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

本发明专利技术属于光学器件领域，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。

【技术实现步骤摘要】
一种用于红外窗口材料的智能红外光开关及制作方法
本专利技术涉及光电器件
，具体涉及一种用于红外窗口材料的智能红外光开关。
技术介绍
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。
技术实现思路
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-5μm，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为本专利技术实施例受到光照后结构的作用示意图；图4为本专利技术实施例添加电极的结构示意图；图5为本专利技术实施例在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专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例的附图，对本专利技术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专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本专利技术的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。以下结合说明书附图对本专利技术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使用时可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。/n

【技术特征摘要】
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。


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。


3.根据权利要求2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：所述的微孔阵列由十字形微纳孔周期性排列而成。


4.根据权利要求3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：所述的十字形微纳孔的槽宽为0.5μm-5μm，长为4.0μm-10μm，周期为5.0μm-20μm。


5.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。


6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹耀辉，赵海鹏，马鸿晨，徐修冬，章新源，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32