周期为10.5μm，对于不同的波段的调控可以改变臂长和周期来达到目的。此时在1μm- 20μm透过光谱如图5所示，低温（LowT）时中心波长11μm的光有高透过性，当高温(HighT)状态时为全关闭状态。
臂宽主要控制在0.5μm -5μm，臂长控制在4.0
Figure DEST_PATH_IMAGE002
-10
Figure 767910DEST_PATH_IMAGE002
，周期控制在5.0μm -20μm。
随着红外技术的发展，红外探测、跟踪、制导武器的作用距离越来越远，其使用波段也更宽。红外干扰技术也应有相应的变化。原红外干扰机的光源主要是各种灯(氙灯、弧光灯、红外灯等)，可干扰近红外探测器。这种干扰机是非定向的全方位辐射，不需要稳定平台。高功率激光器的发展，无论从使用波段、辐射亮度或体积质量等方面都是一种理想的光源。近年来将激光辐射用于干扰装置，已成为光电对抗技术中的一个重要分支，并称为定向红外干扰(DIRCM)技术。为避免这种情况，使用本技术方案的一种用于红外窗口材料的智能红外光开关可对特定红外光的入射光波段进行智能调节，屏蔽激光的干扰。对于红外探测系统和红外窗口等，使用本技术方案可保护光学系统不受到高能激光的损害，以及避免受到长时间照射使得系统的温度升高，造成系统的噪音增强甚至永久性损害等情况。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于红外窗口材料的智能红外光开关，工作波长为中远红外光，其特征在于：沿着光传播方向依次包括红外滤波器层、半导体-金属相变材料层、工作波长内透明的基底层； 所述的红外滤波器层用于屏蔽工作波长之外波段的光，并使工作波长的红外光通过；半导体-金属相变材料层的温度低于相变阈值时为半导体态，工作波长的红外光通过，半导体-金属相变材料层的温度高于相变阈值时为金属态，工作波长的红外光无法通过；
所述的红外滤波器层使用的是金属材料，该金属材料上设置有微孔阵列；
所述的微孔阵列由十字形微纳孔周期性排列而成；
所述的十字形微纳孔的槽宽为0.5μm-5 μm，长为4.0 μm-10 μm，周期为5.0 μm-20 μm。
2.根据权利要求1所述的一种用于红外窗口材料的智能红外光开关，其特征在于：所述的半导体-金属相变材料层的材料包括：二氧化钒，基底层材料包括：氟化钡、硒化锌。
3.根据权利要求1所述的一种用于红外窗口材料的智能红外光开关，其特征在于：半导体-金属相变材料的相变驱动方式包括：温度、电场、电压、脉冲激光、磁场。
4.根据权利要求1所述的一种用于红外窗口材料的智能红外光开关，其特征在于：所述的半导体-金属相变材料层处设置有温度传感器，当半导体-金属相变材料层中温度大于设定阈值时，温度传感器发出开关信号并通过电场、电压、脉冲激光或磁场方式驱动半导体-金属相变材料层发生相变。
5.根据权利要求1至4之一所述的一种用于红外窗口材料的智能红外光开关，其特征在于：所述的工作波长为8μm-14μm。
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