智能光防护用非线性光学限幅VO2薄膜的相变调控与性能优化

随着高功率激光技术的发展，针对敏感光学元件的智能防护需求日益迫切。本研究通过高功率脉冲磁控溅射技术（HiPIMS）制备了W掺杂VO2相变薄膜，利用其绝缘体-金属相变（IMT）特性实现了室温下6.5 W/cm2阈值的中红外（3.5 μm）非线性光学限幅，为无源式智能光防护器件设计提供了新思路。

　　

在激光武器和精密光学设备快速发展的今天，高功率激光对眼睛和传感器的威胁如同悬顶之剑。传统光学限幅材料如有机聚合物和半导体虽能吸收强光，但存在响应慢、需要外部能源等瓶颈。而二氧化钒（VO₂）这种"智能变色龙"材料，能在飞秒级完成绝缘体到金属态的相变（IMT），理论上可构建自触发式光屏障。但现有研究多聚焦近红外波段，对中红外通信窗口（3.5 μm）的防护仍面临相变温度过高、依赖外部加热等难题。

为解决这一挑战，Huan Guan团队在《Next Materials》发表的研究中，创新性地将高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）与钨（W）掺杂策略结合，开发出室温工作的VO₂光学限幅器。研究人员首先通过时域有限差分法（FDTD）模拟发现，220 nm厚薄膜的电阻损耗（552.0）比60 nm薄膜（443.3）提高25%，预示更优的光热转换效率。实验采用HiPIMS技术在550℃下制备系列VO₂薄膜，X射线衍射（XRD）确认获得纯相VO₂(M)，拉曼光谱检测到194 cm^-1（V-V振动）和616 cm^-1（V-O振动）特征峰。

设计模拟

通过3.5 μm波长模拟显示，220 nm薄膜在金属态时电场强度（|E|）骤降至入射光的2.7%，远超60 nm薄膜的21.2%。电阻损耗公式Q = πcε₀ε"(λ)|E|²/λ计算证实，厚膜具有更强的光热转换能力。

结果讨论

1. 1.

   厚度调控：290 nm纯VO₂（V5）在40.75℃即发生相变，但室温透射率仅44.4%。激光实验表明，220 nm薄膜（V3）在50℃偏置时，输出功率被限制在5.2 mW，对应透射率与80℃稳态值一致。

2. 2.

   W掺杂突破：2 at% W掺杂使相变温度降至24℃，XPS显示V2p_3/2结合能稳定在516.7 eV。室温下实现6.5 W/cm²阈值的光学限幅，输出功率稳定在初始值的20%。

技术方法

研究采用HiPIMS制备VO₂薄膜，通过XRD、XPS和拉曼光谱表征晶体结构和化学态，傅里叶变换红外光谱（FTIR）测试2.5-25 μm波段透射率，3.5 μm脉冲激光评估限幅性能，SEM/AFM分析表面形貌。

结论意义

该工作通过"厚度吸收增强+W掺杂降温"双策略，首次实现中红外波段室温自触发光学限幅。2 at% W掺杂薄膜的快速相变特性（<80 fs），为无人值守的光学防护系统提供了可能，在军事伪装、激光医疗和卫星通信等领域具有应用前景。正如研究者所言，这种"光强自感知"的智能薄膜，或将重新定义下一代主动防护材料的设计范式。