基于损耗模共振的氧化钒薄膜光学特性实时监测技术及其在光纤器件中的应用研究

本研究针对氧化钒薄膜在光纤器件中光学特性实时监测的难题，开发了基于损耗模共振（LMR）的原位表征技术。通过化学蚀刻光纤侧壁沉积薄膜，首次实现V2O5/V6O13混合相薄膜生长过程的动态追踪，发现VO2相可使光纤透光率突变17%，并研制出灵敏度达2050 nm/RIU的折射率传感器，为智能光纤器件的精准制备提供新方法。

　　

在光纤技术广泛应用于环境监测、医疗诊断等领域的今天，氧化钒薄膜因其独特的相变特性成为智能光学器件的关键材料。然而，传统表征方法难以实时追踪薄膜生长过程中的光学参数变化，且不同氧化钒相（如VO₂、V₂O₅等）的精确控制存在挑战。俄罗斯科学院无线电工程与电子研究所的研究团队在《Optical Materials》发表的研究中，创新性地将损耗模共振（Lossy Mode Resonance, LMR）技术应用于薄膜沉积过程监控。

研究采用化学蚀刻法制备直径18.5 μm的SMF-28e单模光纤作为基底，在180-290°C氩气环境中通过异丙醇氧钒（VTIP）气相沉积氧化钒薄膜。通过实时监测LMR光谱位移，团队首次揭示了薄膜厚度与光学特性的动态关联规律。X射线衍射分析显示，薄膜主要含V₂O₅和V₆O₁₃混合相，特定条件下可生成具有4个数量级电阻突变的VO₂相。

材料与方法
研究结合化学蚀刻光纤（直径18.5 μm）与平面硅/蓝宝石基板对照，采用LMR实时监测系统追踪薄膜沉积过程。通过调节VTIP供给量和沉积温度（180-290°C），结合氢气氛退火工艺控制相组成，利用X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）分析薄膜成分。

沉积过程研究
发现温度低于180°C时薄膜会吸附过量VTIP导致光学性能不稳定，而290°C以上沉积则引发V₆O₁₃向V₂O₅转化。LMR光谱显示，薄膜厚度每增加10 nm会引起共振波长红移约15 nm，该现象被用于精确控制沉积终点。

氢退火影响
氢气氛退火实验证实，控制温度和时间可将V₂O₅主导膜转化为VO₂含量超80%的薄膜，其68°C附近出现17%透光率突变，但最佳电学与光学性能所需退火条件存在差异。

折射率传感应用
以V₂O₅主导薄膜制作的传感器，在1.331-1.429折射率范围内表现出2050 nm/RIU的灵敏度，验证了该技术在生化检测中的应用潜力。

这项研究的意义在于：首次建立氧化钒薄膜生长过程的光学实时监控方法，阐明沉积参数-相组成-性能的构效关系，为开发具有环境响应特性的智能光纤器件（如温度开关、生化传感器）提供了理论依据和技术支撑。Valeriy A. Luzanov等人发展的LMR动态监测技术，不仅适用于氧化钒体系，还可拓展至其他过渡金属氧化物薄膜的精准制备领域。