基于聚类全局优化算法提出了一种新的薄膜设计优化方法,它可以迭代地改变初始膜系结构,相比传统的局域优化技术,能够计算得更加全面、彻底.即使初始膜系和设计目标差距非常大,这种聚类全局优化方法依然能够优化出很好的结果,克服了传统局域优化方法的缺点.利用可见到红外宽波段增透膜的实例证实了聚类全局优化方法在处理薄膜设计问题上的能力与优势.

根据太阳电池阵激光防护膜性能优化的需要, 应用离子辅助电子束双源共蒸工艺方法制备了优化设计所需的特定折射率的薄膜材料并用于制备激光防护膜。测试结果显示: 用该工艺方法制备的掺杂材料薄膜的折射率n=175, 与优化设计所需数值相符; 激光防护膜性能优良, 太阳辐射能透过率提高6％以上, 实现了对该激光防护膜性能的进一步优化。为了使该双源共蒸方法适于大面积薄膜的制备, 应用均匀性挡板技术来提高该方法制备大面积薄膜的膜厚均匀性, 使制备的掺杂材料薄膜在口径为400 mm时的不均匀性小于21％。该双源共蒸方法制备工艺简单、可靠, 适于实际工程应用。薄膜性能测试结果与理论优化结果相符, 达到预期优化目标。

月基极紫外相机用于月球表面对地球等离子体层辐射出的30.4 nm谱线进行成像观测, 多层膜反射镜是月基极紫外相机的重要光学元件。 根据月基极紫外相机技术参数, 选择了B4C/Mg, B4C/Mg2Si, B4C/Al, B4C/Si, Mo/Si等材料, 对其周期厚度、 材料比例、 周期数等参数进行优化。 计算了以上材料组合在30.4 nm的反射率曲线。 考虑到月球环境的特殊性和材料的物理化学性质, 从中选择出Mo/Si和B4C/Si两种组合, 利用磁控溅射进行镀制。 Mo/Si和B4C/Si多层膜在30.4 nm反射率分别达到15.3%和22.8%。

研究了月球表面高温、强辐射的空间环境下Mo/Si多层膜的热稳定性和辐照稳定性。Mo/Si多层膜采用磁控溅射法镀制，将制备好的多层膜在100 ℃和200 ℃高温下加热，利用激光等离子体反射率计和X射线衍射仪(XRD)对加热前后的多层膜进行了测量。结果显示在200 ℃以内，多层膜反射率和中心波长没有显著变化，表现出良好的热稳定性。利用Monte Carlo方法模拟了质子在多层膜内造成的缺陷的分布和浓度分布。模拟显示，能量大的质子沉积在多层膜内部，造成的缺陷也集中在多层膜内部。用能量为60 keV，剂量分别为3×1012 cm-2和3×1014 cm-2的质子对Mo/Si多层膜进行辐照实验。发现多层膜内部出现了烧蚀损伤缺陷及节瘤缺陷。结果表明能量相同时，辐照剂量越大对多层膜反射率影响越大。

在确保制作感性网栅膜后光学窗红外透射率下降小于5%的前提下, 研究了影响感性网栅膜电磁屏蔽特性的主要因素。归纳了感性网栅膜红外透射率公式, 运用含阻抗边界条件的谱域Galerkin法推导了周期结构金属网栅的电磁场积分方程, 用周期矩量法计算出网栅的反射系数及透射系数, 进而求出其电磁屏蔽效能; 计算并分析了采用不同线宽、周期、衬底材料、衬底厚度时透明导电光窗(金属网栅膜)的电磁屏蔽效能。最后, 采用激光直写、真空镀膜等工艺在ZnS基底上制作了周期为360 μm×360 μm、线宽为12 μm, 方块电阻分别为13 Ω、25 Ω的样片, 采用自由空间法测试了2～18 GHz频段的电磁屏蔽效能。测试与分析结果表明: 当感性网栅膜在8～10 μm波段引起的平均透射率下降小于2％的情况下, 电磁屏蔽效能平均达到了20 dB以上。结果显示网栅的光电特性是矛盾的, 线宽与周期越小电磁屏蔽效果越好, 同时应尽量降低网栅的表面电阻。

以Ar气作为工作气体，CH4作为反应气体，利用低压反应离子镀(RLVIP)技术在Ge基底 上成功制备出类金刚石(DLC)薄膜。通过拉曼光谱、Perking Elmer GX型红外光谱仪和Nano Indenter XP型纳米压痕硬度测试计分 别表征了类金刚石薄膜的微观结构、光学性能和机械性能。结果表明，类金刚石薄膜(ID/IG=0.918) 具有较高的sp3键含量，其硬度值达到28.6 GPa，弹性模量为199.5 GPa；单层膜系在8 ～ 11.5 m波段 的峰值透过率为63.6 %，平均透过率为62 %。

根据空间应用项目需求, 采用等离子辅助电子束蒸发方法对RB-SiC基底进行了表面改性, 并对表面改性的性能和可靠性进行了相关评估.经测试, 改性后RB-SiC基底表面粗糙度(rms)降低到0.632 nm; 散射系数降低到2.81%, 500~1 000 nm范围的平均反射率提高到97.05%, 已经接近于抛光良好的微晶玻璃的水平; 改性涂层温度稳定性高, 与基底结合牢固; 加工后, 面形精度达到0.119λ(PV)和0.014λ(rms), λ=632.8 nm.评估结果表明, 这种SiC基底表面改性的工艺是可靠的, 其光学性能满足空间高质量光学系统的要求, 适宜空间环境应用.

利用等效折射率概念分析了SiO2单层膜反常色散出现的原因，并在1.1 m镀膜机上证明了理论分析的合理性.结果表明，理论分析与实验结果一致，沿薄膜厚度方向折射率的对称周期变化使薄膜的等效折射率变化在可见光波段与致密膜层的变化不一致，表现出反常色散的现象.膜厚方向折射率变化周期越大，等效折射率随波长增加的趋势就越大，薄膜表现出的反常色散特性越明显.沿膜厚方向折射率变化幅度的对色散特性影响次之.

SiC材料具有良好的物理特性和机械特性,是制备大口径空间反射镜的主要候选材料之一,而SiC反射镜的制备、加工及其表面改性技术是推动高水平空间光学系统应用的重要条件。本文从实际工程应用的角度出发,分析了几种常用SiC基底反射镜材料的特性,介绍了4种SiC的制备工艺。研究了目前国内外SiC基底反射镜的应用现状及其表面改性情况,对改性层的性能指标、制备工艺和发展趋势进行了深入讨论。针对目前国内反射镜材料应用现状,认为加快高性能SiC基底材料研发工作步伐,并找到一种利用现有大口径PVD设备低温制备优质SiC改性层的方法是今后工程应用的发展方向。

为了满足空间用大口径、复杂轻量化结构RB-SiC基底反射镜对高性能表面质量的需求,针对RB-SiC基底的特性,提出了改进表面改性工艺的方法。采用高能量考夫曼离子源辅助,预先对基底进行碳化和加镀C缓冲层,并制备Si改性涂层的方法对RB-SiC基底进行了表面改性。测试结果表明:与单纯霍尔离子源辅助方法相比,该工艺方法制备的Si改性涂层生长得更加致密、均匀,抛光特性良好;改性抛光后表面粗糙度(rms)降低到0.635 nm,达到了S-SiC基底的水平;改性后RB-SiC基底的反射率明显提高,达到了抛光良好的微晶玻璃的水平。结果表明,该工艺方法是提高RB-SiC基底表面改性效果的一种合理有效的方法。