长春光机所深紫外光学薄膜技术研究进展

综述了深紫外光学薄膜技术在中科院长春光学精密机械与物理研究所的研究进展。为满足高性能深紫外光学系统对薄膜光学元件的需求,在以下方面开展了系统研究:定制了两台深紫外光学薄膜专用沉积设备,分别用于高性能深紫外光学薄膜的热蒸发与离子束溅射沉积工艺,实现了φ410mm光学元件的镀膜;通过优化薄膜沉积工艺,双面镀膜样品在193nm处典型透过率为98.5%～99%;对影响光学元件面形精度的因素进行了考察,可实现的膜厚均匀性为0.1%(rms),能够满足高质量深紫外光学系统的容差要求;采用X射线衍射方法对薄膜应力进行了测量,并采用有限元方法分析了应力对元件面形的影响;针对影响薄膜实用性能的因素,提出了针对性的解决方法,采用紫外辐照方法恢复了环境污染引起的透过率下降,发展了基于晶振监控法的膜厚精确控制方法。基于这些研究的阶段性成果,明确了下一步的研究方向。     

真空紫外薄膜光学常数的研究

本文讨论了通过“多约束非线性方程组”解析真空紫外薄膜光学常数的方法。编制的VUV—ROCP微机软件,可由真空紫外反射率解析出真空紫外薄膜光学常数和入射光的偏振度。运用该软件对不同工艺的Au、Pt、Al样品的反射率进行解析,得到了它们的真空紫外薄膜光学常数,并与国外报道的结果进行了比较。     

Al、Sn掺杂对于ZnO薄膜微结构及光学特性的影响

采用真空电子束蒸发金属薄膜及后续热氧化技术在石英衬底上分别制备出了ZnO、Al∶ZnO以及Sn∶ZnO薄膜。通过X射线衍射仪(XRD),紫外-可见分光光度计和原子力显微镜(AFM)等分析仪器对比研究了Al、Sn掺杂对ZnO薄膜结晶质量、光学性质及表面形貌的影响。测试结果表明,Al、Sn掺杂可以使薄膜结晶质量得到提高,薄膜应力部分释放,薄膜表面的粗糙度也相应增加,掺杂对薄膜光学带隙的影响在一定程度取决于金属薄膜的氧化程度,氧化充分可以使光学带隙变宽,反之则变窄。     

真空紫外辐照对Lumogen薄膜损伤及光学性能的影响

为研究Lumogen(C22H16N2O6)薄膜在真空紫外波段的光致发光特性及辐照损伤,采用热阻蒸发法,以氟化镁为基底制备Lumogen薄膜.使用真空紫外荧光光谱仪、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外?可见分光光度计等仪器分别对薄膜的光致发光特性、荧光强度衰减变化、表面形貌、透过率等进行测试与表征....     

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。     

柔性衬底直流磁控溅射ZnO基高性能透明导电薄膜的制备及性能研究

采用直流磁控溅射法,以柔性PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)为基底,通过参数优化以求在室温下制备高性能ZnO/Ag/ZnO多层薄膜。实验中,使用X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、紫外-可见分光光度计、四探针电阻测试仪等仪器分别对ZnO/Ag/ZnO多层薄膜的微观结构、表面形貌、透过率及方块电阻进行测试及表征。结果表明,随着Ag层厚度增加,薄膜方块电阻急剧下降,通过改变ZnO层厚度,可有效调节薄膜光学性能,随着ZnO层厚度增加,可见光区平均透过率先增大后减小。引入品质因子FTC作为评价指标可知,当依次沉积ZnO、Ag、ZnO厚度为50nm、8nm、50nm时,薄膜光电性能最佳,其在可见光平均透过率为82.3%、方块电阻为2.8Ω/、禁带宽度为3.332eV。     

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     

极紫外太阳望远镜成像质量检测系统设计

为了在实验室模拟空间环境,检测极紫外太阳望远镜成像质量,提出了由激光等离子光源、Newton型准直光管系统、背照射CCD相机、真空系统等组成的工作波段为17~30 nm的极紫外准直光管检测系统,给出了详细的物理分析、光学设计和真空系统设计方法和结果。真空实验测试结果表明,系统在80 min内,真空度即可达到5×10^-4 Pa的设计指标,满足极紫外波段检测太阳望远镜的要求。     

极紫外及X射线波段超光滑反射镜的超精密加工与检测

极紫外、X射线为微观物质认识、宏观空间探测提供了高精度的观测手段,但这类观测的实现需要大量高精度光学反射元件的支撑。由于极紫外、X射线在光学表面更易发生散射,其光学反射镜基底的精度需求和制作技术也明显区别于长波元件。近年来,同济大学精密光学工程技术研究所建立了极紫外、X射线反射元件基底的超精密加工与检测平台,研发了超光滑非球面的离子束修形技术,提出了基于泽尼克多项式的随机离轴旋转绝对检测方法,形成了极紫外、X射线光学用反射镜基底的高精度全流程研制技术,并将该技术成功地应用于国内和国际短波光学大科学装置中。本文综述了本课题组在极紫外、X射线用反射镜制作领域中的研究进展。     

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。     

紫外-真空紫外波段的Al+MgF2膜

Al+MgF₂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+MgF₂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+MgF₂膜的制备工艺,利用Seya-Namioka紫外-真空紫外反射率计测得Al+MgF₂膜的反射率在150nm～340nm的波段上高于80%。Al+MgF₂膜制备一年后,其真空紫外波段的反射率未有明显变化。     

真空紫外反射率的测定

研制了一台测定真空紫外反射率的仪器.在真空紫外区可测量各种反射元件在不同入射角下的反射率.用壁稳氩弧光源在100—200um区对Al十MgF₂薄膜和CVD法制备的SiC镜的反射率进行了测定.并与Al膜的理论反射率曲线做了比较.     

极紫外望远镜角分辨率评价方法

极紫外望远镜工作波段与可见光波段相差近两个数量级,其工作波段的衍射极限很低,达到0.036″,使该波段望远镜角分辨率的检测很困难。本文介绍了一种极紫外望远镜角分辨率的评价方法。该方法利用通用可见光波段面形检测仪器,检测出极紫外望远镜光学元件面形误差和装调误差,将检测到的与波长无关的Zernike系数代入光学设计程序,计算出极紫外望远镜工作波段的点扩散函数和环绕能分布,进而计算出望远镜在极紫外波段的角分辨率。实验结果表明,极紫外望远镜的角分辨率可以达到0.18″。该方法是一种快捷、有效的极紫外波段成像仪器的评价方法。     

薄膜在光学中的应用

用于实现一定的分光透射特性、分光反射特性或分光吸收特性的以及改变光的偏振状态或相位等性能的薄膜,我们泛称为光学薄膜。研究光经过薄膜系统的分光透射、反射和吸收特性以及光的偏振状态和位相变化就是薄膜光学的基本内容。从根本上说,研究薄膜的光学特性是讨论光在不连续的分层介质中的传播。本文不详细地讨论薄膜光学理论和薄膜的制备技术,仅介绍薄膜在光学     

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.     

中子薄膜器件与光学系统的研究进展

中子散射和衍射是现代科学检测技术的重要领域之一,中子谱仪是实现中子检测的核心装置。中子薄膜器件及其光学系统可以实现中子束传输、聚焦、准直、极化等状态的调制,是构成中子导管、准直器、弯管、极化器、翻转器等中子光学装置的核心器件,可以提升中子传输效率,简化中子光学仪器结构,是中子谱仪功能实现和性能提升的关键。同济大学精密光学工程技术研究所,面向我国各类中子源应用谱仪开发的需求,聚焦中子薄膜器件关键制作技术创新,解决了中子超镜和极化中子薄膜翻转元件的制作问题;以高端薄膜器件支撑了高性能中子光学系统的研制,成功研制出中子导管部件、基于超镜的多层嵌套式中子聚焦系统、高通量高空间分辨率的中子多通道KB聚焦系统,成功应用于国内大型和小型中子源的谱仪装置,支撑了我国小角散射、粉末衍射、自旋回波等中子谱仪的自主研发和升级改造。     

射频磁控溅射WS2 -Ag复合薄膜的组织结构及环境摩擦磨损特性

采用射频磁控溅射方法在高速钢基体上制备WS2-Ag复合薄膜.用能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等对薄膜的成分、组织结构和形貌进行了表征;用划痕仪和球-盘式摩擦仪分别测试薄膜的结合力和大气及真空环境下的摩擦学性能.结果表明,Ag含量为3.23%～5.78%的WS2-Ag复合薄膜具有非晶态结构.Ag的掺入可使WS2薄膜平滑、致密,提高薄膜与基体的结合力,降低薄膜的摩擦因数和摩擦学特性环境敏感性.复合薄膜的耐磨性比纯WS2更加优异,Ag含量5.05%的复合薄膜具有最佳摩擦学性能,其在大气和真空中的磨损率分别为1.06×10-6和0.72×10-6 mm3/(N·m).     

磁电转换器件

磁电转换元件系指薄膜型锑化铟(InSb)霍尔元件,将磁信号直接或间接转换为电信号。锑化铟霍尔元件采用化合物半导体薄膜工艺制成,成功地解决了InSb薄膜材料制造技术、高迁移率InSb薄膜的热处理技术、多种材料的选择性腐蚀加工技术及InSb薄膜材料的欧姆接触技术等。锑化铟霍尔元件是单个霍尔元件中灵敏度最高、价格最低、用量最大的一种。主要用于     

小型的高精度软X射线-极紫外反射率计

针对探月二期工程中的有效载荷之一极紫外相机中的多层膜光学元件高精度反射率测量的需要,建立了一台使用液体靶激光等离子体光源的小型软X射线-极紫外波段反射率计。该反射率计主要由激光等离子体光源、Mcpherson 247动狭缝掠入射单色仪及相关的数据采集系统组成。单色仪波段范围1-125nm,光谱分辨率小于0.08nm。无碎屑的液体靶激光等离子体光源的使用避免了光学元件的损坏,而动狭缝掠入射单色仪的使用则提高了光谱分辨率和波段范围。使用该反射率计实测了工作波长为13.5nm和30.4nm的Mo/Si多层膜的反射率,测量结果表明测量重复性优于±0.5%。     

聚苯胺/纳米SnO2复合材料的表征及其氨敏特性

为了提高聚苯胺的灵敏性和稳定性,通过溶胶-凝胶法中的PANI前驱体法、浸渍-提拉法制备了聚苯胺/纳米SnO2复合材料粉末及其薄膜元件,利用FT - IR、XRD、SEM等分析手段对其进行了表征,并研究了SnO2/An摩尔比、氨气浓度对复合材料气敏性的影响,及其薄膜元件的长期稳定性.结果表明:随n( SnO2)/n(An)的增加,PANI衍射峰强度逐渐降低,且复合材料的团聚情况减轻;复合材料对500 ppm(1 ppm=10-6)氨气的灵敏度随n(SnO2)/n(An)的增力加呈现减小-增大-减小的趋势,当n(SnO2)/n(An) =0.8时,灵敏度达到最大,为16.0.不同薄膜元件的灵敏度均随氨气浓度的升高而增大,且对低浓度氨气也具有较好地灵敏性.