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。     

多波段激光滤光膜的研制

针对光学仪器对多光谱光轴测试的特殊要求,采用电子束真空镀膜的方法并加以离子辅助沉积系统,通过对材料的光学特性、膜系设汁和监控厚度误差的分析,优化工艺参数,在多光谱ZnS基底上,成功镀制多波段激光滤光膜,实现了多波段光谱的分束.所镀膜层在30°角入射条件下,可见400～700 nm波长范围内平均透射率高于90%,1064 nm和1540 nm波长处的透射率都低于5%,在红外波长10.6μm透射率高于92%,并且解决了膜层牢固性问题,能够承受激光光源的照射和恶劣的环境测试,完全满足光学仪器的使用要求.     

940 nm滤光片的设计、制备及低角度效应的研究

本文对人脸识别中使用的940 nm窄带滤光片进行设计及制备,研制一种具有低角度效应的窄带滤光片。选择TiO₂、SiO₂作为高、低折射率材料,在Essential Macleod软件中对膜系进行设计,通过改变间隔层材料对膜系进行优化,最终设计的膜系层数为11,膜系总厚度为2480.76 nm。采用电子束热蒸发沉积技术对薄膜进行镀制,使用傅里叶红外光谱仪完成透射率光谱特性测试。最终研制的滤光片中心波长为940 nm,在截止区间（200~1100 nm）内,通带透射率大于80%,平均截止透射率小于1%,0°~22°通带偏移量为14 nm。     

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。     

激光/长波红外双谱段减反射薄膜设计与制备

在氟化钡光学元件上设计并制备多谱段减反射薄膜是提升光电系统探测性能的关键。在氟化钡基底上设计并制备了1064 nm激光/长波红外双谱段减反射薄膜。基于周期对称结构膜系导纳计算方法,以及拟合膜层周期数与参考波长的优化算法,开展了复合谱段减反射薄膜初始膜系的设计方法研究。使用热蒸发离子束辅助沉积方法制备了多层减反射薄膜。测试结果表明,该薄膜在1064 nm处透射率为94.0%,在8~12 μm长波红外谱段平均透射率为96.3%,在8.2 μm处的透射率高达99.4%。该激光/长波红外双谱段减反射薄膜具有良好的光学性能,可以应用于多模复合精确探测光电装备之中,对于提升探测系统的工作性能具有重大意义。     

甲烷气体探测与识别系统窄带滤光膜的研制

依据光学薄膜理论及光学材料的特性,结合膜系设计软件,采用拆分技术原理,实现了双面膜系的设计,解决了单面膜层过厚、应力过大的问题。利用逆向分析法对实验测试结果进行反演,通过对膜层敏感度分布的研究,分析了产生误差的原因。采用不同的监控方式,使膜系的敏感层厚度得以精准控制。最终研制的滤光膜光谱测试结果表明,3.31μm单点透射率为93.7%,通带半峰全宽为49nm,1~3.2μm和3.4~5μm波段平均透射率为0.17%,满足系统使用要求。     

532nm高质量窄带滤光片

为了提高激光测距机的信噪比,研制了高衬度超窄带滤光片。滤光片选用双半波膜系,采用ZnS-Na_3AlF_6材料组合的35层膜,并用金属环密封制成高质量窄带滤光片,其主要光学性能为:中心波长λ_0=532nm,半宽度W_(0.5)=1nm,峰值透射率T_(最大)≥40％,长波截止到1nm,截止区透射率T≤10~(-4).     

金属介质组合270°反射式宽带相位延迟膜设计

对激光实现由线偏振光转变成圆偏振光的偏振态调制,需要引入90°或270°相位延迟器。设计中选择金属介质组合,光学性能优良的Ag膜作为金属层,利用Gires-Tournois(G-T)腔调节相位,通过优化介质膜堆,在45°入射角和1000~1100 nm波段,所得相位延迟为270°±1°。通过误差分析可知,在现有膜厚控制精度下,控制敏感层容差,在设计带宽内可得到反射率R≥99.9%和相位延迟偏差δ7.2°。     

纳米Al夹层Ga_2O_3深紫外透明导电膜的研究

用磁控溅射法在室温条件下制备了Al膜、Ga2O3膜及Ga2O3/Al/Ga2O3三层膜,对其光学和电学性能进行了表征。单层Al膜厚度大于7nm时,光学透射率在近紫外光区域大于可见光区域;Ga2O3膜在深紫外光区域(<300nm)透明,光学带隙4.96eV;Ga2O3/Al/Ga2O3三层膜透射率截止波长在245nm左右,随着顶层Ga2O3厚度增加,电导率减小,紫外光透射率峰位、吸收边、截止波长红移,透射率峰值先稍微增加,然后逐渐降低。顶层Ga2O3厚度为34nm时,Ga2O3/Al/Ga2O3三层膜在275nm处的透射率达70%,电导率为3346S.cm–1。     

偏振和位相调控分光膜的设计与制备

偏振和位相调控分光膜是自由空间量子通信系统中不可缺少的光学元件,其性能直接影响通信质量,决定通信误码率。基于等效层设计理论,采用“介质+金属+介质”的特殊膜系结构,选用Ag金属和SiO₂、Al₂O₃、Ta₂O₅三种介质膜料作为镀膜材料,实现石英衬底45°入射时,1500~1600 nm波段消偏振平均透射/反射比为8.5:91.5,在1530、1540、1550、1560 nm控制位相的分光膜。采用电子束蒸发离子辅助沉积技术,优化沉积工艺,制备了分光膜样品。检测结果表明:在45°入射条件下,1500~1600 nm波段光谱平均透射/反射比为8.53:91.47,在1530、1540、1550、1560 nm处透射光位相差控制在5.02°以内,反射光位相差控制在8.05°以内,满足通信系统分光比及位相控制的要求。此外,该分光膜通过了相应的环境试验测试,满足可靠性要求。     

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.     

紫外固化系统热辐射滤光膜的研制

为了降低紫外固化系统光源的热辐射,根据光学薄膜理论,以HfO_2、AlF_3和Cr作为镀膜材料,采用反射与吸收相结合的结构,设计了紫外高反射、可见/近红外高吸收的滤光膜。通过在基底和膜系之间增镀Al膜作为过渡层,提高了薄膜的牢固性。通过优化工艺参数,研制了220~400nm波段平均反射率为90.6%、420~2000nm波段平均吸收率为92.4%的滤光膜。     

红外仿真系统短中波能量调节滤波器的研制

红外仿真作为一种新型仿真手段,以其仿真可信度高、重复性好、实验成本低等优点在军事领域得到越来越广泛的应用。为满足红外仿真系统的要求,调节红外短、中波段能量的比例,对系统中的滤波器进行研制。选择Ge和SiO作为高低折射率材料,利用Ge在可见光和近红外的吸收特性,通过叠加膜堆展宽反射带,采用TFCalc软件的变度量(variable metric)法对双波段能量调节、超宽截止带滤波器进行优化设计。并针对不同材料的特性,分别采用电子束蒸发和电阻蒸发技术,制备了相应的滤波器。通过逆向工程方法分析消光系数对透射率的影响,解决了膜系透射率偏低的问题。制备的滤波器在300~1900nm和5500~7500nm波段透射率小于1%,在2000~2500nm波段平均透射率为90.6%,在3700~4800nm波段平均透射率为35.7%,满足该系统环境测试要求。     

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。     

纳米Mo膜的光学特性及最小连续膜厚研究

利用Lambda-900分光光度计，在波长为310～1250nm范围内测量了离子束溅射沉积不同厚度纳米Mo膜的反射率和透射率。选定波长为310nm，350nm，400nm，500nm，550nm，632nm，800nm，1200nm时对薄膜的反射率、透射率和吸收率随膜厚变化的关系进行了讨论。实验结果显示，纳米Mo膜的光学特性有明显的尺寸效应。提出将薄膜对光波长为550nm时的反射率和透射率随Mo膜厚度变化关系的交点对应的厚度作为特征厚度，该厚度可认为是纳米Mo膜生长从不连续膜进入连续膜的最小连续膜厚。利用原子力显微镜(AFM)观测膜厚在15．76nm时的表面形貌，此时表面形貌已呈现连续膜的特征。     

采用透射频率极值法临近的薄膜淀积电脑仿真

分析了透射率极值监控系统的精度与被监控膜层的光学厚度误差之间的关系,推导了在不同情况下薄膜淀积时,监控者于透射率极值点的判定误差和被镀层的光深厚误差之间的关系式,对规整膜系在透射率极值法监控镀膜系统中的淀积结果进行了电脑仿真。仿真结果与实验结果相吻。     

采用新型混合材料的多波长激光减反射膜的研制

针对激光致盲武器的特殊要求,借助Macleod和TFCalc软件,选择H4和YbF3作为高低折射率材料进行膜系优化设计,采用电子束真空镀膜的方法并加以离子辅助沉积技术,通过正交矩阵实验对材料的工艺参数进行调整和优化,在蓝宝石基底上,制备了符合要求的宽带增透膜。镀膜后的蓝宝石基片在532、808、905、980和1064 nm波长处的透射率大于97%,中红外波段3~5μm的平均透射率大于92%。通过内保护层技术的引入,进一步提高了膜层的激光损伤阈值。该薄膜可以同时满足多个激光波长的使用要求,拓宽了其应用范围,降低了使用成本。     

空间光通信系统三波段滤光膜的研究

空间激光通信常采用干涉截止滤光膜对不同波段的光谱进行分光。着重介绍了近红外三波段光学滤光片的研究与制备。根据膜系设计理论,分别选择TiO2和SiO2作为高、低折射率材料,借助膜系设计软件设计优化了合理的膜系,实现了770～860nm及1530～1575nm光谱范围双波段的高透过和1615～1700nm波段的高反射。采用电子枪离子辅助沉积系统进行制备。优化工艺参数,通过调整补偿挡板使膜厚均匀性控制在3%以内。虽然制备膜层较厚,但经检测其光学性能、机械性能及耐环境能力均满足使用要求。用轮廓仪检测所制备膜层的面形,其峰谷值变化达到预期要求。     

3.5～4.0μm低温光谱带通滤光片的设计与研制

新一代气象卫星对红外带通滤光片的光谱控制提出了很高的要求:滤光片在工作温度(92K)下的光谱曲线被严格限定在一个由内、外框组成的区域之内。分别采用Ge和SiO作为高低折射率膜层材料,设计了含有4个谐振腔的带通膜系来提升通带边缘的陡度;对带通膜系中反射膜层的光学厚度进行了优化调整,压缩了通带内的波纹;根据膜层材料的折射率-温度变化特性,设计出了低温条件下符合光谱要求的带通滤光片。采用真空蒸发和光学极值监控的方法,研制出了92K低温下符合内、外框限制要求的带通滤光片,其通带内的峰值透射率达到93.2%,平均透射率达到91%,波纹幅度控制在5.2%以内。