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入射角对含钴氧化铝膜红外偏振光谱特性研究

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摘要：

引言

偏振器件是重要的光学器件之一。目前已有的各种各样的偏振元件(如格兰棱镜、尼科耳棱镜、二向色薄膜、金属线栅、干涉薄膜等)已广泛应用于光隔离器、光调整器、光转换开关等，但它们都具有体积大、效率低、造价高等缺点。光电通信的发展迫切需要一些体积小、重量轻且效率高的微偏振元件，因此，研究开发一些新型的微偏振器件是非常必要的。

近年来，由于金属纳米线/复合结构体系具有不同于块体材料的光学特性，其制备和光学特性引起了人们很大的兴趣[1-3]。在钴纳米线/阳极氧化铝膜复合体系的研究方面，国外的SHINGUBARA等人[4]在阳极氧化铝膜的微孔中沉积了钴纳米线，研究了钴纳米线长径比与其磁性的关系；国内的LI等人[5]通过改变沉积液的pH值，在阳极氧化铝模板中用交流电化学沉积的方法制备出了不同晶体结构的钴纳米线阵列。这些工作主要集中在钴纳米线的制备和磁性方面，对于含钴阳极氧化铝膜纳米复合体系光学特性尤其是偏振特性方面，还鲜有报道。

本文中以阳极氧化铝膜为模板，采用交流电沉积的方法，制备了含钴阳极氧化铝膜，制备了测试样品，测得了含钴阳极氧化铝膜的透射光谱，并重点研究了不同入射角度下的偏振光谱。

1 样品制备及测试方法

取纯度为99.99%的单晶铝片，分别放入丙酮和乙醇中，用超声波振荡器清洗以除去表面油污；用去离子水反复冲洗，然后进行阳极氧化。氧化所采用的电解液为硫酸溶液，0.4mol/L，氧化电压为25V。氧化结束后，将样品放入磷酸中扩孔，磷酸浓度为0.3mol/L，扩孔温度为30℃，时间为5min。扩孔处理后，采用交流电镀的方法用硫酸钴电解液在孔的底部电镀钴柱，电源频率为50Hz，电压为20V，其中电解液的组成是：CoSO4·7H2O为40g/L，硼酸为40g/L；沉积时间为25min，反应在0℃下进行。反应结束后，将样品放入去离子水中煮沸，这样在膜表面会形成一层水封膜；再将样品放入CuCl2溶液中浸泡，除掉铝基底，这样得到了含钴阳极氧化铝膜。

采用参考文献[6]中的测试样品制备方法，将样品固定在两块直角棱镜(ng=1.67)之间，利用溴代萘(n=1.65)作为胶合剂，LaK2玻璃、溴代萘与阳极氧化铝膜的折射率(n1=1.6)相近，这样可以尽量减少玻璃和氧化铝膜界面之间的光学损耗[7]。测试样品的透射光谱和偏振光谱均在UV-3101PC型分光光度计上完成，其中偏振光谱采用双光路同向起偏的方法完成采集[8]。

2 结果与分析

对含钴阳极氧化铝膜样品进行了X射线衍射图谱表征，发现在2θ分别为41.6°和44.8°时，存在两个明显的衍射峰，分别对应六角密堆积结构Co(100)和面心立方结构(111)晶面衍射峰，且Co(100)峰在这两个峰中占主导，这说明阳极氧化铝膜上生成的Co为面心立方和六角密堆积共存的结构[9]，且钴纳米线具有一定的结晶取向。

测试样品的透射光谱如图1所示。由图1可以看出，样品在可见光波段的透射较小，而在近红外波段，含钴阳极氧化铝膜有较好的透射，且随着波长的增加，含钴阳极氧化铝膜透射率逐渐增大。

为测试含钴阳极氧化铝膜偏振特性的入射角度效应，制备了结构角为30°和45°的两块玻璃棱镜。含钴阳极氧化铝膜的偏振光谱曲线如图2所示，曲线a和曲线b分别为入射角是30°和45°时s分量的透射率；曲线c和曲线d分别为入射角是30°和45°时p分量的透射率。由图中曲线可以看出:(1)样品在近红外波段表现出良好的偏振特性;(2)随着入射角的增加，p分量和s分量的透射率均逐渐减小，但p分量和s分量损耗的机理不同：s分量的损耗主要源于界面处的反射损耗；p分量的损耗主要是由于样品的吸收。所以当入射角增大时，s分量和p分量的透射率均下降;(3)曲线在1670nm和2170nm附近的波动是由于胶合剂溴代萘的吸收所致，由于p分量和s分量在此处均有波动，所以这并不影响样品的消光比。

Fig.2 Polarizing property of anodic alumina with Co columns

另外，还研究了入射角对含钴阳极氧化铝膜消光比的影响。实验结果表明，含钴阳极氧化铝膜的消光比随入射角的增加而提高。表1中给出光纤通信和大气探测典型波长下入射角分别为30°和45°时样品的消光比[10]。

Tabel 1 Extinction ratio of anodic alumina with Co columns30°45°wavelength/nmextinctionratio/dBwavelength/nmextinctionratio/dB．0．．．．．．．46

由表1可以看出，含钴阳极氧化铝膜在1300nm,1550nm,2000nm和2400nm时有较好的消光比，并且消光比随入射角的增加而明显增大。入射角为30°时，样品在以上几个波长的消光比分别为18.01dB,13.77dB,10.26dB和9.23dB；而在入射角为45°时，样品在以上几个波长的消光比分别达到了21.68dB,17.70dB,13.42dB和11.46dB。

文章来源：《电镀与精饰》网址: http://www.ddyjszz.cn/qikandaodu/2020/1004/387.html