基于卷曲复合薄膜的激光防护装置及其制备方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于激光防护技术领域，具体为一种基于卷曲二氧化钒复合薄膜结构的激光防护装置及其制备方法。本发明专利技术激光防护装置包括氟化钙玻璃衬底以及制备在衬底上的卷曲的三维结构单元阵列；阵列中三维结构单元包括二氧化钒薄膜、铬薄膜、银薄膜，该复合薄膜通过自卷曲技术由平面状态卷曲为三维结构；其中二氧化钒薄膜为受激致动层，铬薄膜为粘附层和应力层，银薄膜为激光反射层。本发明专利技术利用二氧化钒薄膜的热致形变和银薄膜反射功能，实现无激光时不影响透光，激光入射时自发展开反射激光的智能防护。该装置制备方法简单，成本较低，可大规模生产，具有广泛实用意义。具有广泛实用意义。具有广泛实用意义。

【技术实现步骤摘要】
基于卷曲复合薄膜的激光防护装置及其制备方法


[0001]本专利技术属于激光防护
，具体涉及一种基于卷曲二氧化钒复合薄膜结构的激光防护装置及其制备方法。

技术介绍

[0002]激光的单色性好、方向性强、亮度高、相干性能优异等特点，使其在军事和民用领域都有着巨大的应用潜力。尤其在军事领域，包括激光致盲、激光制导、激光测距、激光瞄准等都已发展为成熟的武器系统，并发挥着重要的作用。特别是激光致盲武器，通过强激光对各类光电探测器进行破坏实现对敌侦查系统的致盲，成为了战争中重要的一环，甚至影响整个战局。除此之外，强激光对人眼也有着巨大的威胁。常见的激光武器常集中在0.5
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10um波段，如0.93um的GaAs，1.54um和10.6um的CO2等。
[0003]对于激光防护，目前主要局限于二维尺度，通常根据以下几种方式进行防护：（1）选择可见光通过率高，而红外波段反射率高的材料，如ITO，氧化锌，氧化铟等，它们在可见光波段几乎完全透过，但对波长在2um以后的区域则几乎不透过，以反射为主。这类的红外防护罩可以做到无需反应时间的阻挡2um以上的红外激光辐射，但缺点也是显著的，其只能作用在可见光波段的探测器，对红外波段的探测器会因为其无法透过红外而失去工作能力，同时也无法阻挡短波长的激光。（2）另一种常见的激光防护材料是基于二氧化钒的相变材料。其相变前后会有巨大的红外透过率变化，通常相变前，低温下呈现红外高透过率状态，而受到激光辐照温度升高发生相变后，红外透过率大幅降低，主要以反射与吸收为主（反射率与吸收率相近，反射率略高）。这就使得二氧化钒成为了一种基于红外探测器的智能激光防护罩。但二氧化钒本身可见光透过率较低，无法用于可见光探测器的激光防护（无法在低温下正常工作），同时激光辐照下仍具有一定的红外吸收，产生的热效应也会对设备造成一定的损伤。因此，我们需要一种能够适用于更长波段探测设备的红外激光防护器，且该防护器需要具有更高的反射率以保证激光对探测设备的损伤尽可能的小。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于提供一种防护性能好、稳定可靠的激光防护装置及其制备方法。
[0005]本专利技术提供的激光防护装置，是基于卷曲的二氧化钒复合薄膜结构的，包括氟化钙玻璃（CaF2）衬底，以及制备在衬底上的可卷曲的三维结构单元组成的二维阵列；阵列中三维结构单元由二氧化钒（VO2）薄膜、铬（Cr）薄膜、银（Ag）薄膜组成的复合薄膜，三维结构单元展开为平面时为正方形，正方形边长为180
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250um（优选正方形边长为180
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200um，更优选正方形边长为200um），正方形图形间隔为30
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100um（优选正方形图形间隔为30
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50um，更优选正方形图形间隔为30um）；卷曲的三维结构单元的卷曲半径为50
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110um；其中，二氧化钒薄膜为受激致动层，铬薄膜为粘附层和应力层，银薄膜为激光反射层。每个结构单元可以相互独立工作，工作的结构数量取决于红外激光辐照面积的大小。
[0006]其中：
氟化钙玻璃衬底表面平整，具有在0.13
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12um波段接近100%可见光与红外透过率；二氧化钒薄膜厚度为60
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80nm，铬薄膜厚度为10
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50nm，银薄膜厚度为50
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60nm；二氧化钒薄膜为相变材料，在相变温度（68℃）前后能够产生形变，带动铬薄膜、银薄膜卷曲或展平；银薄膜对红外光具有极大反射功能，避免激光对镜头的直接破坏；铬薄膜起粘附作用并传递应力。
[0007]本专利技术利用二氧化钒、铬和银的晶格失配产生的应力梯度，实现卷曲结构的制备。
[0008]本专利技术提供的基于卷曲二氧化钒复合薄膜的激光防护装置的制备方法，具体步骤为：（1）选择衬底；采用氟化钙玻璃作为衬底；衬底表面平整，具有在0.13
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12um波段接近100%可见光与红外透过率；使用丙酮、乙醇、清水分别超声清洗氟化钙玻璃，各8
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12分钟；（2）制备牺牲层：通过磁控溅射法在氟化钙玻璃表面沉积二氧化硅，作为牺牲层，厚度为80
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150nm；（3） 制备二氧化钒薄膜：采用磁控溅射法在二氧化硅薄膜表面生长二氧化钒薄膜，厚度为60
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80nm；（4）光刻图形阵列：在二氧化钒薄膜表面光刻正方形图形（M*N）二维阵列，每个正方形图形边长为180
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250um（优选正方形边长为180
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200um，更优选正方形边长为200um），正方形图形间隔为30
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100um（优选图形间隔为30
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50um，更优选图形间隔为30um）；（5）在图形化区域，采用用电子束蒸法依次沉积铬薄膜和银薄膜，铬薄膜厚度为10
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50nm，银薄膜薄厚度50
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60nm；（6）选择性腐蚀二氧化硅牺牲层，得到卷曲的二氧化钒/铬/银薄膜阵列，卷曲半径为50
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110um；为了保护上层二氧化钒/铬/银薄膜不被腐蚀，本专利技术采用氢氟酸作为腐蚀溶液。
[0009]步骤（2）中，二氧化硅薄膜表面粗糙度控制在5nm以下，以保证二氧化钒薄膜的沉积和卷曲阵列的高质量制备。
[0010]步骤（3）中，采用磁控溅射法制备二氧化钒薄膜的具体过程为：靶材为金属钒靶，采用直流电源200W，氧气、氩气流量比保持35:62 sccm；预溅射10min以去除靶材表面氧化层；当温度升至550℃后生长二氧化钒薄膜1000s，冷却至室温后取出样品。
[0011]本专利技术提供的基于卷曲二氧化钒复合薄膜的激光防护装置，其防护原理为，室温时（无激光照射），阵列的二氧化钒/铬/银薄膜卷曲结构为卷起状态，这部分的卷曲结构使衬底氟化钙玻璃暴露，镜头采光（可见光到近红外）都可以没有阻拦的穿过氟化钙玻璃，从而使防护器后面的探测器能够正常工作；当强激光（由于二氧化钒相变温度极低，实验中短距离激光仅需100mW就能实现相变）照射到镜头导致温度升高后，卷曲的二氧化钒会因为温度导致的相变带动上层金属自动从卷曲状态转变为平面状态，完全展平在氟化钙玻璃衬底上；由于银薄膜对红外光具有极大的反射效果，可避免激光对镜头的直接破坏。激光辐照消失后，温度回到室温，氟化钙玻璃表面的二氧化钒/铬/银薄膜重新回到初始卷曲状态。
[0012]本专利技术使用二氧化钒/铬/银复合薄膜，通过自卷曲技术制备得到新颖的基于三维被动式机械致动控光的激光防护装置，突破二维尺度单一材料体系的激光防护瓶颈。
[0013]本专利技术是利用卷起状态增强激光防护装置在室温下的透光率，不影响探测器镜头
工作；相变展开后，通过银膜和二氧化钒薄膜对红外光的高反射，隔绝红外激光对防护罩后设备的破坏。且该三维防护装置稳定可靠，经济性好，可以大规模制备。每一个卷曲结构是单独的个体，既可以单一结构工作，也可以大面积协同工作。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于卷曲二氧化钒复合薄膜的激光防护装置，其特征在于，是包括氟化钙玻璃衬底，以及制备在衬底上的卷曲的三维结构单元组成的二维阵列；阵列中三维结构单元由二氧化钒薄膜、铬薄膜、银薄膜组成的复合薄膜，三维结构单元展开为平面时为正方形，正方形边长为189
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250um，正方形图形间隔为30
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100um；卷曲的三维结构单元的卷曲管径为50
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110um；其中，二氧化钒薄膜为受激致动层，铬薄膜为粘附层和应力层，银薄膜为激光反射层；每个结构单元相互独立工作，工作的结构数量取决于红外激光辐照面积的大小。2.根据权利要求1所述的激光防护装置，其特征在于，所述氟化钙玻璃衬底表面平整，具有在0.13
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12um波段接近100%可见光与红外透过率。3.根据权利要求1所述的激光防护装置，其特征在于，二氧化钒薄膜厚度为60
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80nm，铬薄膜厚度为10
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50nm，银薄膜厚度为50
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60nm。4.一种基于卷曲二氧化钒复合薄膜的激光防护装置的制备方法，其特征在于，具体步骤为：（1）选择衬底；采用氟化钙玻璃作为衬底；衬底表面平整，具有在0.13
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12um波段接近100%可见光与红...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅永丰，李星，
申请(专利权)人：复旦大学义乌研究院，
类型：发明
国别省市：