金刚石作为一种具有独特优异性能的半导体材料，在光学和电子学领域具有重要的应用价值。目前生长金刚石最常用的方法是化学气相沉积（CVD）法，采用该方法制备的金刚石薄膜通常为多晶结构，表面粗糙度高、颗粒大的缺点制约了金刚石薄膜的应用。笔者提出了飞秒-纳秒-离子束刻蚀的复合抛光方法并采用该方法对CVD金刚石薄膜进行抛光。结果表明：经飞秒-纳秒激光刻蚀后，金刚石表面粗糙度降低得十分明显，由未刻蚀时的4 μm降至0.5 μm左右，但表面出现了明显的石墨化现象；进一步采用离子束刻蚀去除表面的石墨层，最低可将表面粗糙度降至0.47 μm。所提方法实现了金刚石表面的无改性平滑抛光，为金刚石表面微纳器件的发展奠定了基础。

针对传统熔石英激光窗口在碱金属蒸气环境下易腐蚀的痛点问题，提出了在蓝宝石材料上制备增透微结构的方法，以实现耐高温、耐腐蚀的高透激光窗口。在理论仿真的基础上，采用干涉曝光与反应离子束刻蚀技术，在蓝宝石基底表面上制备了增透微结构，其对795 nm光的单面透过率达到99.23%。在此基础上，制备了双面增透微结构和一面增透微结构一面增透膜的蓝宝石窗口片，相较于蓝宝石基底，它们对795 nm光的透过率分别提升了12.13%和13.02%。高功率激光作用温升测试结果表明，当激光功率从35 W增加到99.6 W时，裸基板温度增加了5.9 ℃，但是双面增透样品的温升均为3.8 ℃，表明双面增透处理可以适当降低温升。同时，光束质量测试结果表明，当高功率激光作用下微结构窗口的温度控制在200 ℃以内时，双面增透样品的光束质量因子在横向上的变化小于0.05，在纵向上的变化小于0.06，表明该增透窗口对入射光光束质量的影响甚小。

为实现铌酸锂光学器件的高效集成，在其表面制备亚波长结构是实现其光学特性的最佳方式。然而，目前使用的聚焦离子束刻蚀、激光刻蚀、湿法刻蚀等方法很难简单、经济、较快地制备铌酸锂亚波长结构。鉴于此，本课题组基于有限元仿真及低能离子束刻蚀技术，研究了不同离子束参数下刻蚀的铌酸锂亚波长结构及其透射率。采用Lambda950分光光度计和原子力显微镜分别对刻蚀后的铌酸锂样品的透射率、均方根粗糙度、纳米结构的纵向高度和表面形貌进行了分析。结果表明：当离子束入射角度为70°、入射能量大于600 eV、束流大于40 mA、刻蚀时间大于60 min时，铌酸锂样品表面形成了大面积的锥形纳米结构，并且纳米结构的高度随着离子束刻蚀参数的增大而增大；在可见光波段，铌酸锂表面纳米结构越高，增透效果就越明显；当入射能量为1000 eV、离子束束流为40 mA、入射角度为70°、刻蚀时间为120 min时，铌酸锂表面刻蚀出了纵向高度为143.5 nm的锥形结构，此时在可见光范围内铌酸锂样片的峰值透射率为83.5%，相较于原片的透射率提高了约12.5个百分点。

凸面光栅是Offner结构成像光谱仪的核心分光元件，制备出高衍射效率、高分辨率的凸面光栅是提高光谱仪成像质量，实现遥感探测的关键。介绍了目前凸面光栅的研究现状，讨论了设计与制作凸面闪耀光栅的主要方法。凸面光栅的设计方法采用严格耦合波理论对光栅进行衍射效率分析，制作方法主要包括：电子束直写法、X射线光刻法、机械刻划法以及全息离子束刻蚀法。鉴于全息离子束刻蚀法具有成本低、槽型可控、无鬼线等优点，详细介绍了利用该方法制备凸面光栅的工艺及相关研究报道。在接下来的工作中将不断优化和提高全息曝光光强分布的均匀性，改进摆动刻蚀装置旋转轴的可调性，优化离子束刻蚀工艺参数，以期制作出实用化的凸面闪耀光栅。

利用严格耦合波理论分析了用于520 nm波长飞秒激光制备光纤光栅的相位掩模的衍射特性, 当相位掩模是矩形槽形时, 占宽比在0.32~0.43之间, 槽形深度在0.57~0.67 μm之间时, 能够保证零级衍射效率抑制在2%以内, 同时±1级的衍射效率大于35%。在此基础上, 利用全息光刻-离子束刻蚀技术, 制作了用于520 nm波长飞秒激光的周期为1 067 nm、有效面积大于40 mm×30 mm的相位掩模。实际制作的相位掩模是梯形槽形, 槽深是0.665 μm, 分析了梯形槽形中梯形角对衍射效率的影响。实验测量表明, 该相位掩模的零级衍射效率小于2%, ±1级衍射效率大于40%,满足飞秒激光制作光纤光栅的需要。

通过微结构结合镀膜的方法成功设计和制备了中红外宽带减反射元件。首先,利用FDTD Solutions软件,模拟了微结构周期、占空比、高度以及膜层厚度对所需波段透射率的影响规律,得到较好增透效果的微结构和膜层结构参数;根据设计参数,采用激光干涉曝光和反应离子束刻蚀技术在蓝宝石表面制备出相应微结构,然后在其表面镀制相应厚度的SiO2膜。测试结果表明:仅有单面微结构的蓝宝石元件在1.5~4 μm波段的平均透射率达到92.3%,具有复合结构的蓝宝石元件在该波段的平均透射率高达98.7%,相对双面抛光蓝宝石样品透射率提升11.0%左右,实现了蓝宝石表面的宽带增透;对具有复合结构的蓝宝石元件进行了湿度验证和高低温循环实验,实验前后透射率曲线无明显变化,且无明显水吸收,说明该元件具有很好的环境适用性。

在不同氪(Kr)离子束参数下,研究了微波回旋共振离子源对旋转蓝宝石样片表面的刻蚀效果。采用四因素三水平正交实验,分析了Kr ⁺离子束的入射角度、离子束能量、束流密度、作用时间对辐照后蓝宝石表面结构的影响规律,研究了离子束参数与蓝宝石表面粗糙度、刻蚀速率的关系。实验结果表明:当离子束入射角度为60°、能量为600 eV、束流密度为239 μA·cm ^-2、作用时间为90 min时,样品表面的粗糙度最大,且形成的表面形貌具有明显的点状结构;在同样的离子束入射角度、能量和束流密度下,作用时间为30 min时,刻蚀速率最大,表面形貌点状结构密集。利用最优参数组合可得到良好的点状纳米结构、最优的粗糙度和刻蚀速率。