针对抗反射膜引入的附加位相，分析了衍射光学元件的衍射效率，提出了含有抗反射膜的衍射光学元件的优化设计方法。以工作在可见光波段的衍射光学元件为例，对比分析了采用传统方法和优化方法设计的衍射光学元件的衍射效率。结果表明：抗反射膜对衍射光学元件的衍射效率和带宽积分平均衍射效率的影响是不可忽略的。针对正入射和 30°斜入射两种工作状态，采用优化设计方法得到的衍射光学元件的带宽积分平均衍射效率高于 94%。

基于亚波长结构对光场的调控作用,研制了单层金属线栅偏振元件。利用等效介质和严格耦合波分析(RCWA)理论确定了结构参数,使用有限时域差分(FDTD)法优化设计了Si基底Al金属线栅结构,并通过多层减反射膜与金属线栅结构的匹配,降低了基底剩余反射率,提高了横磁(TM)波透过率。采用间歇镀Al法减少了辐射温度导致的胶栅形变,制备了具有高偏振性能的亚波长元件。经测试,所制备的线栅偏振元件在中波红外3~5 μm波段的TM波透过率为89.1%,消光比为21.9 dB。

具有宽带高吸收特性的吸收器是太阳能利用的关键。设计了一种含有抗反射层的基于二维光子晶体结构的太阳能吸收器,其中砷化镓(GaAs)作为吸收介质,被填充到具有四方晶格结构的二维光子晶体的钨(W)基底圆形空腔中。采用有限元法进行了模拟计算分析,结果表明,在300~2500 nm的波长范围内,吸收器的平均吸收率为92.5%,有效吸收率高达94.9%,入射仰角为50°时,有效吸收率仍有90.13%。该结构具有全太阳光谱高吸收、偏振不敏感和广角吸收等特点。研究结果为高性能太阳能吸收器的设计提供了参考。

晶硅异质结太阳电池表面的减反层是ITO薄膜,其低的紫外透过率、高的近红外光学损耗限制了电池效率的提升。为此,本文设计了三层减反膜来减小ITO薄膜的光学损耗。利用光学薄膜膜系设计软件TFCalc、光线追迹程序(OPAL 2)和太阳电池模拟软件 PC1D 对三层减反膜的光学性能和相应电池的电学性能进行了模拟和分析,并对折射率色散效应、晶硅表面形貌以及各膜层的厚度容差进行了讨论。结果表明:考虑折射率色散效应的三层减反膜比ITO薄膜的寄生吸收更小,减反射带宽更大;绒面硅表面减反膜比平面硅表面减反膜的加权平均光学损耗降低了2.43个百分点,相应电池的短路电流密度和转换效率分别提高了0.82 mA/cm 2和0.34个百分点;减反膜中低折射率的SiOx 膜层具有更大的厚度容差范围。

为探究塑料镜片在高湿环境下透过率下降和高温环境下容易发生膜裂现象的原因, 选取 Ti3O5、SiO2作为高、低折射率材料, 使用 TFCalc进行膜系设计及优化, 采用电子束蒸发工艺得到 420~880nm、平均反射率 R 1%的减反射膜。测试结果表明: 四种工艺参数下镀膜后的塑料镜片在 85℃、85RH的环境下 24h后, 透过率下降小于 1%; 在 120℃的环境下 24h后, 2#和 4#镜头出现了膜裂现象。增加膜层的聚集密度可以有效提升塑料镜片的防水性能和抗高温性能。

为提高手机显示屏的耐摩擦、防划伤能力,降低显示屏破碎的风险,研制了在可见光波段的硬质增透膜。通过逐步提高设计中SixNy膜层厚度在薄膜总厚度中所占的比例,优化沉积工艺,改善薄膜硬度。根据增透膜的设计理论、合理的膜层分组方式和逆向反演分析法完成膜系设计,降低了薄膜反射率。测试结果表明,在可见光波段范围内,薄膜的平均反射率为0.58%,硬度达到15.99 GPa。

基于等效介质理论和多层衍射元件的本体相位延迟,考虑增透膜相位调制的影响,对多层衍射光学元件的表面微结构参数进行优化;采用优化设计方法分析应用于可见光波段镀有增透膜的多层衍射光学元件。结果表明:优化设计方法在保证增透膜物理作用的前提下,实现了在设计波长处的衍射效率为100%以及在宽波段内具有高多色光积分衍射效率;该方法弥补了传统多层衍射光学元件的设计缺陷,完善了多层衍射光学元件的设计理论,为混合成像系统的设计提供了参考。

光学减反膜是激光系统的重要组成部分, 也是在激光照射下最容易发生损伤的部分, 如何提高减反膜的激光损伤阈值是研究的热点之一。在保持目标透射光谱要求和膜系总光学厚度不变的前提下, 研究了不同梯度化减反膜与激光损伤阈值之间的关系。首先采用混合渐变膜系设计方法设计了一种渐变减反膜系, G/H1→H/L/A; 其次通过渐变折射率分层等效方法将渐变减反膜系进行不同的梯度化, 并利用PECVD技术, 在K9玻璃上沉积了满足光学性能指标要求的不同渐变减反膜系(多层梯度渐变膜系和相应的坡度渐变膜系); 最后进行了激光损伤阈值(LIDT)测量。研究结果表明: 在保持目标透射光谱要求和膜系总光学厚度不变的前提下, 渐变减反膜系相比于传统减反膜系, 抗激光损伤阈值有明显的提高; 随着梯度化层数的增加, 渐变减反膜系的激光损伤阈值呈减小的趋势; 对于相同膜层的渐变折射率薄膜, 采用坡度法制备的样片抗激光损伤阈值均优于采用梯度化制备的样片。

现代综合性光学仪器往往是一机多用，光学系统的工作波段可能要覆盖紫外、可见、微光、近红外、短波红外甚至中、远红外等。这样的光学系统往往比较复杂，涵盖光学零件类型较多，镜面累计光能损失、杂散光现象严重，光能的损失及杂散光的传播，造成了像的亮度降低，像的衬度降低，像的分辨率下降，为了获得良好的光学系统性能，需要在其光学零件表面镀制超宽带减反射膜。而这种膜系通常需要较多的层数和较多种膜料的组合才能实现，设计和镀制难度都很大。文中提出了一种利用通带扩展方法设计超宽带减反射膜，选用Ta2O5、SiO2两种膜料组合，实现了0.42~0.9 μm，Rave≤1.6%，1.064±0.01 μm，Rave≤1%，1.57±0.01 μm，Rave≤1%，超宽光谱区域减反射效果，镀制膜层质量满足JB/T8226.1-1999检测标准。

疲劳效应是诱导高功率固体激光装置中光学元件激光损伤的因素之一, 目前对SiO2化学增透膜激光诱导疲劳损伤的研究鲜见报道。基于此, 本文采用单一激光能量多发次辐照和多梯度激光能量多发次辐照两种不同的激光辐照方式, 研究1064 nm化学增透膜层的激光疲劳损伤效应及特征。研究结果表明, 在单一激光能量多发次脉冲激光辐照下, 膜层最易发生疲劳损伤; 采用多梯度激光能量多发次辐照的方式, 可以有效地提升膜层的损伤阈值, 进而提升膜层的抗激光疲劳损伤性能。