极紫外-真空紫外高性能薄膜光学元件的发展对天文、材料、物理等学科具有重要意义。本文主要介绍了同济大学精密光学工程技术研究所在高性能极紫外-真空紫外薄膜光学元件的最新进展。展示了极紫外-真空紫外波段（10~200 nm）用薄膜反射镜、薄膜单色器和薄膜起偏器的研究成果。为适应不同的使用需求和环境，开展薄膜内部微结构的综合表征及其物理化学机制的研究，形成了一套完备的极紫外-真空紫外薄膜光学元件表征、优化、制备技术体系，有效提升了均匀性、反射效率、带宽、稳定性和偏振度等薄膜元件核心性能。高性能的极紫外-真空紫外薄膜光学元件研制技术将为我国大型地面科学装置及空间天文观测设备提供强有力的支撑。

通过对激光作用薄膜元件后的损伤过程和图像损伤特征进行分析与研究,借助光学薄膜损伤表面三维微观形貌的重构,揭示薄膜元件损伤机理。基于白光干涉显微原理,采集薄膜损伤表面的干涉显微三维云数据,运用Delaunay三角剖分法构建损伤表面的三角网格模型,通过可视化仿真,实现了损伤表面三维微观形貌的再现。结果表明:实验测试的HfO2薄膜表面损伤区域呈坑状凹陷,损伤形貌不规则,内部有鼓包、裂纹存在,边缘处陡度变化大、毛刺较多;对重构图像、VEECO Vision软件处理结果、Taylor-Hobson非接触式轮廓仪测试结果进行对比后发现,重构图像能更直观、全方位地再现损伤表面细微形貌。研究结果给分析损伤表面形貌特征、调控高损伤阈值薄膜制备工艺提供了技术支持。

在高功率激光系统中, 光学薄膜元件表面杂质和体内节瘤缺陷是导致薄膜元件损伤的关键因素。通过建立强激光连续辐照下光学薄膜元件的热分析模型, 分析在不同激光辐照时间和功率密度下, 表面杂质和节瘤缺陷对光学薄膜元件损伤的影响及其规律。结果表明, 在强激光连续辐照下, 当表面杂质粒子尺寸处于一定范围内时, 随着杂质粒子尺寸的增大, 薄膜元件上的最高温度随之升高, 且大而浅的节瘤缺陷种子对膜层的温升影响较大。随着激光功率密度的提高和激光辐照时间的增长, 表面杂质造成薄膜元件热熔融损伤的粒子尺寸范围越大, 节瘤缺陷造成薄膜元件热熔融损伤的种子深度和尺寸范围也越大。

基于光学薄膜元件的热力学理论, 建立了强激光连续辐照下薄膜元件的热分析模型, 分析了强激光辐照下不同种类的表面杂质诱导薄膜元件的热熔融损伤和热应力损伤的过程。统计了不同口径和不同表面洁净度等级的薄膜元件上可诱导薄膜元件热损伤的杂质数量, 定量分析了杂质诱导薄膜元件热损伤的总面积, 计算了薄膜元件上热损伤的面积超过总面积的3%时所需的曝露时间。研究结果表明, 在强激光连续辐照下, 尺寸处于一定范围内的杂质会诱导薄膜元件的热熔融损伤和热应力损伤, 热损伤的方式与杂质类型密切相关。薄膜元件的口径越大、表面洁净度等级越高, 处于可诱导薄膜元件热损伤尺寸范围内的杂质数量越多。单个杂质诱导薄膜元件热应力损伤的损伤点面积比热熔融损伤的更大。

基于薄膜元件的热力学理论, 建立了强激光连续辐照下薄膜元件的热分析模型, 模拟了薄膜元件表面杂质吸热后向周围薄膜进行热传递的过程, 并讨论了表面洁净度等级和杂质尺寸对薄膜元件热应力损伤的影响。研究结果表明: 强激光连续辐照下, 表面杂质会吸收激光能量产生较大的温升, 激光辐照时间越长, 功率密度越大, 杂质的温升也越大; 吸热后, 达到熔点的杂质和未达到熔点的杂质分别通过热传导和热辐射的方式向周围薄膜传递热量, 通过热传导作用在薄膜元件表面引起的温升明显高于热辐射作用引起的; 杂质向周围薄膜传递热量后会在薄膜元件上产生非均匀的温度梯度, 进而产生热应力, 热应力随着温度梯度的增加而增大, 且处于一定尺寸范围内的杂质, 更容易诱导薄膜元件热应力损伤; 此外, 薄膜元件的表面洁净度等级越高, 杂质粒子的数目越多, 越易于造成薄膜元件的热应力损伤。

介绍了液晶显示器（LCD）投影、数字光处理（DLP）投影和硅基液晶（LCOS）投影的显示原理及光学薄膜元件在投影中的应用情况，对隔红外紫外滤光片、二向色镜、减反射膜及偏振分束镜的光学性能作了详细分析。

利用1.06 μm连续激光在不同强度下辐照TiO₂/SiO₂/K₉薄膜元件,实验中用红外热像仪测量激光辐照在TiO₂/SiO₂/K₉元件表面引起的温升随时间的变化,通过数据处理,获得激光辐照区域最高温度随辐照时间的增加而增加.同时,给出材料温升随材料发射率的变化关系.并用程序模拟不同激光强度下薄膜温度场的分布,通过实验测量数据校正数值模拟计算结果,给出TiO₂/SiO₂/K₉薄膜元件温度随激光辐照强度和辐照时间的变化规律.并且获得在薄膜厚度方向:薄膜表面温度最高,基底与薄膜接触处温度最低;沿径向:激光辐照中心温度最高,边沿温度最低.