多金属层诱导透射紫外“日盲”探测成像滤光片设计与低温制备研究

基于SiO2/Al/SiO2三层夹层结构,结合使用多角度椭圆偏振谱和透射光谱精确反演获得了薄金属Al层光学常数,并研究分析了Al光学常数随膜层厚度的变化;在此基础上采用导纳匹配法,理论优化获得了三腔金属诱导透射紫外滤光膜,并系统分析了Al和SiO2介质匹配层制备误差对紫外滤光膜光谱性能的影响;进一步采用低温、高真空Al、SiO2薄膜生长工艺,成功获得了峰值波长位于218 nm附近,峰值透过率~23.1%,带宽~32 nm,在280 nm、318 nm波段的透过率分别约为0.5%和0.04%,400～700 nm、800~1 100 nm波段的截止度分别可达~5.0 OD、~4.5 OD的高性能三腔诱导透射紫外滤光片样品。相关研究结果对于高性能多腔诱导透射日盲紫外滤光片的设计与制备具有很好的指导意义。     

可见与近红外增透膜的设计和制备

为满足大气辐射系统中光学元件的使用要求,即可见与近红外波段高透过,根据双有效界面法设计原理配合膜系软件设计膜系,采用离子辅助沉积,电子束真空镀膜的方法,通过对工艺参数的调整和监控方法的改进,制备400~1200 nm宽带增透膜。所镀膜层在垂直入射时,400~1200 nm波段平均反射率小于1%。同时对膜层牢固性进行了测试,满足大气辐射系统的使用要求。     

红外探测器光学系统滤光膜的研制

为了提高红外探测器的灵敏度,针对红外探测器元件滤光膜的技术要求,采用Si和YbF3的膜料组合,依据薄膜理论,设计干涉截止滤光膜,满足了3个波段对光学性能的要求,并且在实际制备过程中优化了工艺参数,包括温度、蒸发速率以及离子源辅助沉积参数。通过多次实验研究,对设备的本身误差进行分析修正,提高了膜层厚度控制精度,在蓝宝石基底上成功镀制了1 064 nm透射率为91.5%、1 200～2 900 nm平均反射率大于97%、3 000～5 000 nm平均透射率为93%的3波段干涉截止滤光膜,给出了综合测试结果和实测光谱曲线。     

窄带负滤光片膜层的制备

介绍了光学产品用负滤光片的特点.负滤光片适用于镀制要求某一光谱范围高反射率、其他波段范围高透射的光学零件.讨论了窄带负滤光片膜层的结构特点、反射带宽度、反射率值与膜料及膜系的相对关系,给出了典型的理论光谱特性曲线.镀制出了接近理论光学特性的窄带负滤片膜层,膜层的中心波长定位精度2 nm,中心波长漂移不大于2 nm,非胶合状态下可直接在大气环境中使用.     

面向激光防护应用的金刚石/V2O5 膜系设计与制备

针对目前激光对红外光电传感器的威胁,为满足红外传感器在可见光与3~5 m波段高透射,低于3 m波段高反射的使用要求,采用光学金刚石作为红外窗口材料,采用具有热致相变特性的V2O5薄膜作为激光防护涂层,采用ZnS和YbF3作为高低折射率材料,依据膜系设计理论设计具有抗激光致盲能力的红外增透膜并采用TFCalc优化膜系。采用离子辅助法制备增透膜,采用磁控溅射法在实验制备增透膜上制备V2O5涂层。采用扫描探针显微镜对光学薄膜的表面三维形貌及粗糙度进行测试分析,对薄膜进行红外光谱测试分析,结果满足使用设计要求。     

用于四结太阳电池的多对TiO2/SiO2减反膜系的研究

随着GaInP/GaInAs/GaInNAs/Ge四结太阳电池的快速发展,设计并镀制可与四结太阳电池更加匹配的光学减反膜系变得尤为重要.实验中通过TFCale软件理论模拟了3对TiO2/SiO2(6层)减反膜系,其中理论模拟膜系与实际镀制膜系反射率曲线重合性良好.实际制备并讨论了离子源功率、薄膜物理厚度等参数对减反膜系反射率的影响.发现得到优异反射率的关键在于对第二层SiO2薄膜物理厚度的控制,尤其是在400～1 000 nm波段内.实验中制备的3对TiO2/SiO2(6层)减反膜系在280～1 400 nm波段内其反射率均小于10％,特别是在影响四结太阳电池限流结的GaInAs/GaInNAs两结波段(670～900 nm/900～1 100 nm)内,其反射率均在5％以下.     

低红外发射率TiO2/Ag/TiO2纳米多层膜研究

利用磁控溅射在玻璃衬底上制备了具有良好的光谱选择性透过率的TiO2/Ag/TiO2纳米多层膜.通过用X射线衍射、扫描电子显微镜、UV-VIS-NIR分光光度计、傅里叶红外光谱仪对样品进行表征,优化了薄膜的制备工艺,研究了多层膜的光学特性.结果表明,当Ag膜的厚度为12nm时,多层膜具有高的可见光透过率和优良的导电性能.样品在555nm波长处的透过率最高达93.5%,红外波段平均反射率为90%左右,8μm～14μm波段红外发射率ε＜0.2.Ag层厚度的增加使可见光高透过率波段变窄,透过率下降.内层及外层TiO2厚度的变化引起薄膜可见光透过峰的位置及强度发生变化,外层的影响高于内层.     

电视、激光、中波红外多波段增透膜研究

针对多光谱成像中存在的多光谱共光路问题,在ZnSe基底上设计了三波段增透膜。通过选取合适的薄膜材料,利用TFCalc膜系设计软件对膜系进行设计与优化,使用热蒸发和离子源轰击结合的方式沉积膜层,采用分光光度计和傅里叶红外光谱仪测量光谱特性。通过设计粘结层与保护层,有效提高了膜层与基底之间的结合力以及膜层的强度。该膜层可以实现多光谱ZnSe基底在电视（500~800 nm）、1064 nm激光和中波红外（3.7~4.8 μm）三个波段高效增透,且具有良好的环境适应性。     

日盲探测宽波段低噪声滤波器件的研制

为满足日盲探测系统的技术要求,研制了一种可以实现紫外日盲区(200~270nm)高透射、近紫外到近红外区(300~1200nm)深截止的光学滤光片。通过分析材料的光学特性,结合光学薄膜理论,优化膜系结构,设计了介质与金属组合的膜系。采用电子束加热蒸发的方法沉积金属膜,通过对沉积速率的实验研究,在保证金属光学性能的前提下,有效降低了膜厚控制误差。采用逆向反演法与膜层敏感度分析,对谐振层工艺参数进行优化,有效降低了谐振层的控制误差。该滤光膜在200~270nm波段的平均透射率达到51.21%,在300~1200nm抑制区的平均透射率为0.90%。     

酒精蒸汽激光检测系统滤光器件的研制

为提高酒精检测系统的信噪比,根据比尔-朗伯定律确定双通窄带滤光片的技术参数;根据技术参数在Si基底上采用双面拆分法设计窄带滤光片,建立折射率渐变模型确定反演系数,实现膜层的准确控制。采用真空室原位退火法提高膜层聚集密度,降低膜层应力,进而提高膜层附着力,稳定膜层光谱性能;制备的膜层能够满足在(1392±10) nm和1530～1570 nm波段透射率大于90%,400～1350 nm和1600～1800 nm波段透射率小于1%,在1410～1515 nm波段透射率小于30%的要求。     

纳米光学金刚石薄膜的分析与改进

由于极其优良的热学和光学性能,纳米金刚石薄膜极有可能应用于背投电视的激光光学窗口。文章通过在热丝辅助化学气相沉积法中采用偏压增强成核(BEN-HFCVD) ,成功地在(100)硅衬底上制得了适于作为光学窗口的高质量的光学级纳米金刚石薄膜,采用的偏压为-30 V。通过表征制备的纳米金刚石薄膜,发现它具有光滑的表面,表面均方根粗糙度(RMS)约为10 nm,并且对自支撑纳米金刚石薄膜进行透射光谱分析得到其透射率达到了50 %。     

基于单次曝光多光谱关联成像系统带通滤波器的研究

多光谱关联成像与传统点到点的成像方式不同,该技术是采用调制、解调的方式获取目标的图像信息。搭建了一套基于固定相位板的单次曝光多光谱关联成像系统,完成了多光谱关联成像系统中薄膜器件的研制。选择BK7玻璃作为基底材料,氧化铌(Nb₂O₅)和二氧化硅(SiO₂)为高、低折射率材料。根据光学薄膜基础理论,结合膜系设计软件进行膜系设计和模拟分析,通过建立膜系优化评价函数,实现了0°~30°入射450~700 nm带通滤光膜的设计,并在OZZSQ900型箱式真空镀膜机上完成了该薄膜的研制。通过优化SiO₂膜沉积速率,改善了薄膜表面缺陷,降低了散射损耗。对膜层的残余蒸镀进行分析,利用最小二乘法建立膜层厚度与残余蒸镀量之间拟合函数,调整监控方式,减小残余蒸镀,提高了制备过程中膜厚控制精度。采用安捷伦Cary5000分光光度计测试,在350~440 nm和710~800 nm波段透过率 T ＜0.5%,450~700 nm范围内,光线入射角0°~30°时平均透过率 T >98%的带通滤波器,满足系统使用要求,该研究具有重要的实际意义和工程价值。     

IWO缓冲层对磁控溅射生长绒面HGZO薄膜性能的影响

研究了W掺In2O3(IWO)缓冲层(buffer layer)对磁控溅射直接生长绒面结构H化Ga掺杂ZnO(HGZO)薄膜的微观结构和光电性能的影响。实验发现,加入IWO缓冲层能够有效地增大薄膜表面粗糙度,提高了薄膜光散射能力,薄膜绒度(550nm波长处)由7.05%提高至18.37%;具有IWO缓冲层的HGZO(IWO/HGZO)薄膜的电学性能稍微提升。通过优化工艺条件,当IWO缓冲层厚为10nm时,生长获得的IWO/HGZO复合薄膜方块电阻为3.6Ω,电阻率为6.21×10-4Ωcm,可见光及近红外区域透过率(400～1 100nm)为82.18%,薄膜绒度(550nm波长处)为18.37%。     

ZnO纳米棒薄膜光学性能的系统研究

采用简化的种子层制备工艺在ITO基底上制备了ZnO种子层,并使用化学溶液沉积法制备了高度取向的ZnO纳米棒阵列。采用XRD和SEM对ZnO纳米棒的结构和形貌进行表征,并对样品的光学性能进行了测试。测试结果表明,所制备的ZnO纳米棒为c轴择优取向的六角纤锌矿结构,直径为66~122nm可控,且排列紧密,形貌规整。光学性能测试结果表明,吸收光谱在375nm附近表现出强烈的紫外吸收边是由于禁带边吸收引起的;反射光谱具有一定的周期振荡性,可用于薄膜厚度的估算;光致发光谱在378nm附近有很强的紫外发射峰;增大生长液浓度和高温退火可降低缺陷发光,改善结晶质量。     

可见与近红外激光通信系统光学滤光膜的研制

在空间光通信中,光学系统起着非常重要的作用,光学薄膜技术已成为制作光学元件的关键技术。对532、808、1064、1550nm激光工作的4个波段,选择Ti3O5和SiO2作为高低折射率材料,借助于膜系设计软件,采用电子束蒸发和离子辅助沉积的方法设计并制备了激光滤光膜。镀膜后的基片在808nm处的透射率大于90%,532、1064、1550nm处的反射率均大于99%。重点解决了808nm透射区半波孔的问题,通过对基片进行清洁、减少薄膜的吸收和进行真空退火等方法提高了膜层的激光损伤阈值。经过性能测试和评估,满足系统的要求。     

超低面形宽带高反射薄膜设计及制备技术研究

光学薄膜元件的面形偏差会导致高精度激光系统中传输光束发生波前畸变，严重影响光学设备的性能。传统的面形偏差控制技术是采用双面镀膜，但需要反复抛光基片以获得高精度面形，这会大大增加研制成本，限制该方法的使用。文中基于离子束溅射沉积技术，采用薄膜应力形变模型预测镀膜后面形变化情况，然后对待镀元件的镀膜面预加工出与变形方向相反的面形，来补偿镀膜后膜层应力造成的薄膜元件变形，最后在预加工好的基片上制备超低面形的宽带高反膜，实现了在550~750 nm的工作波长下反射率R≥99.5%，面形PV≤0.15λ@632.8 nm。此项技术是通过标定薄膜材料的力学参数，预测在相同工艺条件下任意多层膜的面形变化，实现在超宽光谱设计的同时引入力学同步设计，制备出满足光、力双重指标的高质量光学薄膜。     

SiO2和ZrO2薄膜光学性能的椭偏光谱测量

用溶胶-凝胶工艺在碱性催化条件下,采用旋转镀膜法在K9玻璃上分别制备了性能稳定的单层SiO2薄膜与单层ZrO2薄膜。用反射式椭圆偏振光谱仪测试了薄膜的椭偏参数,并用Cauchy模型对椭偏参数进行数据拟合,获得了溶胶-凝胶SiO2与ZrO2薄膜在300~800 nm波段的色散关系。用紫外-可见分光光度计测量了薄膜的透射率,并与用椭偏仪换算出来的结果相比较;用原子力显微镜观察了薄膜的表面微结构,并讨论表面微结构与薄膜光学常数之间的关系。分析结果表明,Cauchy模型能较好的描述溶胶-凝胶薄膜的光学性能,较详细的得到了薄膜的折射率,消光系数等光学常数随波长λ的变化规律;薄膜光学常数的大小与薄膜的微结构有关。     

基于MSM结构的表面等离子体共振光纤折射率传感器

基于表面等离子体共振(SPR)效应,设计了一种基于多模-单模-多模(MSM)结构的光纤折射率传感器。采用光纤熔接的方式构成MSM结构,并且在单模光纤的表面涂覆二氧化钛/银(TiO2/Ag)复合膜构成传感单元。利用FDTD Solutions仿真分析了单模光纤长度与金属膜厚度对传感器性能的影响。结果表明:单模光纤长度越长,共振深度越深;TiO2/Ag复合膜中Ag膜厚度为50nm,TiO2膜厚度为20nm时,传感器性能最优,在1.33~1.41环境折射率范围内,传感器的灵敏度约为6 875nm/RIU。实验结果表明该光纤折射率传感器结构制作工艺简单、灵敏度高。     

Structure and optical properties of ZnO with silver nanoparticles

Textured nanocrystalline ZnO thin films are synthesized by ion beam assisted deposition. According to X-ray diffraction data, the crystallite size is ~25 nm. Thin (~15 nm) ZnO layers containing Ag nanoparticles are formed in a thin surface region of the films by the implantation of Ag ions with an energy of 30 keV and a dose in the range (0.25–1) × 10¹⁷ ion/cm². The structure and optical properties of the layers are studied. Histograms of the size distribution of Ag nanoparticles are obtained. The average size of the Ag nanoparticles varies from 0.5 to 1.5–2 nm depending on the Ag-ion implantation dose. The optical transmittance of the samples in the visible and ultraviolet regions increases, as the implantation dose is increased. The spectra of the absorption coefficient of the implanted films are calculated in the context of the (absorbing film)/(transparent substrate) model. It is found that the main changes in the optical-density spectra occur in the region of ~380 nm, in which the major contribution to absorption is made by Ag nanoparticles smaller than 0.75 nm in diameter. In this spectral region, absorption gradually decreases, as the Ag-ion irradiation dose is increased. This is attributed to an increase in the average size of the Ag nanoparticles. It is established that the broad surface-plasmon-resonance absorption bands typical of nanocomposite ZnO films with Ag nanoparticles synthesized by ion implantation are defined by the fact that the size of the nanoparticles formed does not exceed 1.5–2 nm.