非理想参数下193nm光学薄膜的设计

193nm光学薄膜是100nm步进扫描光刻机系统中主要用到的光学薄膜。分析了膜料光学常数的不确定性、高折射率膜材料消光系数、水吸收以及膜层表面粗糙度对薄膜光学性能的影响。结果表明，要镀制出反射率大于98．5％的高反膜．必须将高折射率材料的消光系数k控制在0．0034以内，同时膜层表面的粗糙度σ控制在1nm以内。膜层性能同时还受其使用环境中水气含量及其水气中杂质含量的影响，要减少膜层水吸收的影响．就必须提高薄膜的致密度．采用离子成膜技术．或者改变膜层的使用环境。在考虑相关因素的前提下，设计了在光刻机曝光系统中主要用到的增透膜、高反膜．并分析了其实际性能与设计结果存在差别的原因。     

sol-gel法制备纳米TiO_2-SiO_2宽带高增透膜

通过模拟计算设计出一种透射比为99%、包含一层TiO2薄膜和一层SiO2薄膜的宽带高增透膜。两层薄膜均由溶胶-凝胶法制得并采用提拉法成形于玻璃基片上。对增透膜样品的透射比、表面形貌、膜厚等进行了表征,考察了提拉速度、退火温度、催化条件等对其透射比、表面均匀性的影响。结果表明:增透膜的使用提高了玻璃基片的透射比;当提拉速度为9cm/min,增透膜厚约为255nm时,基片在400～800nm波段的透射比提高了7%。控制退火温度,可以使增透膜在某些波段的透射比增强。增透膜样品的表面均匀性良好,室温下膜层的均方根表面粗糙度(RMS)为1.682,平均粗糙度(RA)为1.208,在550℃的温度以下,随着退火温度升高,表面粗糙度降低。     

光学薄膜减散射特性研究

为了降低光学薄膜的表面散射损耗,依据微粗糙面的一阶微扰理论,在不考虑多重散射效应的情况下,利用电磁场边界条件给出的光学薄膜任一界面粗糙度引起的散射场在入射介质中的表达式,重点讨论了单层光学薄膜实现零散射的条件以及实现减散射的条件,理论研究结果表明:当膜层的光学厚度为/4的偶数倍时,单层薄膜要实现减散射就必须使单层膜的折射率大于基底的折射率,且空气-薄膜界面的微粗糙度必须小于薄膜-基底界面之间的微粗糙度。当膜层的光学厚度为/4的奇数倍时,单层薄膜的折射率小于基底的折射率,且膜层两个界面的粗糙度必须满足特定条件,才能实现减散射的效果。     

YAG晶体功能薄膜制备

采用电子束蒸发方法制备Nd:YAG晶体板条功能薄膜,理论设计并镀制具有倏逝膜功能的宽带泵浦光减反膜(808 nm HT)和具有谐波功能的双色膜(808 nm HR,1 064 nm HT)。实验表明:大角度使用条件下的双色膜通带波纹加剧是导致其光谱性能下降的主要原因,同时比较了不同工艺下膜层应力对薄膜开裂的影响,使用应力缓冲层技术抑制了薄膜老化过程中裂纹的形成和扩展。激光损伤测试结果表明双色膜的单脉冲损伤阈值大于5.6 J/cm2(1 064 nm,5 ns,1-on-1),连续激光损伤阈值大于500 kW/cm2(1 064 nm),原子力显微镜分析证实初始损伤源主要来自膜层及其界面的点状吸收缺陷。     

热处理对低损耗高反膜特性的影响分析

低损耗激光薄膜反射镜是环形激光器谐振腔的关键元件之一,首先设计和制备了工作角度为45的低损耗高反膜。为了提高低损耗高反膜的光学性能,采用高温热处理的方式,研究了热处理对低损耗高反膜的透射率、散射系数、表面粗糙度、相移等特性的影响。高温热处理对高反膜的散射系数、表面粗糙度影响较小,随着热处理温度的增加,高反膜相移逐渐降低。当退火温度为550 ℃时,环形激光器输出性能稳定性最好,当工作230 h 后,输出能量仅下降到初始值的90.5%。实验结果表明,采用合适的热处理方式,可以有效改善低损耗高反膜特性以及环形激光器的输出性能。     

宽角度位相调控反射镜的设计与研制

宽角度位相调控反射镜是下一代中高轨量子通信系统中的核心元件,用于宽角度范围内信号光的高效传递与偏振态的精确调控。基于等效多层膜理论,采用介质反射膜堆加非规整位相调控膜的膜系结构,设计了一种宽角度位相调控反射镜。选择Nb₂O₅和SiO₂分别作为高、低折射率薄膜材料,通过误差分析,优化沉积工艺,采用电子束蒸发结合离子辅助沉积的方式,在德国莱宝Lab900-plus设备上制备出该薄膜元件。研制结果表明,反射镜在780 nm处、45°±7.5°入射范围内,其反射率大于99.3%,位相差控制在3°以内,满足量子通信系统的反射率及位相差控制要求,且通过相关环境模拟实验,满足可靠性要求,为该类偏振调控薄膜元件在下一代中高轨量子卫星中的工程应用打下了坚实的基础。     

O2分压和退火对TiO2/SiO2纳米多层膜结构和光学性能的影响

利用Mass软件设计了TiO2/SiO2纳米多层光学增透膜膜系,并采用高真空电子束蒸发系统在不同O2分压条件下制备了TiO2/SiO2纳米多层膜,TiO2/SiO2薄膜多层膜体系在沉积条件下获得了很好的宽光谱光学透射性能,在可见光谱范围内透射率接近设计值,平均透射率达到90%以上。通过一系列测试方法对多层膜退火前后的透射率、组分结构和退火以后的残余应力以及表面形貌进行了研究。实验结果表明:在较高O2分压条件下,由于多层膜结构中O空位的减少,使得多层膜透射率逐渐增加。在退火条件下,随着退火温度的增加,导致了表面均方根粗糙度(RMS)的增加以及晶粒的聚集长大,500℃时多层膜组分结晶化明显加强,使得缺陷增多;同时受退火温度的影响,残余应力逐渐增加,组分相互扩散加剧使得多层膜界面受到破坏。这些因素最终导致TiO2/SiO2多层膜的透射率逐渐降低。     

宽角度入射400～700 nm波段减反射薄膜的研究

利用非均匀膜系理论设计宽角度多层减反射薄膜的方法,从理论分析了宽角度情况下的偏振光产生透过率不同的原因,选取了MgF2、HfO2和TiO2 3种材料作为折射率材料,选取BK7作为基底材料,模拟设计了光谱区在400～700 nm波段、入射角为0～70°的多层减反射薄膜,其P光和S光透过率达90%以上.     

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。     

多层介质薄膜膜层间界面粗糙度及光散射

利用泰勒霍普森相关相干表面轮廓粗糙度仪(Talysurf CCI)分别对基底和采用电子束热蒸发技术沉积的15层二氧,化钛(TiO2)和二氧化硅(SiO2)为膜料的介质高反膜的膜层间的界面粗糙度进行了研究,并对不同工艺下沉积的薄膜界面粗糙度以及不同基底粗糙度上沉积的薄膜的表面粗糙度进行了比较.实验结果表明:TiO2薄膜对基底或下表面粗糙度有较好的平滑作用,随着TiO2和SiO2膜层的交替镀制,膜层间表面粗糙度呈现出低高交替的现象,随着膜层层数的增加,膜层间界面粗糙度低高变化范围减小;采用离子束辅助沉积工艺时,膜层问界面粗糙度低高变化范围较小.总散射损耗的理论计算表明:中心波长处完全非相关模型下的总散射损耗小于完全相关模型下的总散射损耗.实验结果表明:界面粗糙度的相关度约为0.4.     

离子束溅射宽带吸收薄膜设计与制备技术研究

Si薄膜在可见光和近红外波段具有一定的吸收特性,可用于宽带吸收薄膜的制备。采用离子束溅射技术,在熔融石英基底上制备了不同沉积工艺参数的Si薄膜,基于透、反射光谱和椭偏光谱的全光谱数值拟合法,计算了Si薄膜的光学常数,并研究了氧气、氮气流量对其光学特性的影响。选择Si和Ta2O5作为高折射率材料、SiO2作为低折射率,设计了吸收率为2%和10%的宽带（1 000~1 400 nm）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宽带吸收薄膜,对于A=2%的宽带吸收光谱,在1 064、1 200、1 319 nm的吸收率分别为2.12%、2.15%和2.22%;对于A=10%的宽带吸收光谱,在1 064、1 200、1 319 nm的吸收率分别为9.71%、8.35%和9.07%。研究结果对于吸收测量仪、光谱测试仪等仪器的定标具有重要的作用。     

大尺寸宽带偏振薄膜的制备与测试

用计算机辅助设计,依靠膜系自身匹配原则,压缩通带波纹,以此提高偏振膜的带宽和稳定性;同时对偏振膜的材料选择、膜系设计以及实际测量进行了研究,并在此基础上设计并制备出以HfO2/SiO2为镀膜材料,使用角度为60°,工作波长为1053nm的多层薄膜偏振片,该偏振片具有良好的光学性能和比较高的抗激光损伤阈值。     

Investigation of the optical and structural properties of thermally evaporated cadmium sulphide thin films on polyethylene terephthalate substrate

Cadmium sulphide (CdS) thin films of different thicknesses ranging from 100 to 400 nm were prepared on polyethylene terephthalate (PET) substrates at room temperature by thermal evaporation technique in vacuum of about 3×10⁻⁵ Torr. The structural characterisation was carried out by X-ray diffraction (XRD). These studies confirm the proper phase formation of the cadmium sulphide structure. The root mean square (RMS) roughness of the films was measured using atomic-force microscopy. The root mean square roughness of the films increases as the film thickness increases. The energy gap of CdS on PET substrates was determined through the optical transmission method using an ultraviolet–visible spectrophotometer. The optical band gap values of CdS thin films slightly increase as the film thickness increases. The optical band gap energy was found to be in the range of 2.41–2.56 eV.     

具有亚表面损伤层基底表面的激光减反膜设计

光学材料的亚表面损伤层（SSD）是激光光学领域内的研究热点之一。亚表面损伤层的存在将导致其表面薄膜特性发生变化,尤其是在高精度低损耗激光薄膜的设计与制造中亚表面损伤层必须给予考虑。文中研究了亚表面损伤层的物理特性,并借助于椭圆偏振仪测量基底表面的椭偏光谱,反演计算出SSD 的物理厚度和折射率梯度。通过计算得到了亚表面的深度和梯度对激光减反膜反射率光谱的影响,证明了亚表面深度对反射率的影响具有周期效应。在考虑亚表面损伤层的深度和梯度存在的基础上,对激光减反膜的设计进行了理论修正,数值实验结果证明通过膜系的修正可以实现633 nm 处的零反射。     

可录光盘(CD-R)的优化功率研究

采用旋涂工艺制备出了大面积的均匀花菁化合物染料薄膜和以其为记录介质的CD-R光盘。通过染料薄膜光谱的分析,发现该染料薄膜在780nm波长处有较大的吸收和较高的反射,多层膜的反射率达到75%,这符合橙皮书对反射率大于70%的要求。通过不同记录功率条件下对CD-R光盘的反射率和误码率等性能测试,确定了CD-R光盘的优化功率为7mW。     

磁控溅射法制备的PZT非晶薄膜光学性质研究

采用磁控溅射方法在石英玻璃上制备了PbZrxTi1-xO3(PZT)(x=0．52)非晶薄膜,并测量了200～1100nm的紫外．可见．近红外透射光谱．基于薄膜的结构和多层结构的透射关系,发展了仅有6个拟合参数的光学常数计算模型．利用该模型,可以同时获得薄膜在宽波段范围内的光学常数和厚度,得到折射率的最大值为2．68,消光系数的最大值为0．562,拟合薄膜厚度为318．1nm．根据Tauc′s法则,得到PZT非晶薄膜的直接禁带宽度为3．75eV．最后,利用单电子振荡模型成功地解释了薄膜的折射率色散关系．     

增透膜的遗传算法设计

用遗传算法设计了多层光学膜.设计时只要事先确定最大层数,算法就可自动优化选择合适的层数,同样每层的镀膜材料及厚度也由算法自动优化选择.设计中采用了不同以往的评价函数.在LBO(LiB3O5)晶体上用两种评价函数设计了1064 nm,532 nm二倍频增透膜.前一种评价函数设计的增透膜在1064 nm和532 nm处的透射率分别达到99.98%和99.99%,后一种评价函数设计的增透膜在两处的透射率均达到100.00%.在K9玻璃上设计了可见光宽带增透膜,450~650 nm范围的宽带增透膜的透射率均超过99.91%,390~780 nm范围的宽带增透膜的透射率均超过99.30%.采用的评价函数对膜系结构的变化敏感时,用遗传算法设计才有效.     

硫化锌基底可见-红外多波段的光学薄膜

由于硫化锌(ZnS)晶体透光区域较宽,常被用于多波段可见与红外光学系统中。介绍了在ZnS基底上制备的多波段光学薄膜,在400~700nm的可见波段及8~12μm的中长波红外波段实现高透射率,在1064nm及1540nm两点实现高反射率,其入射角度为45°。选取了ZnS和YbF3作为高低折射率材料,设计并通过软件优化出合理的膜系,采用电子枪离子辅助沉积系统进行镀制。该薄膜能够承受雨淋、盐雾、高低温等环境测试,满足使用要求。这对于红外光学系统的应用具有极其重要的意义。     

ITO薄膜的电阻并联效应研究

采用电子束蒸发镀膜方法在K9玻璃基底上分别镀制了ITO/SiO₂/ITO,ITO/Ti₂O₃/ITO和ITO/MgF₂/ITO结构的多层薄膜,用四探针方块电阻仪测量薄膜表面的方块电阻,用原子力显微镜观测样品的表面微观形貌。结果显示,当ITO薄膜的粗糙度较大且介质薄膜的物理厚度小于100nm时,各层ITO薄膜之间通过山峰状的凸起结构相连通,导致样片表面的方块电阻测量值与各层ITO薄膜电阻的并联值相当。这表明,当ITO薄膜的粗糙度较大且介质薄膜厚度较小时,各层ITO薄膜表现出电阻并联效应。利用多层ITO薄膜的电阻并联效应设计并制备了450～1200nm超宽光谱透明导电薄膜,用四探针方块电阻仪测量了试验样片的表面方块电阻,用紫外-可见-近红外分光光度计测试了样片的光谱透射率。结果显示,在相同表面方块电阻条件下,相比于单层ITO薄膜,利用ITO薄膜电阻并联效应所制备的多层透明导电薄膜具有更高的光谱透射率。     

光诱导氧化钒薄膜原位太赫兹波调制特性研究

采用磁控溅射及快速热氧化法在c-Al2O3基底制备出高质量的氧化钒薄膜。首先,分析结果表明所制备的氧化钒薄膜表面颗粒大小均匀,表面均方根粗糙度约为16.75 nm,主要成分为VO2和V2O5,V4+离子的含量为78.59%,所制备的氧化钒薄膜具有稳定的热致相变特性;其次,光诱导下薄膜的THz波调制特性研究结果显示,随着激励光功率增大,薄膜的THz透过率逐渐减小;最后,经过多次原位反复测试结果表明所制备的氧化钒薄膜具有稳定可逆的THz波调制特性,可应用于太赫兹开关和调制器等集成式太赫兹功能器件。