含有缺陷层一维光子晶体结构的制备与光学性能研究

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一维光子晶体结构因其本身结构简单和易制备的特点较早被科学家所关注。此结构由折射率不同的介质周期性分布所构成,在特定波长范围内形成光子禁带。在此结构中加入缺陷层,可使光子禁带中出现窄透射峰。在相关研究中,通过电学、力学及光学手段调节透射峰强度是一种主要的研究方向。VO2是一种热致相变特性的功能材料,当温度在68℃左右,会发生从低温单斜结构向高温四方结构的转变,并伴随光学、电学性质的变化,这种转变具有可逆性。本文主要研究基于一维有缺陷光子晶体结构的可调谐光学器件的设计,其光学调谐性能是通过采用VO2材料作为缺陷层而获得的。本文首先研究VO:薄膜的制备工艺及薄膜的性能测试,详细论述利用溅射氧化耦合法制备VO2薄膜的工艺方法。采用膜厚测试仪检测所制备VO2薄膜的物理厚度;采用四探针检测仪测试薄膜在不同温度下的方块电阻,从而确定VO2纳米薄膜的相变温度及电学性能变化;最后利用红外光谱仪测试薄膜在不同温度下的透过率曲线。与此同时,对文中所涉及的其他光学薄膜材料的磁控溅射工艺进行优化,获得各类光学薄膜材料制备工艺参数。其次,利用理论数据对含有V02缺陷层的一维光子晶体结构进行设计,利用传输矩阵法计算出所设计结构的光谱图。通过对多层膜结构中各层材料的厚度进行优化,可获得理论设计参数。在此基础上设计获得各层材料光学参数的预实验,并通过已掌握的工艺对预实验结构薄膜进行制备。通过XRD分析各层材料的组分,并对预实验结构进行红外透过率测试。利用Film Wizard软件对材料的透过率进行拟合,可获得薄膜的光学折射率(n)和消光系数(κ)随红外光波长(λ)变化的关系曲线。将所获得的实验数据与理论数据进行对比,并利用实验数据对所设计结构的透过率进行模拟计算,可获得理论优化后的结构厚度参数及光谱数据。最后,对所设计的含有VO2缺陷层的一维光子晶体结构进行制备,通过场发射扫描电镜测量设计膜系的横截面及各层表面形态,并通过红外光谱仪获得实验光谱数据。实验结果表明,所设计结构的透射峰强度具备随温度可调谐特性,且在温度变化的过程中,透射峰位置基本上没有发生变化。对比理论计算数据发现,实验制备结构的透射峰强度变化幅值小于理论计算结果。本论文通过理论模拟对具有温度调节性的一维光子晶体器件进行设计,并通过实验制备验证所设计结构可行性。此结构成本低、产率高、操作简便、可广泛应用于激光防护、光开关、光通信等领域。
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