同济大学精密光学工程技术研究所二十年创新历程

同济大学精密光学工程技术研究所成立二十年来,以探索前沿科学问题、突破核心关键技术、服务国家重要应用为目标,形成了理论与模拟相结合、科学问题解决与关键技术突破相结合、基础研究与重要应用相结合的特色,形成了研究所的发展理念,打造了高水平研究平台,在X射线器件与系统、强激光薄膜与应用、光学纳米计量与测试、微纳光学与智能感知四个研究方向上取得了突出的研究成果,已成为高层次人才培养和高水平科学研究的重要基地。

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。

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。

等离子体诊断用多层膜X射线成像光学研究进展

发展精密X射线诊断技术对于惯性约束聚变(ICF)物理过程的研究具有重要意义。本文对同济大学精密光学工程技术研究所在高性能多层膜掠入射X射线光学方面的最新进展进行了较全面的介绍。针对ICF高时空分辨、能谱分辨和高集光效率诊断需求,从多通道掠入射X射线成像技术、多层膜掠入射X射线成像技术及应用效果几个方面,对目前研究进展进行了系统介绍。在多通道掠入射X射线成像方面主要介绍高分辨多通道KB成像系统及其高精度在线装调技术。在实现空间分辨优于5μm、十六通道成像的基础上,采用“物-诊断物镜-像”的高复位精度集成指示技术,有效保障了多通道KB系统的装置应用效果。在多层膜掠入射X射线成像方面,本文主要介绍多层膜分光器件的能谱调控和制备技术以及系统的精密瞄准技术。目前,多套基于多层膜阵列器件的多能谱X射线诊断设备已在激光装置上得到广泛应用,空间分辨率在3~5μm,诊断能点达到4个,技术指标显著优于国外同类器件,为国内ICF诊断提供了有力支撑。

中子薄膜器件与光学系统的研究进展

中子散射和衍射是现代科学检测技术的重要领域之一,中子谱仪是实现中子检测的核心装置。中子薄膜器件及其光学系统可以实现中子束传输、聚焦、准直、极化等状态的调制,是构成中子导管、准直器、弯管、极化器、翻转器等中子光学装置的核心器件,可以提升中子传输效率,简化中子光学仪器结构,是中子谱仪功能实现和性能提升的关键。同济大学精密光学工程技术研究所,面向我国各类中子源应用谱仪开发的需求,聚焦中子薄膜器件关键制作技术创新,解决了中子超镜和极化中子薄膜翻转元件的制作问题;以高端薄膜器件支撑了高性能中子光学系统的研制,成功研制出中子导管部件、基于超镜的多层嵌套式中子聚焦系统、高通量高空间分辨率的中子多通道KB聚焦系统,成功应用于国内大型和小型中子源的谱仪装置,支撑了我国小角散射、粉末衍射、自旋回波等中子谱仪的自主研发和升级改造。

极紫外正入射光学系统研究进展

极紫外正入射光学系统广泛应用于生物结构显微成像、等离子体诊断、太阳物理观测和极紫外光刻等领域中,对其开展深入研究具有重要意义。本文对同济大学精密光学工程研究所在极紫外正入射光学系统方面的最新进展进行介绍,列举了应用于超热电子诊断、微纳成像、极紫外辐照损伤及Z箍缩等离子体诊断等不同场景中的多套正入射光学系统。这些系统分别在相应的应用中实现了优异的性能表现:毫米级视场内微米级的空间分辨;几十微米级视场内亚微米的超高空间分辨;大数值孔径下的超高能量密度极紫外辐照及多能点多通道的时空间诊断。研究所在极紫外正入射光学系统研究中取得的进展为我国等离子体诊断设备的自主可控及高端制造装备的技术储备提供了有力支持。

极紫外-真空紫外光学薄膜元件的研究进展

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(10~200nm)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。

二维材料非线性光学显微

二维材料的低维度特性带来了诸多新奇的光物理现象,其中微纳尺度上的物性在很大程度上影响甚至主导了二维材料的光学性质。因此,表征微纳尺度的物性及其带来的光学响应,是研究二维材料光物理现象潜在机制的重要手段。相较于光谱技术,光学显微技术可以更精准、更广泛、更详细地描述二维材料的光学响应信息;其中,基于非线性光学信号的显微技术可以有效表征二维材料的基本物性,在宽波段响应下具备高的信噪比和分辨率,为二维材料的基础研究和应用探索提供了重要支撑。本文首先回顾了非线性光学显微在二维材料层数、晶轴、晶界、堆叠和外界耦合等方面取得的研究进展,在此基础上,进一步分析探讨了当前领域的技术难点和发展趋势。

40~90 nm波段极紫外多层膜研究进展

极紫外多层膜反射镜在许多科学与技术领域,如极紫外光刻、天体物理学、等离子体诊断、阿秒物理和自由电子激光等方面有重要应用。多层膜使极紫外波段反射镜在正入射条件下具有高反射率和窄带宽成为可能。多层膜反射镜是极紫外成像和光谱应用的重要器件,多层膜构成的极紫外成像系统已成功完成多个太阳单一谱线的成像观测。本文综述了40~90 nm波段最有前景的多层膜的研究进展。首先简要介绍了多层膜的基本原理,叙述了40~90 nm波段材料光学常数的测量,总结了Mg基、Sc基和镧系材料以及其他材料组成多层膜的进展,给出了目前达到的最佳反射率和带宽,阐明了多层膜的时间稳定性,从而为40~90 nm波段多层膜制备提供了技术指导。

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。

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。

面向激光探测的精密光机系统研制及应用

面向激光探测需求,创建了涵盖“光学设计-结构设计-元件制造-装调集成-性能评价和应用”的精密光机系统全环节研发平台。发展了“光学设计-结构设计-力热学设计”高效耦合的综合设计方法,建立了基于光机误差分解的精密装配集成方法,形成了透射光学系统定心装调、反射光学系统的高精度集成装配流程和技术,配备了光学系统波前和成像性能检测仪器,支撑了多种复杂功能的精密光机系统的研制。本文全面梳理了同济大学面向激光探测需求的精密光机系统和仪器研制方面的科研工作,针对我国“星光Ⅲ”强激光装置的探测需求,研制了首套联合视频合成孔径雷达和扫描光学高温计的主被动复合诊断装置和辐射高温光学测量系统,共同为“星光Ⅲ”开展超高压物态方程实验提供了技术支撑与诊断测试手段。面向海环境下目标与环境激光散射特性的测量需求,研制了发散光激光雷达散射截面测量装置和双功能平行光LRCS激光测量装置,实现了模拟海环境下标准散射体与海环境的激光散射特性的精确测量,为超低空激光雷达研制提供了数学模型和实验数据。

Si间隔层对Al(1wt.%Si)/Zr极紫外多层膜热稳定的作用研究（英文）

为了提升Al/Zr多层膜的热稳定性,采用直流磁控溅射方法制备了18个带有不同厚度Si间隔层的Al（1 wt.%Si）/Zr多层膜,并将这些样品分别进行了不同温度（100-500℃）的真空退火,退火时间为1 h。利用X射线掠入射反射（GIXR）和X射线衍射（XRD）的方法来研究Si间隔层对Al/Zr多层膜热稳定性的作用。GIXR测量结果表明：随着Si间隔层厚度的增大,Al膜层的粗糙度减小,而Zr膜层的粗糙度增大;XRD测量结果表明：Al和Zr膜层粗糙度的变化是由于退火后膜层中晶粒尺寸不同造成的。相比于没有Si间隔层的Al/Zr多层膜,引入厚度为0.6 nm的Si间隔层可以有效提升Al/Zr多层膜的热稳定性。

涂硼中子探测器用B4C薄膜的应力和粘附力研究（英文）

涂硼中子探测器作为3He中子探测器的替代技术,已经成为了当今研究的焦点。对于涂硼中子探测器而言,B4C薄膜的应力需要减小,与铝基底间的粘附力需要增大。为了增大B4C薄膜与铝基底间的粘附力,该实验使用直流磁控溅射技术在不使用基底加热的前提下制备应力较小的B4C薄膜,同时在铝基底和B4C薄膜之间添加Mg-Al合金层。该实验主要研究了沉积过程中溅射气压对B4C薄膜应力的影响,以及Mg-Al合金层及其溅射气压和厚度对B4C薄膜粘附力的影响。实验结束后采用扫描电镜和透射电镜对薄膜的微观结构进行了表征和分析。实验结果表明,当沉积过程中溅射气压增大时,B4C薄膜的应力减小并趋于稳定。超薄多孔的Mg-Al合金层与B4C、Al2O3有着明显的反应,能够在不使用基底加热的前提下有效地增大B4C薄膜与铝基底间的粘附力。

光学系统与图像处理端到端协同设计及其应用

计算成像是一种通过联合光学系统和图像处理来实现特定成像功能的新兴研究领域,长期以来,计算成像中的光学与算法联合都采取的是顺序设计模式,即光学系统与图像处理各自分开设计,但这样难以全面发挥二者协同的优势。近年来,随着深度学习技术的飞速发展,基于深度学习架构的光学系统与图像处理算法端到端协同设计方法开启了解决这一问题的大门。一方面,端到端协同设计通过全面探索整个解空间,可以实现光学与图像处理的自动最佳协同;另一方面,端到端协同设计更使得研制基于任务的最优成像系统成为可能。本文首先介绍了基于光学系统与图像处理端到端协同设计框架的进展,然后介绍了我们基于这一框架在平面透镜的宽谱成像、平面透镜的大视场成像、大景深成像、超分辨成像和快照式光谱成像方面的研究进展。

飞秒激光诱导的Mn^(2+)掺杂锗酸盐玻璃上转换发光

研究了室温下的飞秒激光诱导过渡金属Mn2+掺杂锗酸盐玻璃的上转换发光现象。样品的激发光谱与发射光谱表明,激发过程是能级6A(6S)→4E(4G)/4A1(4G)的跃迁,该过程源于Mn2+离子的4T1(4G)→6A1(6S)跃迁。由409 nm单色光激发样品得到的发射光谱与800 nm飞秒激光激发的光谱相一致。通过分析飞秒激光泵浦功率密度与荧光强度的依赖关系以及飞秒激光辐照样品前后的吸收谱,认为该上转换过程为双光子同时吸收过程。随着Mn2+浓度的提高,上转换发光的中心波长发生红移。

自溯源光栅标准物质及其应用

纳米计量技术是纳米尺度上的精密测量技术,是先进纳米制造技术的基础。其中,溯源性是纳米计量的基础问题,而研制纳米计量标准物质是实现纳米测量溯源性传递、保证纳米几何量值测试的统一性和准确性的关键环节。为适应纳米计量扁平化量值传递溯源的要求,基于铬跃迁频率,采用原子光刻技术和软X射线干涉技术制备了1D 212.8 nm,2D 212.8 nm,1D 106.4 nm 3种自溯源光栅标准物质;在多层膜沉积技术研制硅纳米线宽结构的基础上,探索了基于硅晶格常数的硅纳米线宽自溯源型测量方法。在应用领域,开展了自溯源光栅对扫描探针显微镜、扫描电子显微镜等高精密测量仪器的校准研究。研究结果表明,自溯源型标准物质及其测量方法缩短了精密仪器和加工技术过程中的纳米长度计量溯源链,是先进纳米制造和新一代信息技术的有力支撑。

薄膜反射镜纳秒极紫外辐照损伤

随着超短超强自由电子激光等光源的应用,极紫外、X射线波段薄膜反射镜的抗辐照性能备受关注。本文介绍了IPOE实验室搭建的纳秒极紫外辐照损伤装置,并对极紫外-X射线自由电子激光常用的B_(4)C薄膜反射镜、Au和Ru金属单层膜反射镜、B_(4)C/Ru双层膜反射镜以及极紫外光刻用Mo/Si多层膜反射镜开展了辐照损伤测试,获得了不同材料和结构的薄膜反射镜抗损伤性能,结合理论模拟揭示了热熔融、热应力和膜层间扩散反应等损伤机制的作用。

超低损耗激光薄膜的散射与机械损耗

超低损耗激光薄膜在引力波探测、光原子钟、光腔衰荡光谱等精密测量领域具有重要应用。激光谐振腔的腔长稳定性和总光学损耗决定了测量系统的灵敏度和信噪比。在薄膜材料、制备工艺和检测技术的发展下,薄膜光学损耗控制和热噪声研究方面取得了显著的进展。在光学损耗方面,薄膜吸收已能控制在亚10-6量级,薄膜散射成为光学损耗的主要因素。本文重点从缺陷诱导散射和界面散射两方面梳理了薄膜散射控制的研究思路和成果,通过光学因子设计和界面功率谱密度调控降低薄膜界面散射,建立了节瘤缺陷诱导散射的理论分析模型,阐明其物理机制,提出了缺陷诱导散射的控制技术。在热噪声研究方面,主要介绍薄膜机械损耗的物理机制,通过薄膜材料体系优化降低反射薄膜的机械损耗,持续改进薄膜机械损耗的表征方法。