高光谱性能光学薄膜研究进展

高光谱性能光学薄膜是国家重大光学工程、光电子产业的基石。为了提高光学薄膜的光学性能并开发精确制备技术,现有研究主要围绕设计理念、监控技术和薄膜材料等方面展开。目前,薄膜技术已经取得了长足进步,能实现高光谱性能光学薄膜的鲁棒性设计,多种基于高光谱性能光学薄膜的精确制备技术相继被提出。从薄膜设计、精确制备技术以及薄膜材料几方面出发,本文对现代高光谱性能光学薄膜研究进行了回顾和讨论,并对高性能光学薄膜潜在的挑战和进一步研究方向进行了展望。

集成多通道光子晶体的设计及初步实验制备

在Fabry-Perot滤光片的基础上,通过改变双通道和通带通道光子晶体中处于不同对称中心的两种缺陷层的厚度,可使相应的通道或者通带位置进行独立的移动。通过刻蚀或者补偿,使缺陷层的厚度分别在二个维度方向上发生变化,改变入射光束与光子晶体的相对位置,即可实现通道和通带通道可调谐二维光子晶体。32个通道光子晶体的初步实验结果证明了设计方案的可行性。

近红外激光薄膜的损伤特性与抗损伤性能提升研究

在充分理解纳秒脉冲激光作用下近红外激光薄膜的损伤机制的基础上,分别针对反射元件和透射元件的损伤特点,探讨了两种元件的激光损伤规律,提出了有效提升近红外激光薄膜抗激光损伤性能的方法。结果表明:对于反射元件,采用优化后的膜系结构可以大大降低薄膜中由节瘤缺陷引起的电场增强效应,大幅提升损伤阈值2~3倍;对于透射元件,采用合理的刻蚀工艺可有效降低薄膜中的吸收缺陷,有效提升其损伤阈值约1.5倍。

影响大学物理多媒体课堂授课质量的环境因素分析

采用问卷调查的方法对影响大学物理多媒体教学的环境因素进行分析,结果表明在教育信息化过程中,高校关注多媒体教室的硬件设备的配置,而忽略了环境因素对教学的影响,特别是自然环境对教学的影响。桌椅的固定放置、投影幕布与黑板的不合理放置,都极大地影响了教学过程中教师和学生对多媒体教学的认可程度。以期为多媒体教室的改造和新建提供借鉴。

1064nm高反射薄膜激光损伤阈值测量方法

参照国际上对激光损伤阈值不同测量技术建立起来的相应检测规范和标准,分别采用1-on-1,S-on-1,R-on-1和光栅扫描共4种测量方式,在1 064 nm波长下对HfO2/SiO2周期性高反射薄膜进行了激光损伤阈值的测量研究。根据测量结果,比较并分析了这4种测量方式之间的差异,重点研究了R-on-1和光栅扫描测量方式中存在的激光预处理效应对薄膜损伤阈值的影响,以及辐照激光光斑尺寸与损伤阈值之间的联系,并讨论了光栅扫描方式中预处理效应与扫描间距和扫描能量密度梯度的关系。研究表明:R-on-1方式下测得的损伤阈值最高,光栅扫描和1-on-1次之,S-on-1最小;1 000个脉冲激光辐照下的累积效应不显著,并且在激光光斑尺寸的差异较小时,阈值与光斑尺寸的对应关系并不明显;光斑尺寸相同时,扫描光斑的间距越小,激光预处理效果越好。

窄带多通道滤光片的设计与制备

介绍了三种获得窄带多通道滤光片的方法。第一种方法是具有缺陷的多异质结结构,该结构能够展宽光子晶体的禁带同时实现多通道效应。第二种方法是多通道导模共振布儒斯特滤光片,此类滤光片可以采用单层膜结构来实现多通道效应,也可以采用具有相等折射率的双层膜结构来实现多通道效应。第三种方法是组合刻蚀法制备窄带滤光片列阵。该方法不仅可以制作单腔窄带滤光片列阵,还可以制作双腔窄带滤光片列阵。窄带多通道滤光片在光学领域中具有一定的应用前景。

30.4nm Cr/Al/Cr自支撑滤光片的研制

依据材料的质量吸收系数和波长的关系，选择Cr和Al设计和制备30．4nm自支撑滤光片。在制备时以NaCl为脱膜剂，以热蒸发方式蒸镀Al，以电子束蒸发方式蒸镀Cr，制备了30．4nm的Cr／Al／Cr自支撑滤光膜，并对滤光片的表面缺陷进行了分析。通过显微镜观察，滤光膜均匀纯净，无明显针孔。Cr／Al／Cr自支撑滤光片在合肥国家同步辐射实验室进行了测量，Cr／Al／Or厚度为5nm／500nm／5nm和12．5nm／500nm／12．5nm的滤光片在30．4nm波长处的透过率分别为7．6％和4．6％，透过率曲线和理论计算基本一致。用紫外分光光度计测量得滤光片在200-800nm波长范围的透过率小于0．02％，满足使用要求。

脉冲激光损伤阈值测量技术及光学元件损伤性能

基于我国强激光装置建设和工程任务需求,同济大学建立了基于纳秒与飞秒脉冲激光的自动化激光损伤阈值测试系统,该系统具有微米与亚微米级损伤的自动检测、定位复检、瞬态诊断和原位测量功能,测试流程基于ISO标准与光栅扫描等方法;此外,通过国际损伤阈值评测,实现了测量结果的国际对标。十多年来,利用该激光损伤阈值测试系统,我们系统研究了基板研磨与抛光工艺、超声清洗与表面残留、薄膜设计与大角度抑制、三维电场模拟与透镜聚焦效应、镀膜材料选择与氧化工艺、节瘤几何成型控制与平坦化、环境保持与传递控制、镀膜优化与辅助工艺、退火工艺与后处理技术、存放环境与人为污染等各类因素对激光损伤阈值的影响和作用规律;根据不同研究对象在不同参数和工作条件下的激光损伤特征,研究了激光损伤诱因、损伤演化及损伤机理;此外,基于泵浦-探测成像技术研究了透射元件的损伤动力学特性。激光损伤阈值表征与损伤溯源为课题组超高阈值和大尺寸激光薄膜器件的研制提供了关键的支撑技术,同时,为国内外数十家科研机构、高校院所和企业提供了高置信度的激光损伤阈值测试服务。

SiO2/HfO2高反射膜的研制

主要讨论了电子束蒸发SiO2/HfO2薄膜的面形控制和损伤性能。研究了电子束蒸发工艺参数对薄膜应力以及面形的影响;分析了制备工艺对薄膜吸收、节瘤缺陷密度的影响,测量了制备薄膜的损伤阈值。研究结果表明:调整SiO2蒸发时的氧分压可以有效地将薄膜的应力控制在-250～-50 MPa。同时采用金属Hf蒸发可以显著地将节瘤缺陷密度从12.6mm-2降低至2.7mm-2,同时将损伤阈值从30J/cm2提高至55J/cm2。

极紫外及X射线波段超光滑反射镜的超精密加工与检测

极紫外、X射线为微观物质认识、宏观空间探测提供了高精度的观测手段,但这类观测的实现需要大量高精度光学反射元件的支撑。由于极紫外、X射线在光学表面更易发生散射,其光学反射镜基底的精度需求和制作技术也明显区别于长波元件。近年来,同济大学精密光学工程技术研究所建立了极紫外、X射线反射元件基底的超精密加工与检测平台,研发了超光滑非球面的离子束修形技术,提出了基于泽尼克多项式的随机离轴旋转绝对检测方法,形成了极紫外、X射线光学用反射镜基底的高精度全流程研制技术,并将该技术成功地应用于国内和国际短波光学大科学装置中。本文综述了本课题组在极紫外、X射线用反射镜制作领域中的研究进展。

软X射线激光用自支撑Zr滤光膜的制备及测量

利用直流磁控溅射方法制备了质量厚度为200μg.cm-2,直径为20 mm的自支撑金属Zr滤光膜。用同步辐射光源和紫外可见分光光度计分别测量了滤光膜在软X射线和可见光波段的透射率,用俄歇电子能谱(AES)分析了膜中的元素含量。结果表明:Zr膜在13.9 nm波长的透射率达19%,对可见光的抑制性能达43 dB。杂质、膜层氧化及表面污染是影响滤光膜软X射线光谱透射率的主要因素。

聚苯乙烯薄膜对自支撑锆薄膜的性能改善

利用直流磁控溅射方法和提拉法制备了自支撑Zr/C8H8复合滤光膜和C8H8滤光膜。用同步辐射光源测量了滤光膜对软X射线的透射率,用俄歇电子能谱分析了膜中的元素含量。结果表明,虽然C8H8薄膜的加入在一定程度上降低了Zr滤光膜在软X射线波段的透射率,但较好地阻止了存储和使用过程中氧、氮等杂质对Zr金属膜的入侵,有效地改善了滤光膜的环境稳定性;同时很好地改善了Zr滤光膜的力学性能和表面面形,使制备的成品率提高了20%。

分层蒸镀制备聚酰亚胺自支撑膜及其特性研究

采用分层蒸镀法,在玻璃基片上依次蒸镀二氨基二苯醚(ODA)和均苯四甲酸二酐(PMDA)两种单体,然后在空气环境中对样品进行不同温度和时间的热亚胺化处理,使二者在交界面上反应生成聚酰亚胺。经加热150℃1 h然后经350℃2 h处理的样品,在脱膜后能制备出直径1.8 cm,厚度为100 nm的聚酰亚胺自支撑薄膜。用FTIR测量了自支撑薄膜的红外光谱,特征吸收峰的分析表明薄膜已基本上完全亚胺化。用原子力显微镜分析了浮法玻璃衬底上聚酰亚胺薄膜的表面形貌,结果表明以ODA作为内层制备的膜层表面更光滑平整。

硬脂酸钠薄膜的制备及应用

利用真空热蒸发的方法制备了厚度为0．28～0．40μm的硬脂酸钠薄膜，并用光学显微镜和傅里叶红外光谱仪对硬脂酸钠薄膜进行了观察和分析，发现硬脂酸钠薄膜的红外光谱和固体的光谱具有相似性。在空气环境中硬脂酸钠薄膜不易潮解，在选择的无水脱膜溶液中，容易脱出无明显针孔的自支撑Al膜。用俄歇电子能谱测试，未发现脱出的Al膜上有残留的硬脂酸钠脱膜剂。

纳秒激光薄膜损伤机理和应用研究

根据我国强激光装置建设和工程任务对强激光薄膜元件的需求,基于对薄膜损伤机制的认识,同济大学提出了“全流程定量化”控制缺陷制备激光薄膜的思路。同济大学利用结构、性质可控人工小球制作定量化人工缺陷,系统研究了基板加工、超声清洗、电场模拟与调控、镀膜材料与工艺选择、镀后后处理、激光预处理、传递与保存等因素对薄膜元件激光损伤特性和损伤规律的影响。从损伤形貌和损伤规律上证实了节瘤缺陷电场增强理论模型的正确性,促进了研究人员对节瘤缺陷损伤机制的认知深度,提出了提升薄膜损伤性能的新途径,创建了新材料,实现了可兼顾环境稳定性、光谱特性和损伤特性的多功能强激光薄膜制备,有力支撑了我国强激光装置建设和激光技术的进一步提升。

HfO_2薄膜折射率非均质性生长特性研究

在加热的BK7基板上,采用电子束蒸发(EB)工艺制备了一系列不同厚度的Hf O2单层膜,对Hf O2薄膜生长过程中的折射率非均质性进行了研究。光谱分析表明薄膜非均质性与其厚度息息相关。X射线衍射(XRD)测试表明不同非均质性薄膜对应不同的微观结构;薄膜的微观结构主要由薄膜的生长机制决定。当膜厚较薄时,薄膜不易结晶,呈无定形态,此时薄膜呈正非均质性。如果沉积温度足够高,则薄膜达到一定厚度后开始结晶,此后薄膜折射率就会逐渐下降。随着薄膜继续生长,薄膜晶态结构保持恒定不再变化,非均质性也会因此保持不变达到极值。

基于时间控厚离子束溅射技术的宽带减反膜制备

为了制备满足设计要求的宽角度、宽波段减反膜,利用离子束溅射沉积技术,在时间-功率控厚的模式下,对膜层沉积速率进行了精确修正。在实验中,利用时间-功率控厚的离子束溅射沉积技术,选择HfO2和SiO2作为高低折射率组合,在超抛ZF6玻璃基底上制备了宽角度、宽带减反膜,通过对实验后的透过率光谱曲线的数值反演计算,获得膜层厚度修正系数,初步得到了沉积速率随沉积时间变化的规律。利用修正后的沉积参数制备设计的膜系,在0°-30°入射角度下,600-1 200 nm波段的平均透过率达到99%以上。

Al和MgF_2多层滤光膜光谱及其环境稳定性

采用真空热蒸发和电子束蒸发方法,制备了Al和MgF2多层滤光膜,并在100,150,200,300℃的真空环境中进行了热处理,考察了真空热处理温度对多层滤光膜光谱、形貌和环境稳定特性的影响。结果表明,经过真空热处理后,滤光膜表面粗糙度降低,峰值透射率升高,半宽度增大。随着在实验室干燥环境中放置时间的增加,未热处理以及300℃热处理样品的透射率峰位向长波方向有较大的移动,峰值透射率降低,可见光抑制特性减弱。而150,200℃热处理样品的透射率峰位移动很小,峰值透射率及可见光抑制特性基本保持不变,具有很好的环境稳定性。

高损伤阈值三倍频分离膜

设计了Nd:YAG激光用三倍频分离膜,膜层材料为SiO2和HfO2。经过优化,膜系在355 nm处的反射率在99%以上,在532 nm和1 064 nm处透射率也在99%以上。采用电子束蒸发技术,在熔融石英基底上制备了样品,经测量,制备的分离膜光学性能与设计值接近。分离膜在355 nm激光辐照下的损伤阈值为5.1 J/cm2,并用微分干涉显微镜表征了薄膜损伤形貌。

实数编码遗传和单纯形混合算法在膜系优化设计中的应用

在传统遗传算法(GA)基础上,通过引入标准偏差函数构造了新的适应度函数,同时提出了一种自动降温的方法来控制退火选择策略中的温度。将这种改进的实数编码遗传算法(FGA)和单纯型算法(SA)有机结合起来,形成了新的膜系优化算法-实数编码遗传和单纯形混合算法,并编制了优化程序。实例表明该算法优化性能优越,既具有强大全局搜索能力,又能很好地实现局部搜索功能。用该算法实现了中心波长534 nm,带宽35 nm的可见光波段凹陷滤波器和高性能中性分束镜。