软X射线多层膜反射式偏振光学元件设计

叙述了软X射线波段反射式多层膜起偏器和检偏器的设计原则和设计方法,计算了不同波段软X射线反射式多层膜起偏器和检偏器的性能,讨论了多层膜制作过程中,表界面误差(表面粗糙度和扩散)对起偏器和检偏器性能的影响,探讨了光谱分辨率对偏振元件测试过程的影响,这些设计、计算和分析为制作实用软X射线多层膜偏振光学元件提供了理论基础。     

磁控溅射制备横向梯度分布的Mo/Si周期多层膜

 采用磁控溅射方法在Si基板上镀制了横向梯度分布的Mo/Si周期多层膜。以X射线掠入射反射测量了横向梯度多层膜的膜系结构,在基板65 mm长度范围内,多层膜周期从8.21 nm线性减小到6.57 nm,周期梯度为0.03 nm/mm。国家同步辐射实验室反射率计的反射率测试结果表明：该横向梯度分布周期多层膜上不同位置,能反射在13.3~15.9 nm波段范围内不同波长的极紫外光,反射率为60%~65%。     

软X射线Mo/B_4C多层膜应力和热稳定性研究

为了实现7nm波段Mo/B4C多层膜反射镜元件的制备,研究了不同退火方式对Mo/B4C多层膜应力和热稳定性的影响。首先,采用直流磁控溅射方法分别基于石英和硅基板制作Mo/B4C多层膜样品,设计周期为3.58nm、周期数为60,Mo膜层厚度与周期的比值为0.4。其次,采用不同的退火方式对所制作的样品进行退火实验,最高退火温度500℃。最后,分别采用X射线掠入射反射、X射线散射和光学干涉仪的方法对退火前后的Mo/B4C多层膜的周期、界面粗糙度和应力进行测试。测试结果表明采用真空退火方式能够有效降低Mo/B4C多层膜的应力,且退火前后Mo/B4C多层膜的周期和界面粗糙度无明显变化,证明Mo/B4C多层膜在500℃以内具有很好的热稳定性。     

30.4 nm波长SiC/Mg多层膜反射镜

波长30.4 nm的He-II谱线是极紫外天文观测中最重要的谱线之一,空间极紫外太阳观测光学系统需要采用多层膜作为反射元件。为此研究了SiC/Mg、B4C/Mg、C/Mg、C/Al、Mo/Si、B4C/Si、SiC/Si、C/Si、Sc/Si等材料组合的多层膜在该波长处的反射性能。基于反射率最大与多层膜带宽最小的设计优化原则,选取了SiC/Mg作为膜系材料。采用直流磁控溅射技术制备了SiC/Mg多层膜,用X射线衍射仪测量了多层膜的周期厚度,用国家同步辐射计量站的反射率计测量了多层膜的反射率,在入射角12°时,实测30.4 nm处的反射率为38.0%。     

50～11O nm波段高反射率多层膜的设计与制备

阐述了50～110 nm强吸收波段亚四分之一波长多层膜的设计方法.这种膜系是由强吸收材料叠加而成,每层膜光学厚度小于四分之一个波长.与常规周期多层膜相比,这种膜系更适用于提高强吸收波段的反射率.利用该方法设计了50 nm处高反射多层膜,并以此为初始条件通过Levenberg-Marquart优化方法完成了50～110 nm强吸收波段宽带高反射率Si/W/Co多层膜的设计,其平均反射率达到45%.采用直流磁控溅射方法制备了Si/W/Co多层膜,用X射线衍射仪(XRD)对膜层结构进行了测试,测试结果表明制作出的多层膜结构与设计结构基本相符.     

50~110 nm波段高反射率多层膜的设计与制备

阐述了50~110 nm强吸收波段亚四分之一波长多层膜的设计方法.这种膜系是由强吸收材料叠加而成，每层膜光学厚度小于四分之一个波长.与常规周期多层膜相比，这种膜系更适用于提高强吸收波段的反射率.利用该方法设计了50 nm处高反射多层膜，并以此为初始条件通过Levenberg-Marquart优化方法完成了50~110 nm强吸收波段宽带高反射率Si/W/Co多层膜的设计，其平均反射率达到45%.采用直流磁控溅射方法制备了Si/W/Co多层膜,用X射线衍射仪(XRD)对膜层结构进行了测试，测试结果表明制作出的多层膜结构与设计结构基本相符.     

在19.5 nm处高反在30.4 nm处抑制的双功能薄膜

 研究了极紫外波段的双功能光学元件。采用周期膜叠加的思想,运用遗传方法优化设计了在19.5 nm处高反,在30.4 nm处抑制的双功能多层膜。采用磁控溅射技术制备了多层膜,利用X射线衍射仪测试了多层膜的结构,在国家同步辐射实验室测试了双功能多层膜的反射特性。结果表明：制备出的双功能膜性能与设计相符,在入射角13°,19.5 nm处的反射率达到33.3%,接近传统的19.5 nm周期高反膜的反射率,并且在30.4 nm附近将反射率由1.1%降到9.6×10^-4。     

磁控溅射方法制备直径120mm高均匀性Mo/Si多层膜

为满足极紫外、软X射线和X射线大口径多层膜反射镜的需求,采用基板扫掠过矩形靶材表面的镀膜方法,在直径120 mm的平面基板上镀制了Mo/Si周期多层膜。通过调整基板扫掠过矩形靶材表面的速率修正了薄膜的沉积速率,极大地提高了薄膜厚度的均匀性。采用X射线衍射仪对反射镜不同位置多层膜周期厚度进行了测量,结果表明,在直径120 mm范围内,Mo/Si多层膜周期厚度的均匀性达到了0.26%。同步辐射测量多层膜样品不同位置处的反射率,结果表明,在直径120 mm范围内,多层膜的膜层厚度均匀,在入射角10°时13.75 nm波长处平均反射率为66.82%。     

Mo/B4C软X射线多层膜结构特性研究

在6.7<λ<10.0nm波段选择Mo/B₄C作为多层膜材料,并采用磁控溅射法制备出多层膜样品.这些多层膜样品的周期结构为3.35nm～5.52nm.采用X射线衍射仪和透射电镜(TEM)对样品的微观结构进行研究.结构表明,这些多层膜样品的结构质量很高,并有很好的热稳定性.     

多层膜优化设计方法

传统多层膜设计所用的全局寻优法的速度非常慢，有时还很难得到理想的膜系。根据Frensnel反射系数公式计算多层膜的反射率，利用单纯形法对软X射线和X射线波段多层膜进行调优，可在短时间内优化出最接近目标光学性能的多层膜膜系结构。计算了不同波长软X射线周期性多层膜的最高理论反射率。单纯形调优算法在保证优化结果与随机搜索法优化结果近似相同的基础上，使优化计算速度提高了十倍以上。同时还用单纯形调优法优化设计了X射线超反射镜，得到了非常理想的非周期膜系。     

软X射线偏振光学元件

介绍了50—2000eV软X射线能区偏振光学元件的发展现状，阐述和分析了几种偏振光学元件的性能，并说明了这些偏振光学元件的应用。     

Fabrication and Patterning of Submierometer-Thick Optical Polarizing Films for 800 nm Using Stretched Silver Island Multilayers

Stretched silver island multilayers have been investigated for patterned optical polarizers for the wavelength of 800 nm. Submicrometer-thick optical polarizing films are fabricated by stretching periodic multilayers consisting of silver island layers and Pyrex layers at the temperature of 660°C. As the optical anisotropy of the optical polarizing film is lost by heating at a temperature higher than the stretching temperature, the fine non-polarizing areas can be deliberately and easily formed on the optical polarizing film by laser irradiation with high power density. We have successfully formed various non-polarizing areas on the optical polarizing film with a 1 W-class carbon dioxide laser. The demonstrated fabricating techniques of deliberately patterned optical polarizing films should be useful for novel optical computing and sensing devices.     

8.0 nm反射式偏振膜的设计和制备

讨论了软X射线反射式偏振膜的设计原理和方法,利用设计软件模拟设计了8.0 nm处的Mo/B4C偏振膜.对影响多层膜性能的参量进行了详细的误差分析.利用磁控溅射镀膜机进行了偏振膜的制备研究,X射线小角衍射测量了多层膜的周期厚度,测量数据的拟合结果与设计值吻合很好.     

Fabrication Techniques and Characteristics of Ultra-Thin Optical Polarizing Films Using Gold Island Films

Fabrication techniques of ultra-thin optical polarizing films using gold island films have been investigated for the near-infrared region. The polarizing films are fabricated by stretching the periodic multilayers consisting of gold island layers and glass layers. We have experimentally investigated the optimum fabricating conditions necessary to induce large optical anisotropy into the gold island layers and have formed submicrometer-thick polarizing films with an extinction ratio of ≥20 dB in a near-infrared region longer than 800 nm. These polarizing films could be useful micro-polarizers for fiber-embedded in-line optical devices, micro-optics, and hybrid integrated optics.     

新型小尺寸窄带偏振分光器在光纤通信中的应用

在光纤通信中,为了在不改变调制波长范围的基础上仍能实现更多数据通道的波分复用,设计了一种新型的小尺寸窄带偏振分光器,用于对现有的数据通信网络进行扩容以及提高光信号的信噪比。在该分光器上蒸镀了两种新设计的膜系,一层是窄带滤光膜,另一层是偏振分光膜。采用TFCalc软件仿真,设计结果中窄带滤光膜的带宽约为0.4 nm,偏振分光膜在1 530～1 560 nm范围内对p光的通透性能优于99.8%。基于以上膜系设计在BK7光学玻璃上实际制备两组膜系,实验采用Agilent 8164-A型光波测量系统对经过膜后的光进行光谱分析。结果显示,窄带滤光膜的实际带宽优于0.4 nm,增益平坦度小于-0.05 dB,相比现有常见的0.8 nm滤光膜具有更窄的带宽,可以实现在调制波长范围不变的条件下增大波分复用的数据通道总量。偏振滤光膜的实际p光透光率为99.6%,相比仿真值略低,但仍优于设计要求,相比传统分光器的光信号强度保留效果更好,具有更高的信噪比。综上所述,该分光器具有更好的应用价值和实用意义。     

十二烷基苯磺酸在掺杂态聚苯胺LB膜中的分子取向

本文利用偏振红外光谱,研究了十二烷基苯磺酸分子在掺杂态聚苯胺ＬＢ膜中的分子取向。计算结果表明,十二烷基苯磺酸分子的烷基链是与基底法线方向呈１７°角度排布的,由Ｘ射线小角衍射峰推算出,在ＬＢ膜的沉积方向上,十二烷基苯磺酸掺杂的聚苯胺分子的层间距为２９５ｎｍ。     

Laser cavities and polarization optics for soft X-rays and the extreme ultraviolet

Addressed here are polarization optics for extreme-ultraviolet and soft X-ray wavelengths, especially as relevant to laser cavities. It is pointed out that the whisper-gallery mirrors studied by Vinogradov can serve as weak polarizers and, more importantly, as birefringent elements. The application of multilayer technology to polarizing mirrors and beamsplitters is also considered. It is shown that multilayer beamsplitters can function both as reflective and transmissive polarizers. Their behavior is surprising in some cases, with the same polarization being preferred in both reflection and transmission. Three polarizing cavity schemes are proposed, each incorporating a polarizing beamsplitter as its output coupler. Cavity optimization issues are discussed.     

变色磷灰石的可见光光谱特征研究

磷灰石是珠宝市场上常见的宝石品种,因颜色丰富而广受欢迎。变色磷灰石是稀有品种且价格高昂,该品种在D65光源（色温6 500 K）下呈黄绿色,A光源（色温2 856 K）下呈粉红色,其可见光光谱的谱学特征与变色成因未被详细研究。基于此,将一颗变色磷灰石晶体,沿其平行c轴和垂直c轴方向各切下一个薄片并双面平行抛光,分别测试其可见光光谱与微量元素。结果发现,其可见光光谱中谱峰较多：位于583和578 nm处的吸收双峰强度最强,位于748和738 nm处的吸收双峰强度中等,分别位于688和526 nm处的吸收峰,强度较弱。还有一些非常微弱的吸收峰,分别位于514,483,473和443 nm处。位于748和738 nm处的吸收双峰与583和578 nm处的吸收双峰共同造成了红橙光区的透射窗,583和578 nm处的吸收双峰与526 nm处的吸收峰共同造成了黄绿光区的透射窗。D65光源和A光源由于相对光谱功率分布不同,在不同透射窗的透过有所不同,导致变色磷灰石在不同光源下呈现出不同颜色。D65光源中黄绿光成分较多,透过黄绿光区透射窗的成分较多,D65光源下磷灰石呈黄绿色,A光源中红光成分较多,通过红橙光区透射窗的成分较多,A光源下磷灰石呈粉红色。因此,磷灰石的变色效应与位于748和738 nm处的吸收双峰,位于583和578 nm处的吸收双峰以及位于526 nm处的吸收峰相关。根据微量元素数据与稀土元素的晶体场理论,这些吸收峰是由稀土元素钕（Nd）导致。根据不同晶体方向样品的可见光光谱特征,平行c轴方向变色效果更好,建议加工变色磷灰石晶体时宝石台面应尽量平行c轴。该研究结合微量元素与可见光光谱分析了变色磷灰石的变色成因,并为其加工切割方向提供了指导。     

对超声波作用下的化学浴沉积方法制备CdS薄膜的谱学分析

用化学浴沉积法制备了CdS薄膜 ,并研究了加超声波对CdS薄膜生长过程的影响。利用卢瑟福背散射 ,X 射线粉末衍射和扫描电子显微镜对薄膜的厚度、晶相和表面形貌进行了表征。结果表明施加超声波的作用能有效地改善薄膜的质量 ,制备出均匀、致密的有较好的晶体结构CdS薄膜。同时 ,通过时间的控制可以精确地控制薄膜在 5 0nm左右 ,以满足制备太阳能电池的特殊要求。     

亚波长金属偏振分束光栅设计分析

结合有效介质理论和薄膜光学的抗反射设计方法,设计了基于0.65μm工作波长的亚波长金属偏振分束光栅,给出了光栅的优化设计参数,采用严格耦合波理论分析了光栅的偏振分束特性.结果表明,亚波长金属光栅对TE偏振表现为金属膜特性,具有高反射,对TM偏振表现为介质膜特性,具有高透射,在-30°<θ<30°的大入射角范围和0.47μm<λ<0.80μm的宽入射波谱内,该光栅的透射光和反射光均具有高偏振消光比和低插入损耗的特点. 关键词： 亚波长金属偏振分束光栅 有效介质理论 薄膜光学 严格耦合波理论