深紫外光刻是目前集成电路制造的主流方法, 为实现更小的元件特征尺寸, 必须采用浸没式投影物镜以提高光学系统的分辨率, 由此向其中的薄膜光学元件提出了众多苛刻的要求。本文介绍了适用于浸没式光刻系统的薄膜材料及膜系设计, 以及高NA光学系统所需的大角度保偏膜系; 对物镜中最关键的浸液薄膜的液体环境适应性、疏水及防污染等关键问题进行了讨论; 对衡量浸没式光刻系统性能的重要因素镀膜元件激光辐照寿命, 尤其是浸液环境下的元件辐照寿命进行了分析。

研究了一种以蓝宝石为基底的可见光/激光/中红外“三光合一”窗口保护型硬质增透膜。首先开展了蓝宝石基底无吸收型硬质氧化物膜层的制备及其工艺最优化的研究,同时基于离子源工艺参数与反应气体流量的控制实现一种中波无吸收的低折射率Si1-xOx膜层,从而实现了全氧化物膜系在中红外波段上的应用。以此为基础,对蓝宝石基底可见光/激光/中红外三波段窗口膜系进行了优化设计与沉积仿真研究。经过大量镀制实验与工艺改进,最终制备出光学与机械性能良好的“三光合一”窗口薄膜,可见光至中红外波段上的平均透过率达到95%以上。镀膜样品一次性通过高低温试验、恒定湿热试验以及重度磨擦试验等。试验结果表明,膜层致密性和表面机械性能良好,具备一定强度的防潮防腐能力和抗激光损伤阈值水平,可适应海洋环境光电窗口的应用需求。

在飞秒单脉冲激光损伤 HfO2/SiO2薄膜样品实验中, 随着激光能量密度升高, 膜层从缺陷导致的点损伤发展到整层剥落, 损伤区域轮廓由模糊变清晰.研究表明, 尺度在纳米量级的颗粒缺陷会产生局部的场增强效应, 该效应与薄膜干涉场叠加, 造成了阈值损伤阶段损伤区域出现大量损伤点, 且由于飞秒激光对包括缺陷在内的薄膜材料的本征损伤特性, 使其损伤行为较为确定, 随着激光能量的提升, 薄膜出现更大面积的规则烧蚀区, 此时干涉场的作用上升到主导地位, 膜层的整层剥落行为掩盖了缺陷的诱导作用.

基于表面粗糙度的空间周期与光波波长的相对关系，引入大、小尺度粗糙度概念，建立考虑粗糙度时多层膜正入射光谱特性系数的近似计算模型。以紫外波段的单层膜和多层膜为例进行光谱特性仿真计算，对仿真结果进行横向对比，结果表明，无论是对单层膜还是多层膜，该近似计算模型结果正确，计算精度高，具有较好的适用性。

基于ISO11254国际标准,构建了基于半导体激光光散射检测光学薄膜损伤与否的光学薄膜激光损伤阈值测试系统。运用图像处理以及灰度值作为判断薄膜损伤与否的判据,对TiO2/SiO2增透膜进行了阈值测试。由图像处理可得,当光斑图像有效区域内灰度值最大的前50个像素点的平均灰度值在25到33之间时,该区域为薄膜损伤的临界区域,并将测量结果与在Veeco白光轮廓仪观测到的损伤形貌进行对比,具有较好的一致性。

双色滤光片的膜系设计方法有多种，如自动优化设计、缓冲层和组合膜系设计、加厚间隔层的Fabry-Perot(F-P)膜系、双峰结构F-P 膜系的多次重复，以及具有分形结构的F-P 膜系设计等方法。但它们在特定通道带宽和通道间距要求的膜系设计中，或者在膜系的工艺可实施性方面存在一定的局限性。运用目标光谱拟合优化后的两个具有增透带的F-P 膜系相组合的设计方法，有效解决了较宽通道带宽和较大通道间距的双色滤光片的设计问题。采用Ge和SiO 两种材料，利用有限的38层薄膜，在中波红外波段设计出了波形良好的双色滤光片，其两个通道的相对带宽均为9%，两个通道中心波长位置比可以在1.4~5.0 的范围内进行调整，通带边缘陡度不大于2.0%。这种膜系结构的双色滤光片具有通带宽度和位置方便调控的特点，并有较强的可实施性。

提出了低偏振分离的立方棱镜带通滤光片的设计方法。为减小光在立方棱镜中s、p偏振光的偏振分离, 采用三种材料来构成带通滤光片的反射镜, 并采用不同折射率排列的反射镜结构构成嵌入式的多个带通滤光片, 既提高了s、p偏振光的通带透射率, 又减小了s、p偏振光在通带中的偏振分离和偏振位相差。通过改变反射镜的基本周期数和滤光片的周期数, 可以调节滤光片的通带宽度和截止度, 经膜厚优化, 得到满意的设计结果。

提出了一种具有低偏振像差的偏振分色合色系统的设计方法。通过优化设计得到的结果为:短波通膜透射曲线的S、P偏振分离为1.9 nm,长波通膜透射曲线的S、P偏振分离为0.8 nm;短波通膜和长波通膜合成的S、P偏振位相差在整个工作波长420～680 nm为小于29°且大于-10°,相比常规的偏振分色合色系统,偏振像差得到了显著改善。

基于斜入射薄膜制备实践中镀膜误差对光谱性能的严重退化影响的认识，提出了一种基于灵敏度控制的主动膜系设计方法，深入分析了镀膜中膜层结构参数误差的分布规律，建立了膜系灵敏度的定量计算模型，并在大角度高精度消偏振增透膜的设计实验中验证了灵敏度控制思想在膜系设计中的可行性和有效性。结果表明，这一设计方法不会显著增加程序时间消耗，能获得具有良好可镀制性能的薄膜，可以避免昂贵的失败试镀和采样，缩短新薄膜的生产周期，对于高精度斜入射薄膜的重复性制备具有显著意义。

红外宽光谱增透膜作为红外光学系统中的关键元件,其研究是一项比较复杂而备受重视的工作。针对风云二号辐射计锗窗口的宽光谱增透膜的要求,通过对镀膜材料在既定工艺条件下的光学参数的准确拟合,采用非对称等效层理论,并将材料光学参数拟合值代入到膜系的优化过程中,从而得到能够与实际情况接近的理论设计膜系。经过工艺优化后,研制出的宽光谱增透膜在要求的3.5-4.0 mm,6.3-7.6 mm,10.3-11.3 mm三个通道的平均透射率均大于96％,而11.5-12.5 mm通道的平均透射率大于94％。膜层能够经受住浸泡、高温高湿等一系列环模试验的检验,完全满足项目的使用要求。