基于离子束溅射Ta2O5薄膜的紫外吸收膜技术

为获得高性能紫外激光薄膜元件,急需研制紫外高反射吸收薄膜,实现吸收损耗的精确测量。本文采用离子束溅射技术,通过调控氧气流量实现了具有不同吸收的Ta_2O_5薄膜的制备。以Ta_2O_5薄膜作为高折射率材料,设计了355nm的紫外高反射吸收薄膜。采用离子束溅射沉积技术,在熔融石英基底上制备了355nm的吸收薄膜,对于A=5%的紫外吸收光谱,在355nm的透射率、反射率和吸收率分别为0.1%,95.0%和4.9%;对于A=12%的紫外吸收光谱,在355nm的透射率、反射率和吸收率分别为0.1%,87.4%和12.5%。实验结果表明,采用离子束溅射沉积技术,可以实现不同吸收率的355nm高反射吸收薄膜的制备,对于基于光热偏转测量技术的紫外光学薄膜弱吸收测量仪的定标具有重要的意义。     

Ta_2O_5-WO_3-RO_2(R=Zr,Ti)三元系统中的相关系

以Ta_2O_5、WO_3、ZrO_2和TiO_2为原料,在1 200℃保温18h制备二元系统以及Ta_2O_5-WO_3-RO_2(R=Zr,Ti)三元系统试样,分析了物相组成,根据各物相之间的相互反应和共存关系得到1 200℃时Ta_2O_5-WO_3-RO_2三元系统亚固相图。结果表明:由Ta_2O_5、WO_3、TiO_2和ZrO_2两两组成的二元系统在1 200℃保温18h后可生成Ta_(22)W_4O_(67)、Ta_2WO_8、Ta_(16)W_(18)O_(94)、TiTa_2O_7和TaZr_(2.75)O_8五种化合物;在Ta_2O_5-WO_3-TiO_2三元亚固系统中,存在Ta_(16)W_(18)O_(94)-WO_3-TiO_2、Ta_2WO_8-Ta_(16)W_(18)O_(94)-TiO_2、Ta_2WO_8-TiTa_2O_7-TiO_2和Ta_2WO_8-TiTa_2O_7-Ta_(22)W_4O_(67)四个共存三角区和一个由Ta_2O_5、WO_3和TiO_2形成的固溶体区;在Ta_2O_5-WO_3-ZrO_2三元系统中存在Ta_2WO_8-Ta_(22)W_4O_(67)-TaZr_(2.75)O_8、Ta_2WO_8-Ta_(16)W_(18)O_(94)-TaZr_(2.75)O_8、WO_3-Ta_(16)W_(18)O_(94)-TaZr_(2.75)O_8和WO_3-ZrO_2-TaZr_(2.75)O_8四个共存三角区和一个由Ta_2O_5、WO_3和ZrO_2形成的固溶体区。     

具有更低折射率比的全向高反膜的设计

对于λ/4膜系,如欲实现宽带全向反射,宜采用高折射率比的镀膜材料,讨论了在低折射率比条件下的全向高反膜。借助Filmstar膜系设计软件对所设计的几种初始膜系进行了优化,并分析了材料折射率和吸收以及膜厚误差对优化结果的影响。在此基础上,采用高斯分布的初始膜系,优化设计了高低折射率分别为2.16和1.44的全向高反膜。它在530nm处对任意入射角都具有98%以上的反射率,并在530nm～560nm波段内对从0°～60°入射的光具有99%以上的反射率。     

TiO2/Ag/TiO2纳米多层膜的研究

设计和制备了用于平面显示器透明电极的纳米多层薄膜TiO2/Ag/TiO2,它的明视透光率Tlum约为89.3%,在2 500nm波长处的反射率R2 500>95%,方块电阻为3.0Ω/cm2,在550nm波长处的电气性能评价指标FTC=137×10-3Ω-1.发现顶层介质折射率的变化将会引起膜系透射峰的水平移动,而底层介质折射率的变化将仅仅影响膜系透射峰的高低.     

自聚焦透镜分光膜的研制

为了不断改善和开发自聚焦透镜的性能,实现光学仪器中自聚焦透镜分光的要求,以Ta2O5和SiO2为介质材料,运用TFCalc膜系设计软件,采用解析法设计了一个初始膜系,再结合变尺度优化法对初始膜系进行优化设计,设计出具有较好光谱性能的1 470～1 610nm波段95∶5自聚焦透镜分光膜。分析了设计膜系在自聚焦透镜端面沿径向折射率呈梯度减少时的拟合反射率曲线。通过大量实验选择合适的镀制工艺,并采用德国莱宝APS1104型镀膜机对所设计的膜系进行实际镀制,获得了性能优良的自聚焦透镜分光膜。     

近紫外区域的氟化铅——冰晶石干涉膜系

我们曾用冰晶石作低折射率材料,用氟化铅作高折射率材料,镀制了近紫外区(280nm)窄带干涉滤光片。所得到的结果(T_(max)=60％,△λ=27 )重复性较好,并且膜系经过一年多仍保持其特性参数。可是,在控制蒸发方面,我们遇到了一些困难,尤其是透过率的反相问题,对此我们试图作了一些解释。     

几种氟化物薄膜材料的光学特性

为了进一步明确氟化薄膜材料在紫外(UV)-真空紫外(VUV)波段的光学常数,研究了真空紫外领域常用的基底材料和6种大带隙的氟化物薄膜材料的光学特性.分别在熔石英(JGS1)基底和氟化镁单晶基底上用热舟蒸发法以不同的沉积速率和不同的基底温度镀制了3种高折射率材料薄膜LaF3、NdF3、GdF3和3种低折射率材料薄膜MgF2、AlF3、Na3AlF6;在国家同步辐射真空紫外实验站测定了它们120～300 nm的透射光谱曲线,用商用lambda900光谱仪测量了它们190～500 nm的透射光谱曲线,两者相结合标定了透射率的准确值.用包络法和模拟退火相结合研究了它们在120～500 nm的折射率和消光系数,给出了6种氟化物材料的光谱色散曲线.结果显示,3种高折射率薄膜的折射率在157 nm处约为1.77～1.89,而3种低折射率薄膜的折射率在157 nm处约为1.44～1.48;研究表明,选用折射率相差较大的高、低折射率氟化物薄膜,可在膜系设计中组成高低折射率材料对,用于设计各种实用的薄膜器件.     

离子束溅射氧化钽薄膜的光学带隙特性

Ta_2O_5薄膜是可见光到近红外波段中重要的高折射率薄膜材料之一。本文针对离子束溅射制备Ta_2O_5薄膜的光学带隙特性开展了实验研究工作,基于Cody-Lorentz模型表征了薄膜的光学带隙特性,重点针对薄膜的禁带宽度和Urbach带尾宽度与制备参数之间的相关性进行研究。研究结果表明:在置信概率95%以上时,对Ta_2O_5薄膜禁带宽度影响的制备参数,权重大小依次为氧气流量、基板温度、离子束电压;而对Ta_2O_5薄膜Urbach带尾宽度影响的制备参数,权重大小依次为基板温度和氧气流量。对于Ta_2O_5薄膜在超低损耗激光薄膜和高损伤阈值激光薄膜领域内应用,本文的研究结果给出了同步提高薄膜的禁带宽度和降低带尾宽度的重要工艺参数选择方法。     

紫外-真空紫外波段的Al+MgF_2膜

Al+Mg F2 膜是真空紫外波段常用的一种反射膜。根据薄膜光学的电磁场理论计算了正入射条件下 Al+Mg F2 膜在真空紫外波段的反射率随氟化镁膜厚度的变化规律。研究了 Al+Mg F2 膜的制备工艺 ,利用 Seya-Namioka紫外 -真空紫外反射率计测得 Al+Mg F2 膜的反射率在 1 50 nm～ 34 0 nm的波段上高于 80 %。Al+Mg F2 膜制备一年后 ,其真空紫外波段的反射率未有明显变化     

真空紫外Al/MgF_2反射镜

采用三步热舟蒸发制作法研制了真空紫外Al/MgF2反射镜,研究了改善制备工艺有效提升反射率的方法。在两层Al/MgF2反射镜制备过程中,第一步在室温石英基板上快速蒸发厚约70nm的铝膜;第二步在铝膜表面迅速蒸发厚约10nm的MgF2;第三步先对基板加热到一定温度后,再在Al+MgF2的表面上蒸发15~20nm厚的MgF2。通过调整基板温度(室温、100℃、200℃和300℃),研究了基板温度对Al/MgF2反射率的影响。真空紫外反射率计测试结果表明:第二步蒸镀MgF2之后增加基板温度有利于提高反射镜的反射率;MgF2薄膜的厚度对反射镜的反射率起到一定的调制作用,MgF2厚为26.7nm的反射镜在122nm处的反射率达85%。在实验室环境下存放1个月和5个月后,反射镜的反射率没有变化。研究结果为真空紫外光学系统需求的高性能光学元件的研制提供了技术基础。     

硫化锌基底上减反膜的镀制

硫化锌是红外波段重要的光学材料 ,在许多光电系统应用中 ,要求镀制适当的减反膜增加其透过率。介绍了硫化锌基底上的减反膜 ,该设计是用薄的氧化钇层作为与硫化锌的结合层 ,用一氧化硅和锗分别作为低、高折射率膜料的膜堆组成的。这种五层膜满足环境稳定性标准 ,在 3μm～ 5 μm波段的某应用范围内平均透过率即可达 96% ,并在 4.2 μm处有超过 98%的峰值透过率。     

用IAD法制作的高密集型分波复合器滤光片的特性

随着高密集型分波复合器需要的不断增加,在光纤通讯领域中,光学薄膜滤光片已经成为了一个很关键的光学元件。在高密集分波复合器中,我们用ＩＡＤ方法制作了低损失、高稳定性的超窄带滤光片并在本文加以讨论。在湿度环境试验中,这种高堆积密度的光学薄膜显示了没有任何波漂。在温度环境试验中,它的热稳定性为０．００１２ｎｍ ／℃。在使用Ｔａ２Ｏ５／ＳｉＯ２,用于１００ＧＨｚ的滤色片的场合下,窄带滤色片的插入损失为０．３４ｄＢ。在使用Ｎｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２,用于２００ＧＨ２ 的滤色片的场合下,插入损失为０．１７ｄＢ,两者都显示了极好的分光光谱特性,甚至半宽为０．６６ｎｍ 的情况下,它们的截面ＳＥＭ 微结构显示了非晶结构,平坦的表面与界面。     

A high accuracy femto-/picosecond laser damage test facility dedicated to the study of optical thin films

A laser damage test facility delivering pulses from 100 fs to 3 ps and designed to operate at 1030 nm is presented. The different details of its implementation and performances are given. The originality of this system relies the online damage detection system based on Nomarski microscopy and the use of a non-conventional energy detection method based on the utilization of a cooled CCD that offers the possibility to obtain the laser induced damage threshold (LIDT) with high accuracy. Applications of this instrument to study thin films under laser irradiation are presented. Particularly the deterministic behavior of the sub-picosecond damage is investigated in the case of fused silica and oxide films. It is demonstrated that the transition of 0-1 damage probability is very sharp and the LIDT is perfectly deterministic at few hundreds of femtoseconds. The damage process in dielectric materials being the results of electronic processes, specific information such as the material bandgap is needed for the interpretation of results and applications of scaling laws. A review of the different approaches for the estimation of the absorption gap of optical dielectric coatings is conducted and the results given by the different methods are compared and discussed. The LIDT and gap of several oxide materials are then measured with the presented instrument: Al(2)O(3), Nb(2)O(5), HfO(2), SiO(2), Ta(2)O(5), and ZrO(2). The obtained relation between the LIDT and gap at 1030 nm confirms the linear evolution of the threshold with the bandgap that exists at 800 nm, and our work expands the number of tested materials.     

太阳跟踪器干涉滤光片的研制与测试

根据太阳光谱在波长750nm处的光能相对比较稳定,能避免杂光干扰这一特点,研制一种太阳跟踪器干涉滤光片.采用红外石英玻璃作为基底,选择Ti2O3和SiO2作为高低折射率材料,利用台伦对称膜系等效层的概念,设计三半波干涉滤光片.通过真空镀膜和离子辅助沉积系统,研制了在波段400nm-720nm、780nm- 1000nm平均透过率低于0.1％,750nm的透过率高于91％,带宽为40nm的太阳跟踪器干涉滤光片.在制备过程中,解决了Ti2O3吸收问题;通过实验,分析了波长漂移产生的原因并提出可行办法.     

多层金属/介质膜系中Al层的作用分析

设计了一维金属/介质多层膜系,膜系由几个周期的高折射率(Al₂O₃)/低折射率(MgF₂)材料所组成.在低折射率材料中插入金属层(Al),对膜系进行了优化,利用电子束蒸发方法制备了该膜系.实验表明,不仅Al层的总厚度直接影响透射谱的形状,在同样Al层总厚度情况下,Al层厚度分布对膜系也有影响.寻找到了最佳Al层分布结果,并通过了实验验证,制备出了能很好抑止BaF2晶体发射光谱的长波成分的膜系.     

基于GaAs/AlGaAs量子阱材料的光致折射率分析

初步分析了基于GaAs/AlGaAs量子阱材料的光致折射率变化规律,利用自洽方法计算了光生载流子浓度对传输光的折射率改变量。当805nm的控制光注入强度为6×103W/cm2(8×103W/cm2)时,在垂直材料表面内1μm深度处,对1.55μm(1.31μm)的传输光可以达到-1-0 2的折射率变化量级。与GaAs体材料相比,量子阱材料所需控制光强度能够减少约20%,有助于降低全光开关与全光调制器的功耗。     

Etched multimode microfiber knot-type loop interferometer refractive index sensor

We propose a novel refractive index sensor based on multimode microfiber knot-type loop (NL) interferometer. The middle portion (~5 cm) of a 15 cm long multimode fiber is etched in 48% hydrofluoric acid to reduce its diameter to ~12 μm. A NL of diameter <1 mm is made from the etched fiber. The ends of etched fiber are spliced with single-mode fibers for launching and detecting light from the NL interferometer. The NL introduces path differences to produce interferometric spectra with free spectral range ~16 nm. The spectrum shifts as the surrounding refractive index of the loop is changed by adding chemicals. We observe the highest sensitivity of the NL interferometer ~172 nm/RIU (refractive index unit) at a refractive index value 1.370 as obtained experimentally using commonly available chemicals. The design could be used as simple, low cost, and highly sensitive biological and chemical sensor.     

镀金属膜长周期光纤光栅的传感特性

本文基于耦合模理论, 建立了严格的四层金属膜理论模型, 探讨了镀金属膜长周期光纤光栅(Long-period fiber grating, LPFG)的温度、 应变及折射率特性, 以及镀膜参数对镀金属膜长周期光纤光栅光谱特性的影响.仿真结果表明, 长周期光纤光栅表面最优的金属膜厚度将引起表现等离子共振(Surface-plasmon resonance, SPR)特性, 这一特性将使得LPFG 对稳定及折射率都有较高的敏感性, 而对应变影响较小. 理论分析表明, 银膜厚度在0.8-1.2 nm 范围内时, 折射率敏感度达到最大值为42.402 6, 敏感度增加4.5%. 仿真结果为镀膜长周期光纤光栅的设计及参数优化提供了理论指导.