为提高弯月透镜表面的膜厚均匀性,对三级公自转行星系统中弯月透镜表面进行了膜厚均匀性的研究。构建了三级公自转行星盘的运动轨迹方程,并根据膜厚计算公式,建立了与三级盘倾角、公转半径有关的弯月透镜表面相对膜厚分布模型,采用电子束蒸发和离子束辅助沉积技术对分布模型进行了实验验证。此外,根据多次实验结果优化三级公自转行星系统结构参数,以提高弯月透镜表面的膜厚均匀性。实验结果表明,在未使用修正挡板技术的情况下,当公转半径为650 mm、倾角为60°时,可将弯月透镜凸面表面膜厚均匀性控制在±2.45%以内。

研究了1.1 m大口径镀膜机热蒸发制备金属铝膜的膜厚均匀性问题，针对旋转平面夹具分析了夹具高度H以及蒸发源与真空室中心轴距离L对铝膜膜厚均匀性的影响。当 L=400 mm，H/L=1.10时，膜厚均匀性最好，不均匀性为9.614%，不均匀性随H/L的值增大而增大。当H=500 mm，H/L=1.47时，膜厚均匀性最好，不均匀性为4.487%，不均匀性随H/L的值减小而增大。进而引进了一个修正挡板函数，提出并设计了合适的修正挡板，膜厚均匀性由不加修正挡板时的17.8%改善到3.9%，从而解决铝薄膜厚度均匀性问题。

基于非余弦膜厚计算公式,提出了利用极坐标简化表征膜厚分布的方法,对单源电子束蒸发的光学薄膜的膜厚均匀性控制进行了研究,同时对修正板的放置位置进行了计算。相对于传统修正板置于蒸发源正上方的方法,采用极坐标法计算得到的修正板位置更有利于控制膜厚分布的均匀性。以蒸发H4和MgF2为例,分别对高、低折射率材料的修正板位置和形状进行计算,并利用这两种材料分别制备单层膜,实测光谱均匀性偏差优于0.3%,证明了所提方法的正确性与可行性。

针对大口径光学元件溅射沉积膜厚不均匀的问题, 采用离子束溅射平坦化层来改善光学元件表面粗糙度.利用膜厚检测仪测出光学元件沉积面上的中心区域以及各边缘区域的膜厚值, 计算离子束在光学元件中心与边缘驻留时间比, 并通过MATLAB拟合驻留时间分布规律, 根据所得的数据进行逐级修正.实验结果表明, 当驻留时间比优化为-26.6%时, 可以实现在直径300~600 mm大口径的光学元件上均匀镀膜, 以熔石英表面上镀硅膜为例, 溅射沉积6 h, 表面膜厚为212.4±0.3 nm, 薄膜均匀性达到0.4%.

采用离子束溅射制备了AlF3、GdF3单层膜及193 nm减反和高反膜系, 分别使用分光光度计、原子力显微镜和应力仪研究了薄膜的光学特性、微观结构以及残余应力。在优选的沉积参数下制备出消光系数分别为11×10-4和30×10-4的低损耗AlF3和GdF3薄膜, 对应的折射率分别为143和167, 193 nm减反膜系的透过率为996%,剩余反射几乎为零, 而高反膜系的反射率为992%,透过率为01%。应力测量结果表明, AlF3薄膜表现为张应力而GdF3薄膜具有压应力, 与沉积条件相关的低生长应力是AlF3和GdF3薄膜残余应力较小的主要原因, 采用这两种材料制备的减反及高反膜系应力均低于50 MPa。针对平面和曲率半径为240 mm的凸面元件, 通过设计修正挡板, 250 mm口径膜厚均匀性均优于97%。为亚纳米精度的平面元件镀制193 nm减反膜系, 镀膜后RMS由0177 nm变为0219 nm。

本文采用离子束溅射方法制备GdF3薄膜, 并研究其沉积速率分布特征。首先, 采用膜厚仪测量得出GdF3薄膜在行星盘平面的二维沉积速率分布图, 通过拟合模型得到二维沉积速率分布公式。其次, 分析了束流束压及靶材角度对沉积速率分布特征的影响。最后, 以二维沉积速率分布公式为基础, 通过计算机编程设计均匀性挡板, 并进行膜厚均匀性实验验证。结果表明, 沉积速率在水平方向上满足ECS函数分布, 在竖直方向上满足标准Gauss分布, 拟合公式残差为205×10-6。改变离子源的束流和束压, 沉积速率分布特征保持不变。而随着靶材角度的增大, Gauss分布的半峰宽值ω逐渐增大, 峰值位置xc逐渐增大, 在θ=292°时, GdF3薄膜的沉积速率最大。通过挡板修调实验, 可将270 mm口径平面元件的膜厚均匀性调整为979%。

利用国内最大箱式高真空镀膜设备ZZS3600，开展了双离子束辅助反应蒸发技术及光学薄膜厚度均匀性研究。借助MarkⅡ离子源辅助反应蒸发技术，对Ta₂O₅、SiO₂常见的高、低折射率光学薄膜进行了制备与特性分析。结果表明：在蒸发源与沉积基底距离较大的镀膜环境下，具有低能、高束流密度离子源有利于薄膜结构的致密化，薄膜性能的改善。根据大口径光学元件尺寸，结合真空室空间几何配置，开展了行星及单轴转动方式下镀膜膜厚均匀性的研究。行星转动方式下，分析了直径140 cm行星盘工件膜厚均匀性，无修正挡板运行时膜厚不均匀性优于0.4%。单轴转动方式下，分析了200 cm光学元件膜厚均匀性，并通过设计修正挡板将膜厚不均匀性控制在0.6%以内。采用双离子束辅助反应蒸发技术有利于实现高性能大口径光学薄膜的制备。

为了在光学元件镀膜过程中精确控制膜厚均匀性, 通常需要有针对性地设计并制作膜厚修正挡板。然而, 由于基底在真空室内运动方式复杂, 实际工作中通常采用多次试验, 反复进行局部修正的方法来确定挡板形状。为解决这一问题, 本文提出了遮挡矩阵的概念。基于这一概念, 提出了膜厚修正挡板的设计方法。通过对挡板进行合理的划分, 对膜厚空间分布与挡板形状建立起精确的定量关系, 从而可在不需进行事后修正的情况下, 准确计算出修正挡板的形状。针对平面行星夹具, 设计并制作了膜厚修正挡板, 在φ300 mm的口径上实现了膜厚均匀性的PV值优于0.3%、rms值优于0.1%。这些结果验证了这一方法的有效性, 表明该方法满足光学元件镀膜过程中高效、可靠地调整膜厚均匀性的要求。