采用电阻蒸发和电子束蒸发方法,制备了9种红外薄膜材料的单层膜,包括氟化物、硫化物和硒化物.通过测量在可见近红外波段的透射率,采用包络线法计算出这些薄膜从可见到红外的折射率,高温退火能改善薄膜的光学性能.

为提取凹坑信息,提出采用基于光反射的非接触式检测方法.入射光和反射光构成固定的检测光路,其中入射光束的截面为椭圆形.凹坑连续划过入射光束,使探测器接收到的光电信号呈现有规律的变化.通过对凹坑信息检测建立数学模型,给出了光电信号的变化规律.检测信号的软件模拟结果和实测值有较好的吻合,同时实验还表明检测方案有很高的信噪比.

FY-2气象卫星扫描辐射计可见-近红外窗口滤光片用来获取白天可见光和夜间近红外云图.介绍了窗口滤光片的设计和优化过程;材料的选择和匹配方案;膜层厚度的监控技术;真空室内不同位置基片均匀性的调整方法;滤光片光谱曲线和抗环境性能的测试和分析过程等.经光谱测试和环境可靠性实验表明,研制的该可见-近红外窗口滤光片满足空间工程的使用要求.

薄膜表面缺陷密度统计是改进薄膜表面质量的重要依据.阐述了基于遗传算法的二维最大熵分割算法的原理及实现步骤.采用这种算法对薄膜缺陷图像进行分割,对分割后的图像进行了薄膜缺陷密度的测量.实验结果表明,这种方法对薄膜表面缺陷提取简单且易于测量,为分析缺陷原因提高薄膜质量起到重要的指导作用.

为实现集成滤光片列阵在单片衬底上的高效制备,提出组合镀膜法,通过磁控反应溅射,以Nb2O5和SiO2为介质材料,仅通过8次镀膜就成功制备出了集成64通道的滤光片面阵.滤光片面阵的总体尺寸只有12mm×12mm,各个滤光片通道基本呈线性分布在720.5nm～877.2nm之间,带宽在1.82nm～3.92nm之间.结果表明,组合镀膜法是一种高效的集成滤光片列阵制备方法.

从Drude色散理论和薄膜光学的基本方法出发,用理论公式对在线Low-E玻璃的透射谱线进行拟合,得到了Low-E玻璃功能层的光学常数.利用Burstein-Moss理论,计算得到了功能层的自由载流子浓度;理论计算与实验结果的一致性表明,Drude理论不仅能很好地定量解释在线Low-E玻璃的光学特性,而且为在线Low-E玻璃光学常数的理论计算提供了一种切实可行的方法.

设计并制备了窄带Mo/Si多层膜反射镜.利用高反射级次和减小Mo层厚度两种方法减小Mo/Si多层膜反射镜光谱宽度.对Mo层厚度分别为2 nm和3 nm的Mo/Si多层膜,设计了反射级次分别从1到6的多层膜系.制备方法采用直流磁控溅射技术,在国家同步辐射光谱与计量站上测试.结果表明,带宽随着反射级次增加而减少,在同一反射级次,Mo层厚度为2 nm的多层膜反射光谱带宽较小.

研究用不同清洗方法对硅基底表面粗糙度的影响,首先使用原子力显微镜(AFM)直接测量硅片表面粗糙度;然后,利用直流磁控溅射方法,在相同制备工艺条件下镀制Mo/Si多层膜,使用X射线衍射仪(XRD)对多层膜二级衍射峰进行摇摆曲线扫描;最后,利用同步辐射测量多层膜的反射率,间接表征基底的粗糙度.结果表明,超声清洗后镀制的多层膜反射率最高,结论与AFM,XRD等表征方法一致.

设计了一种用于光纤传感的新型非对称法布里-珀罗(F-P)干涉腔.干涉腔由固定在石英毛细管的两根镀膜光纤构成,该干涉腔改善了普通F-P腔的反射响应特性,有助于提高传感器的灵敏度和测量范围.基于薄膜干涉理论对该干涉腔的反射率响应关系的计算与分析,得出该非对称F-P腔的结构参数.设计结果表明,这种新型干涉腔具有线性度好、灵敏度高和线性范围宽的优点.

光学表面的表面粗糙度通常利用两个传统参数方根粗糙度σ和相关长度l来进行表征.主要就如何引入功率谱密度函数(PSD)表征表面微观形貌进行了初步研究.说明了一维和二维功率谱密度(PSD)函数的数学计算方法、 PSD函数的物理意义,同时给出了PSD函数与传统的表面评价指标σ和l之间的关系.利用不同仪器对多种样品进行测试,在分析比较测试结果的基础上,总结了利用PSD函数评价光学表面粗糙度的优点.功率谱密度函数作为一个全面的光学表面评价参数,正得到越来越广泛的重视和应用.

设计并制备了工作波长为4.48 nm类镍钽软X射线激光用多层膜反射镜.选择Cr/C、Cr/Sc为多层膜材料对,模拟了多层膜非理想界面对多层膜反射率的影响.采用直流磁控溅射技术在超光滑硅基片上制备了Cr/C、Cr/Sc多层膜.利用X射线衍射仪测量了多层膜结构,在德国Bessy Ⅱ同步辐射上测量了多层膜的反射率,Cr/C,Cr/Sc多层膜峰值反射率分别为7.50%,6.12%.

在中长波红外区域,通常使用的镀膜材料都存在相当大的色散和一定的吸收.就目前的测试技术来说,确定这些材料的色散和吸收相当困难.试验基于洛伦兹谐振子模型对热蒸发制备的锗、硫化锌以及稀土氟化物薄膜的红外透射光谱进行拟合,得出这些材料在中长波红外区的光学常数.使用锗、硫化锌和稀土氟化物分别作为高折射率层(H)、中间折射率层(M)和低折射率层(L),设计并制备了从6.8μm～15μm的锗窗口宽带增透膜系,测量结果完全可以满足光机系统的要求.

为了解决膜层层数在一百多层以上的膜系在镀制过程中所必然存在的膜厚均匀性问题,定义了一个与镀膜机的结构参数、工艺参数以及基片几何参数均有关系的均匀性函数.以APS1104镀膜机为实验对象,针对多腔窄带滤光片膜系,根据此函数分析了镀膜机镀制较多层数薄膜时,其膜层厚度沿基片径向的变化规律,确定了影响膜厚均匀性的多种因素,解释了镀制多腔窄带滤光片薄膜成品率低的原因.实验结果证实了分析的正确性.

减反射膜层折射率和厚度的精密监控是超辐射发光管的关键技术.分析了超辐射发光管端面减反射膜的四种膜系,提出了监控薄膜厚度的挡板调制、高级次过正极值法.采用该法制备超低剩余反射膜的实验表明:单面镀膜后,砷化镓基片的剩余反射率达到0.04%;管芯的反馈谐振被抑制,出现超辐射现象,峰值波长从1610nm移动到1560nm,蓝移约60nm,光谱纹波小于0.3dB.

介绍了光学薄膜在十八所研制的空间太阳电池上的应用情况.通过高温高真空蒸镀的方法,制备出单层增透膜MgF2,双层增透膜TiOx/SiOy、TiOx/YOy和TiOx/AlOy;通过高真空离子辅助沉积的方法,制备出带通滤光膜.通过应用单层增透膜MgF2,太阳电池的输出功率提高2%;通过应用双层增透膜,太阳电池的短路电流提高36%～48%(硅太阳电池的短路电流提高近48%,砷化镓太阳电池提高近36%).通过应用带通滤光膜,太阳电池的吸收系数降低0.06.

用波动光学理论建立起光在空气与金属表面的传播模型,通过分析,给出了机械瞄准具照门缺口处虚光成因的近似解释.分别用特征矩阵法和矢量法计算出了所需的一层与多层减反射膜的膜系参数,与现有的薄膜材料参数相比较,选择适当的材料作等效代换,给出了一套合理的膜系设计.

户外照明采用大面积光学薄膜,对薄膜均匀性提出较高的要求.采用平面公自转行星夹具镀制户外照明用大面积光学薄膜,分析计算了光学薄膜膜厚的均匀性,探讨各个参数对膜厚均匀性的影响,经测试分析,得到理论偏差和实际偏差结果.

舞台灯光灯具采用传统光学系统,光学系统主要实现灯光的视觉效果如光强、颜色及其他一些特殊效果.而光学系统中的各种光学元件都需要光学镀膜.现主要介绍舞台灯光中常用的光学薄膜元件类型、设计膜系和光谱曲线,探讨光学镀膜材料和工艺,以及光学薄膜元件的应用场合.

推导得出了超短脉冲的群延时(GD)、群速度色散(GDD)与脉冲时域波形之间的解析关系.通过电磁波时域有限差分算法(FDTD)及频域傅里叶变换两种方法模拟了fs脉冲在薄膜中传输的动态过程.结合超短脉冲对薄膜损伤的特点,分析了短脉冲对不同啁啾膜系中的场分布区别,以及其与长脉冲所形成的驻波场的区别,同时分析了其对损伤的影响.

为了分析薄膜内部激光引起的电热场效应,提出了一种模拟锥形高斯光入射多层介质薄膜后电场和热场分布的方法.该方法能够分析薄膜中高斯光各个角谱分量叠加形成的电场的分布,进而得到由于薄膜本征吸收产生的热量沉积以及薄膜内部的温度场分布.针对三种中心波长为4.3μm高反膜进行了分析,比较了激光垂直入射和斜入射两种不同工作方式的全介质高反膜系以及金属加介质高反膜系的温度峰值,结果表明全介质高反膜的温度峰值明显低于金属加介质膜系.

介绍了采用增强透射矩阵进行计算的严格耦合波方法,将这种方法应用到介质反射光栅的多层膜计算中.通过与商用软件计算结果的对比,证明这种计算方法的计算结果是准确可信的.与已有的计算方法比较,该方法简化了介质反射光栅的计算工作.

表面等离子波是指在金属和介质表面传播的电磁波,在垂直界面方向上呈指数衰减,提出了一种棱镜结构用以耦合出由Kretschmann结构产生的表面等离子波,使反射、吸收能量转化为透射光.棱镜结构在数值模拟中可以被简化为多层介质结构,利用传输矩阵方法模拟了高斯光束入射到这种结构中的传播情况,形象地得到了产生表面等离子体共振和表面等离子波耦合的结果.模拟结果显示提出的棱镜结构达到了接近70%的耦合效率,可以应用于偏振分光器件;并且利用这种结构还可观察到高斯光束分裂现象.

介绍了时域有限差分法的基本原理,并对一维光子晶体薄膜中传播的电磁场作了模拟和分析.通过对光子晶体透射谱的研究,讨论了不同周期数和不同介电常数比对光子晶体带隙的影响,最后通过在周期介质层状结构中引入缺陷层构造了光子缺陷态.

将改进的遗传算法--精英选择自适应变异遗传算法(EGAAM)用于光学薄膜的膜系优化设计.EGAAM采用了独特的自适应变异操作,该操作既使得群体保持了多样性,防止过早收敛,又加快了群体收敛速度.EGGAM对初始条件不敏感,并且可以确定膜层厚度边界,确保了设计结果的制备方便.通过减反膜、分光膜的实例优化设计表明,在相同设计条件下,用EGAAM可以得到比传统遗传算法更好的设计结果.理论与实例表明EGAAM用于膜系优化设计是高效和可靠的.

选用能制备小周期的钨/硅(W/Si)作为膜层材料对,着重研究最小膜层厚度对X射线非周期多层膜光学性能的影响.基于矩阵法计算多层膜反射率和单纯形数值优化方法,设计了入射光子能量为8.0keV,掠入射角的宽度分别为0.85°～1.10°,1.40°～1.70°的X射线超反射镜.结合实际实验制备技术,考虑了W/Si两种膜层材料的最小成膜厚度,确定了膜堆中最小膜层厚度为0.5nm～1.0nm.通过改变最小膜层厚度的值,优化设计了上述条件下的非周期多层膜并对其光学性能进行比较.结果表明:同一个工作波长下,随着多层膜工作角度(掠入射)的增加,膜堆中膜层的厚度减小,最小膜层厚度对其光学性能的影响增加,其光学性能变差.

简要阐述了强吸收波段亚四分之一波长多层膜的设计方法.这种膜系是由强吸收材料叠加而成,每层膜光学厚度小于四分之一个波长.与常规周期多层膜相比,这种膜系更适用于提高强吸收波段的反射率.利用该方法设计了50nm～110nm波段宽带高反膜的初始膜系,通过Levenberg-Marquart方法对初始膜系进行优化,从而得到宽波段的平坦反射率,其平均反射率达到45%.

具有缺陷的一维光子晶体结构中,群速度延迟在缺陷模处会发生突变,从而共振隧穿的光波会发生大的测向位移.将具有多个缺陷的一维光子晶体作为色散元件,设计了能够将两通道和三通道滤光片在斜入射条件下进行波长空间分离的空间滤波器.该空间滤波器具有制备简单、能够同时进行多路空间滤波的特点.

在HgCdTe光伏探测器件SiO2+ZnS复合介质膜钝化中,引入O+2清洗和Ar+刻蚀两种等离子体处理工艺,大大提高薄膜附着力,成功制备出优良的光伏器件.对处理前后的样品进行场发射扫描电子显微镜扫描、原子力显微镜扫描和二次离子质谱测试后发现,O+2清洗对去除样品表面的残余光刻胶效果显著;而Ar+刻蚀使ZnS表面更为粗糙,增加了成核中心,使SiO2和ZnS表面互相渗透,增强了两层介质膜的附着力.

期望用类金刚石膜作为硅的红外保护/增透膜,采用波长为800nm,脉宽50fs,重复频率1KHz的Ti:Sapphire飞秒激光器及石墨靶材在单晶Si片上沉积了约0.7μm～1μm厚的类金刚石膜(diamond-like carbon films,DLC),获得了光滑致密,硬度显著提高,红外透过率有一定增加的样品.通过对薄膜拉曼光谱和X射线光电子能谱等的测试,发现单脉冲能量在0.4mJ～1.6mJ范围内变动时,单脉冲能量0.8mJ获得的类金刚石膜综合性能最佳,其对应的焦斑功率密度计算值为1.4×1014W/cm2.

采用分布式控制(DCS)的方法,用小型可编程逻辑控制器(PLC)替代中型PLC,提出了镀膜真空的13个子过程概念,实现了基于国产部件的真空过程自动化.以国产光控为核心,采用组态软件和控制软件结合的方法,通过经典和现代滤波技术,实现了光控自动判停,采用监控信号变化率dR/dt来控制薄膜的蒸发束率,制作了相应的分光膜和宽带增透膜,在低成本前提下提高了光学薄膜监控的精度.

使用CCD(电荷耦合器件)进行光学镀膜宽光谱监控过程中,监测信号受外界杂散光干扰、真空室内背景辐射等因数影响,信噪比低,难于准确监控.在对系统前端光路改造的基础上,采用了数字滤波技术对后期数据进行处理,达到信号压噪目的.实验证明该宽光谱膜厚监控系统具有稳定性好、精度较高、响应速度快等优点.

采用上反射法在可更换的固定比较片上对光学镀膜过程进行监控,有利于优化离子束辅助镀膜工艺.介绍了实现这种监控方法的独特系统结构,即采用直角棱镜和自准直光路分离监控光束;对工艺过程和主要结果进行了描述.该监控系统的控制精度优于千分之五,耦合层控制精度优于百分之五,得到了和透射法监控相同的结果.

应用低压反应离子镀的薄膜制备方法在Ge基底上沉积了Ge1-xCx薄膜,随着沉积速度在0.1nm/s～0.9nm/s之间变化,Ge1-xCx薄膜的硬度在2.12 GPa～11.066 GPa之间可变,当沉积速率为0.9nm/s时,Ge1-xCx薄膜最大硬度为11.066 GPa.XRD测试结果表明,沉积的Ge1-xCx薄膜均为无定形结构.对薄膜稳定性和牢固度的测试表明,制备的Ge1-xCx薄膜在具有较高的硬度的同时,也有良好的性能.

针对光学监控系统(OMS)实际工作环境的复杂性,导致监控信号中存在不稳定量测噪声,采用基于遗忘因子的自适应卡尔曼滤波(AKF)对光学膜厚监控信号进行去噪处理.建立了针对非线性OMS的AKF模型,仿真分析中针对存在突变信噪比(SNR)的输入信号设置相应AKF初始参数使滤波性能达到最优.结果表明自AKF输出监控信号精度明显优于常规卡尔曼滤波;同时利用AKF输出监控信号判读反射率极值点对应膜厚,最终理论膜厚监控误差＜2nm.

展示真实的工艺结论,介绍在基片本身或监控片上进行光学直接监控的方法应用于大面积(最大基片盘直径φ1400 mm)镀膜的成功经验.直接监控技术可以最快速的再现高难度的设计要求,保证大面积,高精度镀膜设备上的高成品率.文中列举的各类多层膜的实验结果清楚地证明了这种强大的监控手段的应用潜力.可使用直接监控方式镀膜的膜系包括截至滤光片,偏振膜,分光膜以及多腔带通滤光片.所有这些膜系都是在PIAD(等离子辅助沉积)和PARMS(等离子体辅助反应磁控溅射)的方式下完成的.实验的重复性和均匀性体现了直接监控的优势.在塑料基底上应用等离子体辅助工艺的关键在于调整离子源或等离子源本身.他们改变热度和等离子轰击的能力通常是工艺的关键因素,从而使工艺更适合于象塑料这样对温度和等离子轰击敏感的基材.

通过数值模拟和理论分析含特异材料缺陷层一维光子晶体中特异材料折射率与缺陷模式的关系,从而发现调节特异材料折射率可以得到不同状态的振荡透射模.同时还分析了保持特异材料折射率不变的情况下其它材料折射率改变对缺陷模式的影响,理论模拟了含特异材料缺陷层一维光子晶体内部场分布,从而可以非常清晰地再现缺陷模式的局域特性.

线性渐变滤光片是一种在小型快速分光测试设备中广泛应用的光学薄膜器件.讨论了各种线性渐变滤光片的设计方法;给出了用离子辅助沉积(IAD)工艺制备线性渐变滤光片的膜厚修正方法;并分析了线性渐变滤光片光谱测试时,滤光片线性色散系数,测试光斑尺寸对其光谱特性的影响,给出了相应的测试方法和测试结果.