ZrO2薄膜的改性与抗激光损伤研究

 采用水热合成技术，制备了ZrO₂胶体，用旋涂法镀制了单层ZrO₂介质膜以及添加了有机粘合剂PVP的复合ZrO₂-PVP薄膜。采用X射线衍射(XRD)、椭偏仪、红外分光光度计（FTIR）、原子力显微镜（AFM）等仪器对干凝胶及薄膜进行了性能测试和表征，并用输出波长为1.064 μm、脉宽为10 ns的电光调Q激光系统产生的强激光测试其激光损伤阈值。测得ZrO₂和ZrO₂-PVP薄膜在300 ℃热处理60 min后的激光损伤阈值分别为24.5 J/cm²和37.8 J/cm²。研究表明：添加有机粘合剂后的复合薄膜具有平整的表面结构；有机粘合剂的添加有助于提高薄膜的折射率和激光损伤阈值，其中，ZrO₂-PVP 复合薄膜的折射率可高达1.75，激光损伤阈值达到37.8 J/cm²，比ZrO₂单层膜的激光损伤阈值提高50%。     

ZrO2/SiO2溶胶-凝胶薄膜膜层间的渗透行为

 分别以丙醇锆和正硅酸乙酯为原料，采用溶胶-凝胶工艺制备了性能稳定的ZrO₂和SiO₂溶胶。用旋转镀膜法在K9玻璃上分别制备了单层SiO₂薄膜、单层ZrO₂薄膜、ZrO₂/ SiO₂双层膜和SiO₂/ZrO₂双层膜。采用原子力显微镜观察了薄膜的表面形貌，用椭偏仪测量薄膜的厚度与折射率，用紫外-可见光分光光度计测量了薄膜的透射率。对薄膜的透射光谱和椭偏仪模拟的数据进行分析，发现SiO₂/ZrO₂双层膜之间的渗透十分明显，而ZrO₂/SiO₂双层膜之间几乎不发生渗透。利用TFCalc模系设计软件,采用三层膜模型对薄膜的透射率进行模拟，得出的透射曲线与用紫外-可见光分光光度计测量的透射曲线十分符合。     

酸碱分步催化对溶胶-凝胶ZrO2膜光学性能的影响

 以丙醇锆作为前驱体,利用酸碱分步催化法制备了ZrO₂溶胶,用粒度仪检测胶体粒度;用N₂吸脱附表征凝胶的结构;采用旋转镀膜法在K9基片上镀制单层ZrO₂薄膜;用分光光度计和椭偏仪检测膜层的透过率、折射率及膜层厚度;用红外光谱仪检测胶体内部粒子间化学键状态。实验结果发现,在脉宽1 nm,波长1 064 nm时,采用此种胶体镀制的单层ZrO2膜层折射率达到1.74,单层膜损伤阈值为9.0 J/cm²,表明该方法集中了酸与碱两种催化方式的优点,一定程度上提高了膜层的光学性能。     

物理法和化学法制备的单层ZrO2膜的激光损伤行为差异

 分别采用电子束热蒸发技术和溶胶-凝胶技术在K9基片上镀制了光学厚度相近的ZrO₂单层薄膜,测试了两类薄膜的激光损伤阈值。分别采用透射式光热透镜技术、椭偏仪、原子力显微镜和光学显微镜研究了两类薄膜的热吸收、孔隙率、微观表面形貌、激光辐照前薄膜的杂质和缺陷状况以及激光辐照后薄膜的损伤形貌。实验结果表明：两类薄膜的不同损伤形貌与薄膜的热吸收与微观结构有关， 物理法制备的ZrO₂膜结构致密紧凑，膜层的杂质和缺陷多；化学法制备的ZrO₂膜结构疏松多孔，膜层纯净杂质少，激光损伤阈值达26.9 J/cm²；因物理法制备的ZrO₂膜拥有更大的热吸收(115.10×10^-6)和更小的孔隙率(0.20)，其激光损伤阈值较小(18.8 J/cm²)，损伤主要为溅射和应力破坏，而化学法制备的ZrO₂膜的损伤主要为剥层。理论上对实验结果进行了解释。     

溶胶-凝胶法制备高折射率TiO2薄膜

 采用溶胶- 凝胶法制备了TiO₂纳米晶溶胶,并以旋涂法（spin-coating）镀制了高折射率光学薄膜。借助光散射技术和透射电镜研究了溶胶的微结构。采用原子力显微镜、场发射扫描电镜、紫外-可见-近红外光谱仪、椭偏仪、漫反射吸收光谱及强激光辐照实验,对膜层的结构、光学性能及抗激光损伤性能进行了系统的表征。结果显示:纳米晶薄膜的折射率达到了1.9,而传统的溶胶-凝胶薄膜折射率只有1.6;同时纳米晶薄膜的抗激光损伤阈值与传统的溶胶-凝胶薄膜相差不大,在1 064 nm处分别为16.3 J/cm²(3 ns脉冲) 和16.6 J/cm²(3 ns脉冲);纳米晶溶胶薄膜可以在保持较高抗激光损伤阈值情况下,大幅度提高薄膜折射率。     

化学法制备的HfO2薄膜的激光损伤阈值研究

 采用化学法制备了HfO₂介质膜，研究了热处理、紫外辐照以及Al₂O₃复合对HfO₂介质膜激光损伤阈值的影响。采用红外光谱（FTIR）和X射线衍射仪对薄膜进行了表征，并用输出波长为1.064 μm、脉宽为10 ns的电光调Q激光系统测试薄膜的激光损伤阈值。实验结果表明：采用150 ℃左右的温度对薄膜进行热处理可以提高薄膜的激光损伤阈值，所获得的薄膜的激光损伤阈值高达42.32 J/cm²，比热处理前的激光损伤阈值提高了82%；无机材料Al₂O₃的适量添加能够提高薄膜的激光损伤阈值，其中HfO₂与Al₂O₃的最佳质量配比约为95∶5；另外，对薄膜进行适当的紫外辐照也可改善HfO₂ 薄膜以及HfO₂-Al₂O₃复合薄膜的抗激光损伤性能。紫外辐照对提高HfO₂-Al₂O₃复合薄膜的激光损伤阈值效果尤为显著，辐照40 min后的激光损伤阈值达到44.33 J/cm²，比紫外辐照前的激光损伤阈值提高了90%。     

波长1064nm脉冲激光高阈值反射膜的研制

 研究HfO₂/SiO₂高反射膜的制备工艺及其激光诱导损伤阈值的比较测试,分别采用了反应蒸镀HfO₂、反应离子辅助蒸镀HfO₂、反应离子辅助蒸镀金属Hf的源材料形成HfO₂薄膜。采用这三种工艺制备了HfO₂/SiO₂高反射膜,在中心波长1064nm处,反射率 R≥99.5%,其中反应蒸镀HfO₂/SiO₂高反射膜损伤阈值最高,可达60J/cm²(1064nm,5ns)。     

不同后处理方法对溶胶-凝胶SiO2膜层抗污染能力的影响

 以正硅酸乙酯作为前驱体,利用碱催化方式制备了SiO₂溶胶,采用提拉法在K9基片上镀制SiO₂单层薄膜,分别用热处理、紫外辐射处理、氨水加六甲基二硅胺烷气氛处理和酸碱复合膜4种后处理法对膜层进行处理,采用分光光度计、红外光谱、扫描探针显微镜、静滴接触角测量仪、椭偏仪等分析了薄膜的特性,通过真空环境加速污染实验对处理前后的膜层进行抗污染能力对比,结果表明：在碱性SiO₂膜层上加镀一层酸性SiO₂膜的复合膜层整体透过率仍保持在99%以上,疏水角达到128°,膜层真空抗污染能力大大加强。     

SiO2内保护层对LiB3O5晶体倍频增透膜损伤阈值的影响

 利用离子辅助电子束沉积方法在LiB₃O₅基底上镀制了不加SiO₂内保护层和加SiO₂内保护层的倍频增透膜，测量了两类薄膜在波长1 064 nm多脉冲辐照下的激光损伤阈值，获得了两种不同的损伤形貌，并对损伤原因作了初步探讨。实验结果表明：保护层的加入把由基底膜层界面缺陷吸收所决定的阈值改变到由HfO₂膜层内缺陷吸收所决定的阈值，显著提高了倍频增透膜的抗激光损伤能力。     

氧分压对ZrO2薄膜激光损伤阈值的影响

 在不同的氧分压下用电子束热蒸发的方法制备了ZrO₂薄膜。分别通过X射线衍射、光学光谱、热透镜技术、抗激光辐照等测试，对所制备样品的微结构、折射率、吸收率及激光损伤阈值进行了测量。实验结果表明，薄膜中晶粒主要是四方相为主的多晶结构，并且随着氧分压的增加，结晶度、折射率以及弱吸收均逐渐降低。薄膜的激光损伤阈值开始随着氧分压增加从18.5J/cm²逐渐增加，氧分压为9×10^-3Pa时达到最大，值为26.7 J/cm²，氧分压再增加时则又降低到17.5 J/cm²。由此可见，氧分压引起的薄膜微结构变化是ZrO₂薄膜激光损伤阈值变化的主要原因。     

ZrO_2/SiO_2溶胶-凝胶薄膜膜层间的渗透行为

分别以丙醇锆和正硅酸乙酯为原料,采用溶胶-凝胶工艺制备了性能稳定的ZrO2和SiO2溶胶。用旋转镀膜法在K9玻璃上分别制备了单层SiO2薄膜、单层ZrO2薄膜、ZrO2/SiO2双层膜和SiO2/ZrO2双层膜。采用原子力显微镜观察了薄膜的表面形貌,用椭偏仪测量薄膜的厚度与折射率,用紫外-可见光分光光度计测量了薄膜的透射率。对薄膜的透射光谱和椭偏仪模拟的数据进行分析,发现SiO2/ZrO2双层膜之间的渗透十分明显,而ZrO2/SiO2双层膜之间几乎不发生渗透。利用TFCalc模系设计软件,采用三层膜模型对薄膜的透射率进行模拟,得出的透射曲线与用紫外-可见光分光光度计测量的透射曲线十分符合。     

多层膜界面结构探测技术

分别以丙醇锆和正硅酸乙酯为原料,采用溶胶-凝胶工艺制备了性能稳定的ZrO2和Si O2溶胶。用旋转镀膜法在K9玻璃上分别制备了Si O2单层膜、ZrO2单层膜和ZrO2/Si O2/ZrO2三层膜。采用椭偏仪测量薄膜的厚度与折射率,用紫外-可见分光光度计测量了薄膜的透过率,利用TFCalc_Demo模系设计软件,采用三层理论模型对薄膜的透过率进行模拟,用扫描电镜(SEM)观察了三层膜的断面结构,用X射线光电子能谱仪(XPS)测量了薄膜的成分随深度方向的变化,进一步验证了ZrO2/Si O2/ZrO2三层膜之间的渗透关系,同时对多层膜的界面结构探测方法起到了借鉴作用。     

溶胶-凝胶ZrO_2/SiO_2薄膜的激光损伤研究

采用溶胶-凝胶工艺分别制备了SiO2和ZrO2单层薄膜、ZrO2/SiO2双层膜以及ZrO2/SiO2多层高反膜。用输出波长为1064nm、脉宽为6.3ns的YAG激光器对薄膜进行了激光损伤实验。观察了薄膜经强激光辐照后的损伤情况,讨论了薄膜的激光损伤行为,并从理论上分析了产生这些损伤的原因,为进一步镀制高质量的ZrO2/SiO2多层高反膜提供了依据。     

HfO2中ZrO2含量对266nm HfO2/SiO2多层膜反射率的影响

用两种不同纯度的HfO2材料与同一纯度的SiO2材料组合,沉积Λ／4规整膜系(HL)^11H形成266nm的紫外反射镜,发现反射率相差0．7％左右。用X光电子能谱法分析了高反膜中表层HfO2中的成分,发现ZrO2的含量相差一个数量级左右。为确定形成这种差别的原因,用辉光放电质谱法测定了这两种HfO2材料中锆(Zr)及其钛(Ti)、铁(Fe)的含量,发现Zr是其中的最主要的杂质,两种HfO2材料中Zr含量有一个数量级的差别。说明在266nm波段,HfO2中ZrO2的含量会对HfO2／SiO2高反膜的反射率造成影响。根据HfO2单层膜的光谱曲线,推算出了这两种材料的消光系数的差别,并用Tfcalc膜系设计软件进行理论和镀制结果的模拟,得到与实验测试一致的结果。     

Influence of purity of HfO2 on reflectance of ultraviolet multilayer

The impurities in two kinds of HfO2 materials and in their corresponding single layer thin films were determined through glow discharge mass spectrum technology and secondary ion mass spectrometry(SIMS) equipment respectively.It was found that ZrO2 was the main impurity in the two kinds of HfO2 either in the original HfO2 materials or in the electron beam deposited films.In addition,the difference of Zr content in the two kinds of HfO2 single laver films was much laxger than that of the other impurities such as Ti and Fe.which showed that it was just ZrO2 that made the difference between the optical performance of the film products including the two kinds of HfO2.With these two kinds of HfO2 and the same kind of SiO2.we deposited HfO2/SiO2 multilayer reflective coatings at the wavelength of 266 nm.Experimental results showed that the reflectances of these two mirrors were about 99.85% and 99.15% respectively,which agreed well with the designed results what were based on the optical constants obtained from the corresponding single layer thin films.     

二氧化锆薄膜制备及其特性测量

在室温下采用电子束蒸发的办法制备二氧化锆（ZrO2）薄膜。 借助紫外分光光度计、原子力显微镜（AFM）、X射线衍射（XRD）等方法研究了薄膜的透射率和表面结构。 同时研究了不同退火温度对薄膜物理性质的影响。在退火温度700,900,1 050 ℃时显微镜图像没有明显差别。随着退火温度的变大，薄膜表面的晶粒的直径逐渐变大，但粒径均在25 nm左右。当退火温度达到1 150 ℃时，粒径变得很大(约400 nm)。在700,900,1 050 ℃下退火后的薄膜的X射线衍射谱没有明显差别。在退火温度1 150 ℃下出现了较高的峰，研究结果表明:退火温度的增加，大量大粒径二氧化锆单晶晶粒出现，使得二氧化锆薄膜的漏电流增大，从而导致其热稳定性变差。     

Y2O3稳定ZrO2薄膜的结构和光学特性

用电子束蒸发法制备出四种不同Y2O3含量的Y2O3稳定ZrO2（YSZ）薄膜,用X射线衍射和透射光谱测定薄膜的结构和光学性能.结果表明：随着Y2O3含量的增加,ZrO2薄膜从单斜相向高温相（四方相和立方相）转变,获得了结构稳定的YSZ薄膜；YSZ薄膜的晶粒尺寸都比ZrO2薄膜的大,但随着Y2O3加入量的增加,晶粒尺寸有减小的趋势,薄膜表面也趋向光滑平整.所有YSZ薄膜的透射谱线都与ZrO2薄膜相似,在可见光和红外光区都有较高的透过率.Y2O3的加入还可以改变薄膜的折射率,在一定范围内可得到所需的任意折射率.     

二氧化锆薄膜表面粗糙度的研究

采用电子束蒸发工艺,利用泰勒霍普森相关相干表面轮廓粗糙度仪,研究了不同基底粗糙度、不同二氧化锆薄膜厚度以及不同的离子束辅助能量下所沉积的二氧化锆薄膜的表面粗糙度。结果表明：随着基底表面粗糙度的增加,二氧化锆薄膜表面粗糙度呈现出先缓慢增加,当基底的粗糙度大于10nm后呈现快速增加的趋势;随着二氧化锆薄膜厚度的增加,其表面均方根粗糙度（RMS）先减小后增大;随着辅助沉积离子能量的增加,其表面粗糙度呈现出先减小后增加的趋势。     

溶胶-凝胶光学薄膜的激光损伤研究

 采用溶胶-凝胶工艺制备了SiO₂与ZrO₂单层介质膜，用输出波长1.06μm，脉宽15ns的电光调Q激光系统产生的强激光进行辐照实验。观察了光学薄膜经强激光辐照后的损伤情况，讨论了溶胶 凝胶光学薄膜在强激光照射下的损伤机理，提出了溶剂替换、紫外光处理、添加有机粘接剂等提高溶胶 凝胶光学薄膜激光损伤阈值的方法。