SiO_2/TiO_2变折射率光学薄膜制造技术研究

探讨了单源混蒸技术制备SiO2/TiO2变折射率薄膜的可行性,分别蒸发SiO2和TiO2质量比为1∶1和1∶2的混料,研究分析了薄膜折射率的变化情况,并将其与双源共蒸的方法进行了比较。实验中发现,两种材料蒸发方式的差异是影响SiO2/TiO2变折射率薄膜制备的主要因素,尚未发现混料中SiO2和TiO2的质量比与SiO2/TiO2薄膜折射率的对应关联。

PECVD制备光学薄膜材料折射率控制技术

渐变折射率光学薄膜用途广泛,PECVD技术在制备渐变折射率光学薄膜方面具有独特的优点。通过控制不同反应气体配比变化,分析了反应气体配比变化与所制备的薄膜折射率、消光系数和沉积速率之间的关系,讨论了薄膜折射率、消光系数和沉积速率变化的原因,研制了折射率可控的氟氧化硅（SiOxFy）、氮氧化硅（SiOxNy）、氮化硅（SixNy）等薄膜材料,获取了折射率在1.33-2.06之间的光学薄膜材料。

PECVD技术制备单层光学薄膜抗激光损伤特性研究

采用PECVD技术在BK7玻璃基底上沉积了不同厚度的单层SiO2(折射率为1.46)和SiNx(折射率为1.84)光学薄膜,并对这2种膜层进行抗激光损伤阈值(LIDT)测试,分析讨论了PECVD技术制备的单层光学薄膜与抗激光损伤特性之间的关系。实验结果表明:PECVD技术制备的单层SiO2薄膜有较高的LIDT,薄膜光学厚度在λo/4~λo/2之间时,在光学厚度为350nm时,LIDT有最小值21.7J/cm2,光学厚度为433nm时,LIDT有最大值27.9J/cm2。SiNx薄膜的LIDT随着光学厚度增加而减小,在光学厚度为λo/4时,LIDT有最大值29.3J/cm2,光学厚度为λo/2时,LIDT有最小值4.9J/cm2。

PECVD技术制备低折射率光学薄膜

采用等离子体增强化学气相沉积法在硅片上沉积含氟氧化硅薄膜,用椭偏仪测量薄膜的光学参数,研究了在固定抽速和真空度自动调节情况下C2F6气体流量的变化对薄膜折射率、消光系数、沉积速率的影响。实验表明在温度300℃、射频功率200 W、压力20 Pa,SiH460 sccm,N2O440 sccm,C2F630 sccm的工艺参数下沉积的薄膜在550 nm处折射率为1.37,消光系数4×10-4,可作为光学减反膜的材料。

UBMS技术制备DLC薄膜的光学常数椭偏分析

采用宽光谱变角度椭圆偏振仪对非平衡磁控溅射(UBMS)技术沉积的类金刚石(DLC)薄膜的光学常数进行了测量与分析。在建立模型时,根据DLC薄膜成膜特性,分析和调整了模型结构;综合考虑了表面粗糙度、薄膜与基底表面及界面因素对测试结果的影响,将表面层和界面层分离出来,并采用有效介质方法对它们的影响作了近似处理。结果表明:硅基底上采用UBMS技术制备DLC薄膜的椭偏数据,经该模型拟合后均方误差(MSE值)从37.39下降到4.061,提高了测量精度。

面向微光学元件表面形貌测量的涡旋相移数字全息技术

非接触、无损害的相移数字全息技术对微光学元件检测具有独特优势。因传统的相移数字全息技术需要对相移器进行精细控制和繁琐校准,同时其光路易受到机械振动干扰,导致全息再现像的质量降低。本文借助涡旋光特殊的相位分布,提出了一种基于涡旋相移数字全息的微光学元件表面形貌测量方法。该方法利用螺旋相位板调制涡旋相位,引入高精度相移。基于构建的涡旋相移数字全息显微实验装置,采用干涉极值法确定了相移干涉图之间的真实相移量,并对螺旋相位板的旋转角度与相移量的关系进行标定,实验验证了涡旋相移的可行性;对微透镜阵列进行了重复测量实验,将测试结果与ZYGO白光干涉仪的测试结果进行比较。结果表明:测量得到单个微透镜的平均纵向矢高为12.897μm,平均相对误差为0.155%。所提方法可以实现对被测微光学元件表面形貌的高精度测量,具有易操作、稳定可靠、准确性高等优点。

不同制备参数对多孔TiO_(2)薄膜光学性能的影响

多孔薄膜的制备工艺是其实现光学特性的重要环节。采用溶胶-凝胶法,以石英玻璃为基底,在不同工艺条件下制备出了多孔TiO_(2)薄膜,并通过椭偏仪、分光光度计和白光干涉仪对薄膜光学性能进行了表征和分析,研究了原料配比、盐酸浓度、致孔剂聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)添加量等工艺参数对多孔TiO_(2)薄膜折射率、孔隙率、透射率以及表面形貌的影响,并最终确定出制备多孔TiO_(2)薄膜的优化工艺参数。结果表明,在300 nm~700 nm光谱范围内,采用钛酸丁酯、盐酸(20%)、去离子水和无水乙醇以3∶1∶10∶8的比例,且溶液中PEG添加量为0.03 g·ml^(-1),涂膜2次时,可将TiO_(2)薄膜的折射率调低为1.4960(波长550 nm);膜层孔穴分布较均匀,孔隙率为48.3%;薄膜光学带隙值为3.77 eV。

类金刚石薄膜光学常数的测量方法

采用椭偏法测量类金刚石(DLC)薄膜的光学常数,分析了DLC薄膜折射率分布情况,提出了DLC薄膜折射率呈渐变分布的概念,建立了采用椭偏法进行DLC薄膜光学常数测量的多层物理模型,分析讨论了实验方法的可行性和测量结果的可靠性.实验结果表明:采用该模型进行DLC薄膜光学常数的测量,使拟合误差(MSE)从31.71下降到1.125,提高了测量精度.

类金刚石薄膜光学常数拟合模型的合理性研究

由于椭偏光谱测量结果不能直接反映所测量样品材料的结构和光学性质,所以需要利用最小二乘法来拟合分析椭偏光谱数据得到光学常数。而椭偏光谱分析依赖于构建的模型,且可能存在多模型解,因此考虑模型的合理性就显得十分必要。本文采用椭偏法测量了类金刚石薄膜(DLC)的光学常数,分析并拟合了脉冲真空电弧离子技术镀制的类金刚石薄膜的椭偏光谱,获得了光学常数,并对拟合模型的合理性和测量结果的可靠性进行了分析。

光学薄膜激光损伤阈值测量不确定度

光学薄膜的激光损伤阈值是评价其激光耐受性能好坏的一个重要指标。对薄膜激光损伤阈值的准确评价和测定,是判断其激光耐受性能和进行相互比对的基础。通过对激光损伤阈值测试系统误差的溯源分析和计算机模拟,给出了优化测试系统的方向。研究结果表明:在激光光斑确定的情况下,激光能量越高,能量密度的误差越大。因此在满足需要的情况下,应该尽可能选取较低的激光能量。在激光能量确定的情况下,存在一个临界光斑,当小于临界光斑时,能量密度误差变化非常剧烈,光斑越小,能量密度误差越大。测试系统的激光光斑大于临界光斑时系统的误差较小,小于临界光斑时系统的误差急剧变大。因此,在激光损伤阈值测试系统中,应该优选临界光斑或者大于临界光斑。激光损伤阈值拟合产生的最大误差为最大能级的激光能量误差,因此要尽可能降低激光器的脉冲能量。由此可见,设计合理的系统参数,可以最大程度降低测量结果的不确定度。

微弱激光信号的数字相关检测技术

为了从背景噪声中提取微弱激光信号，设计了一个用于微弱激光信号检测的光电检测系统．提出了一种用于微弱激光信号检测的、改进的数字相关检测技术——数字正交相关检测．对光电检测系统进行了整体的设计，在数字相关检测基本原理的基础上，分析并仿真了数字正交相关检测．实验结果表明数字正交相关检测技术可以对调制频率在1MHz以内、幅值为1V、随机干扰噪声幅值为0．5V的微弱激光信号进行检测，幅值检测相对误差在0．1％～1．29／6范围内，进一步表明该检测技术可以作为一种检测微弱激光信号的有效方法．

532nm激光辐照下ZnSe薄膜光学特性研究

采用电子束热蒸发技术制备了ZnSe薄膜,研究了532nm波长的不同能量(2.0mJ、2.5mJ、3.0mJ)、不同脉冲数(3、10、15)激光诱导前后,ZnSe薄膜的透射率、折射率、消光系数、损伤阈值(LIDT)的变迁。研究结果显示,在能量为2.0mJ激光辐照后,ZnSe薄膜折射率提高,透射率下降。相比较能量为2.5mJ、3.0mJ激光辐照,在能量为2.0mJ激光辐照后折射率提高最明显,由2.489 4提高到2.501 6。薄膜损伤阈值从0.99J/cm2提高到1.39J/cm2(10脉冲辐照);薄膜的损伤经过了无损伤到严重损伤突变的损伤演变过程。采用原子力显微镜对预处理后薄膜表面粗糙度进行检测,发现激光预处理后的薄膜表面粗糙度Ra有所下降,从0.563nm降低到0.490nm(15脉冲激光辐照)。

钛酸镧薄膜在1064nm/532nm波长激光辐照下的光学特性

采用热蒸发沉积技术制备了钛酸镧(H4)薄膜,研究了1 064nm和532nm波长激光诱导辐照处理后的薄膜折射率、消光系数、激光损伤阈值和损伤过程变迁.结果表明:采用不同波长的激光辐照H4薄膜后,会使其折射率升高,但升高的幅度不大.用1 064nm的激光辐照处理,可将H4膜的激光损伤阈值从10.2J/cm^2提高到15.7J/cm^2(5脉冲辐照),而532nm激光辐照对样品损伤阈值的提高效果不明显.同一样片,1 064nm激光的损伤阈值远远高于532nm的激光损伤阈值.1064nm激光辐照下,H4薄膜经历了轻微损伤、轻度损伤、重度损伤和极度损伤四个缓慢演变的阶段.而532nm激光辐照下,H4薄膜从未损伤到损伤是一个突变的过程,经历了重度损伤和极度损伤的演变阶段.

PECVD技术制备光学减反射膜工艺探索

讨论了采用PECVD方法在K9玻璃基底上制备SiO2、SiNx、以及SiOxNy薄膜材料的工艺参数与薄膜光学特性、沉积速率的关系,并且运用掌握的工艺参数成功地制备了400～800nm波长范围双层、梯度折射率减反射膜样片。实验结果表明,采用PECVD方法能够制备折射率可控的光学薄膜材料,沉积薄膜厚度的精度可以控制在7%以内。

LaTiO_3薄膜的光学及激光损伤特性

研究了工艺条件（沉积温度、真空度、蒸发束流）对LaTiO3薄膜光学和激光损伤特性的影响。采用椭偏法测量了薄膜的光学常数,分析了不同工艺条件下制备薄膜的折射率和消光系数,得出工艺参数与薄膜光学性能的相互关系。研究结果表明,当沉积温度从室温（未加热）升高到220℃,所制备薄膜的折射率从1.9334增大到1.9644（d光）。当真空度从6.5×10-3（未充O2）降低到2.0×10-2Pa时,薄膜的折射率从1.9726下降到1.9268。随着束流从75增加到140 m A,薄膜的折射率从1.9337到1.9548略微有所增加。在所研究的工艺参数范围内,薄膜的折射率基本稳定,消光系数均小于1.74×10-3,尤其当沉积速率低于0.44 nm/s时,所制备薄膜的消光系数优于10-6。LaTiO3薄膜的激光损伤形貌随制备工艺而不同,其激光损伤阈值约为16.2~18.8 J/cm2（1064 nm,10 ns）。

PECVD工艺参数对SiO_2薄膜光学性能的影响

为探索利用等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Depo-sition,PECVD)技术制作光学薄膜的有效方法.以SiH4和N2O作为反应气体,通过采用M-2000UI型宽光谱变角度椭圆偏振仪对制作样片进行测试,分析了薄膜沉积过程中的不同的工艺参数对SiO2薄膜光学性能的影响.实验结果表明:在PECVD技术工作参数范围内,基底温度为350℃,射频功率为150 W,反应气压为100 Pa时,能够沉积消光系数小于10-5,沉积速率为(15±1)nm/min,折射率为(1.465±0.5)×10-4的SiO2薄膜.

薄膜光学常数的粒子群算法

为解决椭偏法测量薄膜厚度和折射率实验数据处理较为复杂的问题,采用一种新的基于群体智能的优化算法——粒子群算法处理实验数据.以单层吸收薄膜的测量为例,利用该算法进行数据处理.实验结果表明,可以同时获得3个薄膜参数(折射率n,消光系数k和薄膜厚度d),而且在确切参数范围未知情况下,大范围内进行搜索仍然能保证快速收敛到最优解.该算法与遗传算法以及利用椭偏仪数据处理软件得出的结果相比较,计算精度高,收敛速度快.

双源共蒸技术制备MgF_2/ZnS复合薄膜的特性

目的以MgF_2和ZnS为单组分制备MgF_2/ZnS复合薄膜,研究复合薄膜的光学性能,以获取任意折射率薄膜材料,并优化高损伤阈值激光薄膜的制备工艺。方法基于光电极值膜厚监控原理,采用电子束热蒸发和电阻热蒸发技术制备了复合薄膜,测量了复合薄膜的折射率、消光系数和透射率光谱,并对其激光损伤特性进行了研究。结果在所研究的工艺参数范围内,当Mg F_2和ZnS的沉积速率比为5∶1、4∶1、2∶1、1∶1和0.5∶1时,所制备复合薄膜的折射率分别为1.4227、1.4932、1.6318、1.9044和2.0762(波长550 nm)。复合薄膜的折射率符合正常色散,当沉积速率选取合适,可以获得介于两种组分薄膜材料之间的任意折射率。对激光损伤性能测试的结果显示,不同沉积速率比率下制备的复合薄膜的激光损伤阈值可能介于两种单组分薄膜之间,也可能高于每种单组分薄膜的激光损伤阈值,其激光损伤阈值最高比单组分MgF_2薄膜高28.6%,比单组分ZnS薄膜高96.4%。结论采用光电极值法监控膜厚,可根据不同蒸发源的蒸发特性,获得介于单组分膜料折射率之间的任意折射率材料,双源共蒸技术获取中间折射率是可行的。采用双源共蒸技术制备的复合薄膜,可改善单组分膜层的缺陷,获得高于单组分薄膜激光损伤阈值的材料。

热蒸发沉积TiO_2薄膜的光学及激光损伤特性

采用电子束热蒸发技术,用不同沉积速率制备了TiO_2薄膜。根据透射率谱计算了薄膜的光学带隙,采用椭偏法测量了薄膜的折射率、消光系数及厚度,分析了薄膜内部的电场强度分布,对其激光损伤特性进行了研究。结果表明,在所研究的工艺参数范围内,TiO_2薄膜的光学带隙比较稳定,随沉积速率的变化并不显著,其值大小在3.95eV-3.97eV。当沉积速率从0.088nm/s,0.128nm/s增加到0.18nm/s时,薄膜折射率从1.9782,1.9928,升高到2.0021(波长1064nm),但当沉积速率继续增加到0.327nm/s时,折射率反而降低到1.9663,薄膜的消光系数随着沉积速率的增加单调增加。采用同一高能激光损伤薄膜后,当沉积速率较低时制备薄膜的损伤斑大小基本一致,但以0.327nm/s较高速率制备的薄膜,其损伤斑明显增大。高沉积速率下制备的TiO_2薄膜的吸收较大,激光损伤阈值较低。

薄膜光学常数的模拟退火算法研究

在薄膜的光学参数拟合时,操作者给定的模型初值对拟合结果有很大的关系。采用广泛用于求解复杂系统优化问题的模拟退火算法来求解薄膜光学常数,降低了操作者给定拟合模型初值的要求。通过对常规的模拟退火算法以及非常快速的模拟退火方法(Very Fast Stimulated Annealing,VFSA)分析,针对性地在模型扰动及退火计划上存在的缺陷作了改进,提高了 VFSA 算法的计算稳健性。通过大量的拟合实践,验证了提出的改进模拟退火方法的有效性。