薄膜光学微金字塔结构阵列的制备研究

为了解决薄膜光学微结构中等效折射率梯度分布的问题。本文研究了轮廓渐变的薄膜微金字塔结构阵列,分析了微金字塔结构的典型制备工艺,提出了一种单点金刚石车削,结合纳米压印与电感耦合等离子体刻蚀技术的制备方法。实验结果表明:单点金刚石飞切形成的金字塔结构单元的尺寸可以在1~10μm之间进行调控,切削5min可以形成直径12.5mm的微结构成型区域;纳米压印技术与电感耦合等离子体刻蚀方法的结合,实现了薄膜光学微金字塔结构阵列的制备。

N和As掺杂二维GeC光电性质的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论第一性原理,系统研究了单层GeC,N掺杂、As掺杂及N-As共掺杂GeC体系的稳定性、电子结构及光学性质等。结果表明,单层GeC是一种禁带宽度为2.10 eV的直接带隙半导体。与单层GeC相比,掺杂后体系的禁带宽度和功函数均减小,表明体系的电子跃迁所需的能量相对较少。并且,掺杂后体系的光吸收系数均有所提高,同时吸收带边也发生了红移,有效拓宽了体系对光的响应范围,提高了体系对光子的吸收能力。此外,As掺杂GeC体系不仅在费米能级附近出现了杂质能级,而且在低能区的吸收系数、静介电函数及消光系数等光学性质最优。本研究可为GeC光电相关实验制备提供理论基础。

抛光表面的亚表层损伤检测方法研究

光学元件磨削加工引入的亚表面损伤威胁着光学元件的使用性能及寿命,成为现阶段高能激光发展的瓶颈问题,特别是抛光表面光学元件的亚表面损伤检测已成为光学元件制造行业的研究热点和难点.本文结合光学共聚焦成像、层析技术、显微光学、光学散射以及微弱信号处理等技术,给出了基于光学共焦层析显微成像的光学元件亚表面损伤检测方法.分析了不同针孔大小对测量准确度的影响,并首次给出了亚表面损伤的纵向截面分布图.与腐蚀法比较结果显示:针对自行加工的同一片K9玻璃,采用本文提出的方法测得的亚表面损伤深度45μm左右;采用化学腐蚀处理技术,对光学元件逐层刻蚀,观察得到的亚表面损伤深度50～55μm.两者基本一致,进一步验证了本文采用的方法可以实现对光学元件亚表面损伤的定量、非破坏检测.

小口径深度凸非球面的高精度面形检测

凸非球面反射镜在反射式光学系统中的应用非常广泛,但其面形高精度检测一直是光学制造领域的难题。为了实现小口径、深度凸非球面的面形高精度检测,提出了一种基于计算全息图(Computer Generated Hologram,CGH)的零位干涉检测技术。首先,详细阐述了该技术的检测原理和方法,给出了计算全息中补偿测试全息和对准标记全息设计过程中的技术要点;然后结合工程应用,针对口径15 mm、顶点曲率半径11.721 mm、非球面度达到72μm的深度凸非球面,设计并制造了相应的CGH补偿元件,完成了相应零位干涉检测系统的搭建和检测实验;最后,与Luphoscan的检测结果交叉对比,验证了该检测方法的准确性。该技术为小口径凸非球面的高精度检测提供了一种有效的方法,具有显著的工程应用价值。

衍射光学元件车削误差控制技术

衍射光学元件在光学系统中的应用越来越广泛,对衍射结构的加工质量提出了更高的要求。单点金刚石车削可直接加工出高精度衍射微结构表面,但衍射结构的位置误差和表面质量对其光学性能有较大影响。为了提高衍射光学元件的性能,需要精确控制其车削误差。基于此,分析了影响衍射元件加工质量的因素,建立了揭示位置误差、衍射面形状和刀具半径之间的关系的数学模型,揭示了衍射带位置精度影响规律。通过补偿加工提升基底表面质量来提高衍射曲面面形精度。结合仿真模型与粗糙度影响参数,指导车削刀具半径的选取。最后,基于仿真结果,选择半径为0.02 mm的半圆弧刀具加工,最终加工的衍射元件面形误差为292 nm,衍射环带位置误差最大为55 nm,高度误差最大为16 nm,粗糙度为5.6 nm。实验结果表明,该预测模型可以指导衍射光学元件高精度表面形貌的获取,有利于提高光学系统的成像质量,为高精度衍射光学元件的批量生产提供了技术支持,具有广泛的工程应用价值。

多通道窄带滤光片光学特性的测试与修正

多通道窄带滤光片在多光谱成像领域具有重要应用,各通道中心波长、通带半高宽、截止带深度等指标是评价滤光片光学性能的重要参数,准确测试窄带滤光片的光谱特性对镀膜工艺及多光谱成像应用具有重要意义。针对多通道窄带滤光片光谱特性测试过程中存在的光谱串扰问题进行了分析,提出了基于显微镜和光纤光谱仪的多通道窄带滤光片光谱特性测试方法,介绍了测试原理和装置;研究了光谱分辨率对测试结果的影响规律,采用微分算子五点修正法对原始数据修正,并对修正前后的误差进行分析。文章解决了在多通道滤光片测试过程中存在的光谱串扰和光谱分辨率等问题,光谱修正结果可用于指导滤光片的生产以及为光谱成像提供准确的光谱信息。

低能Kr^+离子束诱导蓝宝石晶体实验研究

使用微波回旋共振离子源制备蓝宝石(A向)自组织纳米结构,研究不同入射角度下Kr+离子束刻蚀蓝宝石表面形成的自组织纳米结构及其形成过程.采用等离子体与离子束刻蚀设备在不同入射角度下对蓝宝石样品表面进行刻蚀并通过Taylor Surf CCI2000非接触式表面测量仪和原子力显微镜分别对刻蚀后的蓝宝石样品的刻蚀速率及表面形貌进行分析.研究表明:当离子束能量为400eV,加速电压为200V,离子束流密度为310μA/cm^2时,小角度入射下,蓝宝石样品表面出现纵向尺度较小的有序点状纳米结构;随着入射角度的增加,样品表面形成条纹状纳米结构,30°时形成短程有序且纵横比为0.87的条纹状结构;入射角度继续增加,纵向高度减小直至纳米结构消失;当角度达到60°附近,蓝宝石表面又出现条纹状结构,70°时形成了短程有序且纵横比为1.07的条纹状结构.自组织纳米结构的形成先以"岛状"形式出现,随后岛上生长出条纹状纳米结构,随着刻蚀时间的增加,岛状条纹结构纵向尺度增大且有序性增强,纳米结构的横向周期不变.

荧光显微立体成像测量光学元件亚表面损伤深度

光学元件亚表面损伤直接影响光学系统激光损伤阈值,损伤深度是衡量亚表面损伤的关键参数之一,目前尚无成熟的快速定量测量方法。基于荧光显微立体成像技术提出一种损伤深度测量方法。首先,在光学元件加工过程中利用量子点对亚表面损伤进行标记;当激光束以一定角度入射光学元件表面时,标记量子点会受激产生荧光;通过荧光相机对损伤层纵向分布的荧光信号进行显微立体成像,根据成像原理和结构参数计算荧光分布深度,实现光学元件亚表面损伤深度的快速定量测量。通过光学胶和甩胶工艺制备了系列标准件,并开展对比验证测量实验,结果表明所提方法针对损伤深度55~75μm,测量相对误差小于8%。

装夹自重变形对大口径绝对面形检测的影响

针对立式大口径平面干涉仪,采用结合Zernike多项式的三平面互检面形检测方法,研究参考平面在装夹情况下的自重变形对绝对面形检测结果的影响.运用ANSYS有限元分析方法研究了不同参数下的装夹和自重变形情况,得到了最优的装夹参数为环带宽度15mm、平面厚度90mm,此时的变形量峰谷值为0.023λ(λ=632.8nm).通过参考平面装夹自重变形对测量结果影响的模拟检测试验和对比分析,发现参考平面装夹自重变形不仅影响其自身的面形,而且对未变形大口径平面的绝对面形检测结果也有较大影响,面形残差峰谷值基本都在0.011λ,尤其在高精度干涉测量中该影响不可忽略.研究结果可为高精度测量的变形补偿提供参考.

基于POCS的数字全息显微系统的超分辨实验研究

为提高数字全息显微系统的重建效果,将凸集投影算法应用于数字全息中,以实现数字全息的超分辨重建.首先,在数字全息和凸集投影法的理论基础上,搭建透射式离轴数字全息显微实验光路.然后,利用分辨率板验证凸集投影法在全息图超分辨率复原中的有效性.最后,通过微透镜阵列验证该方法在三维重建中的可行性.将参考全息图的三维重建结果,分别与低分辨率全息图和超分辨率复原全息图的重建结果进行残差估计.结果表明,后者残差的峰谷值和均方根值相比前者分别降低了36.88%和70.66%,证明该方法能够实现数字全息的超分辨重建.

高反射镜表面疵病激光散射显微成像检测

反射镜表面疵病散射直接影响光学测试系统的性能、精度等多项重要指标。反射镜表面疵病的散射量可借助激光散射显微镜进行检测,为了保证整个系统的检测效率及精度要求,在硬件系统的设计上,设计显微物镜镜头、计算光斑的大小及CCD的功率谱响应;在软件系统的设计上,利用软件编写激光散射显微成像测试系统软件,能利用步进电机对反射镜表面进行扫描,同时控制图像采集卡采集图像并保存,重点研究如何快速有效地对采集到的子孔径图像进行精确配准,为后续图像的拼接处理奠定基础。通过分析整个测试系统的精度,×20倍率下能够分辨5～10μm疵病。

红外光学元件的补偿加工技术研究

为了实现红外材料光学元件的高精度制造,文中研究了单点金刚石车削加工(SPDT)技术,并针对面形检测中存在的面形误差较大的问题,提出了采用补偿加工技术,以面形检测数据为基础,反馈修正车削加工程序,再次对红外材料光学元件进行修正加工,有效地提高了其面形精度。实验结果表明:对于某口径为30mm的ZnSe材料二次非球面元件,采用补偿加工技术后,其面形精度从PV=252.4nm和RMS=67.28nm提升到PV=58.3nm和RMS=10.62nm;对于某口径为40mm的Ge材料高次非球面元件,面形精度从PV=181.0nm和RMS=44.0nm提升到PV=60.0nm和RMS=7.35nm;这充分说明了该技术的可靠性,该技术能够有效地提高红外材料光学元件的制造精度。

半透明Cu2O/ZnO异质结的制备及其光电性能研究

为研究具有更好材料稳定性的半透明薄膜太阳能电池,本文采用直流磁控溅射技术沉积氧化亚铜(Cu2O)薄膜和氧化锌(ZnO)薄膜,制备了Cu2O/ZnO异质结.使用扫描电镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪、薄膜测定系统和太阳能模拟器,研究在不同氩/氧气体流量比的条件下制备的Cu2O层对异质结的材料特性、光学特性及光电特性的影响.研究结果表明:在一定氩/氧气体流量比范围内制备的Cu2O/ZnO异质结,在AM1.5的标准模拟太阳光的照射下具有一定的光电转换能力,可作为半透明太阳能电池的换能单元.

氮化硅微金字塔结构化薄膜的分光特性研究

为研究氮化硅微金字塔结构化薄膜的分光特性,使用单点金刚石切削制备微金字塔结构,结合纳米压印技术制备氮化硅微金字塔结构薄膜,对其透射率与散射进行检测。通过对底面角度可变的氮化硅微金字塔结构化薄膜的近场光场分布展开仿真分析与实验研究,基于射线追踪方法建立数值仿真模型分析结构化薄膜的近场光场分布。研究结果表明:通过调整切削方向实现对微金字塔结构阵列底面角度0°～90°的控制,检测结果证明薄膜光学微金字塔结构化薄膜可以实现对光束传播方向与能量分布的调制,改变微金字塔结构的底面角度,可以让光波按照底角的设计传播,这一现象为微光电系统的光路设计提供了更广的自由度。

一种高精度激光吸收率测量装置

针对现有激光吸收率测量的不足,在总结现有激光吸收率测量方法基础上,设计了一种积分球法激光吸收率测量装置。增加了导光管结构,并对光源进行了监测,对光束进行了调制。采用相关检测和同步采集等方法,有效地去除了背景噪声、探测器及检测电路噪声对测量的影响。并实验比较了安装导光管前后装置对样品吸收率的测量影响,并对多个样品进行实验。结果表明,对于样品反射率在10×10^(-6)~10 000×10^(-6)范围内,装置的测量误差可以达到±2%以内,实现了激光吸收率的高精度测量。

纳米光学表面加工缺陷高效检测技术

纳米光学表面是指表面粗糙度均方根值在纳米尺度的光学表面,广泛应用于微电子领域以及光学仪器和装备领域。纳米光学表面加工缺陷主要有表面损伤和亚表层损伤两个方面;基于非接触式无损检测手段的优点,针对白光干涉技术和表面散射测量技术等进行原理分析,采用不同的工艺条件制备不同加工缺陷的测试样片,分别采用白光干涉仪、原子力显微镜和表面散射测量仪进行测量对比分析,实验结果表明白光干涉技术是进行表面粗糙度和亚表层损伤测量的有效手段,具有检测精度高、测量速度快以及对被测件无损伤等特点。

太阳能驱动的界面式蒸发淡化装置设计

针对多种突发状况下人员淡水的获取问题,设计了一种小型的界面蒸发式海水淡化与收集装置,该装置使用太阳能作为蒸发热源,具备独立的界面蒸发、冷却、储存与收集蒸馏水的能力。在结构上设计了过滤网状栅格和漏斗式沉淀仓,可实现水质的双重过滤;设计了漏斗状双层冷凝通道,利用海水的内/外循环实现了蒸发水汽的快速冷凝;设计了负压式集水装置,可自动高效地收集的蒸馏水,并提供密封环境实现淡化水的长期储存。相比传统淡化技术,整体结构紧凑、体积小、操作简单、成本投入少、无需耗费外部能源,在沿海小岛、作业渔船、海上求生或抢险等场景具有广泛的应用价值。

储能聚合物复合方式的研究进展

新能源动力、医疗仪器、地下勘探、高功率脉冲等行业的高速发展对介质电容器的要求越来越高。聚合物基薄膜电容器的高功率密度、高击穿场强、高可靠性、低损耗、小体积等优点备受关注。但由于聚合物本身低介电常数的特点导致了其能量密度较低,限制了其在高端领域的应用。而聚合物通过不同方式与其他有机或无机物的复合都是提升能量密度的有效途径。介绍了聚合物基薄膜电容器与无机物的复合方式研究现状,分析了不同复合方式的优势与不足,并讨论了未来聚合物基薄膜电容器的发展前景。

氧化镧掺杂铌酸钾钠陶瓷的电、光性能研究

铌酸钾钠(K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3),KNN)基陶瓷具有充放电速度快、透明度高、应用温度范围宽、使用寿命长等优点,在脉冲功率器件等领域具有广阔的应用前景。通过改性技术提高铌酸钾钠基陶瓷的电、光性能是该方向的研究热点。本研究采用固相法制备0.825(K_(0.5)Na_(0.5))NbO_(3)-0.175Sr_(1–3x/2)La_x(Sc_(0.5)Nb_(0.5))O_(3)(x=0,0.1,0.2,0.3)陶瓷(简称0.825KNN-0.175SLSN),研究La_(2)O_(3)掺杂对其相结构、微观形貌、光学、介电、铁电及储能性能的影响。研究结果表明:0.825KNN-0.175SLSN陶瓷具有高对称性的伪立方相结构;随着La_(2)O_(3)掺杂量增大,陶瓷的平均晶粒尺寸减小,相变温度(T_(m))及饱和极化强度(P_(max))增大,达到峰值后下降。在x=0.3时,该体系陶瓷表现出优异的透明性,在可见光波长(780nm)及近红外波长(1200nm)范围内透过率分别达65.2%及71.5%,同时实现了310kV/cm的击穿场强和1.85J/cm^(3)的可释放能量密度。

基于稀疏矩阵的光学元件表面疵病检测

提出了一种基于稀疏矩阵的表面疵病快速拼接方法。该方法采用环形白光光源均匀地照射到被测元件表面,光经显微散射暗场成像系统后形成暗背景下的亮疵病图像。通过对光学元件的x,y方向进行扫描,得到子孔径拼接图像。基于稀疏矩阵和图像拼接,对子孔径图像进行快速拼接,得到全孔径疵病图像。基于最小外接矩形原理,对图像疵病进行识别和分类,最终得到7个光学元件表面疵病划痕,其最大长、宽分别为15.2110 mm和0.0297 mm;麻点有5个,其最大长、宽分别为0.1089 mm和0.0967 mm。将测量得到的划痕宽度与标准划痕宽度进行对比,得到划痕宽度的相对误差范围为-5.00%～5.50%。在此基础上,对实际的光学表面进行检测,得到光学元件表面疵病信息。