SiO2薄膜是光学薄膜领域内常用的重要低折射率材料之一。文中采用不同沉积技术在Si基底上制备了SiO2薄膜, 并研究了它们光学特性的自然时效特性。采用不同贮存时间的椭偏光谱表征SiO2薄膜的光学特性, 随着时间的增加, EB-SiO2薄膜和IAD-SiO2薄膜的物理厚度和光学厚度随着增加, 但IBS-SiO2薄膜随着减小, 变化率分别为1.0%, 2.3%和-0.2%。当贮存时间达到120天时, IBS-SiO2薄膜、EB-SiO2薄膜和IAD-SiO2薄膜的物理厚度和光学厚度趋于稳定。实验结果表明, IBS-SiO2薄膜的光学特性稳定性最好, 在最外层保护薄膜选择中, 应尽可能选择离子束溅射技术沉积SiO2薄膜。

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。

利用离子辅助电子束双源共蒸发工艺方法, 制备了SiO2掺杂含量分别为0、13%、20%、30%、40%和100%的六组HfO2-SiO2混合膜。采用纳米压痕法测量了不同组分混合膜的杨氏模量和硬度, 并研究了混合膜杨氏模量和硬度随SiO2含量增长的变化规律。结果显示, 随着SiO2含量增加, 混合膜杨氏模量和硬度均减小, 双组分复合材料并联模型可以较好地拟合杨氏模量随混合膜SiO2含量变化关系。为了解释混合膜力学性能随SiO2含量变化规律, 对混合膜进行了XRD测试, 研究了混合膜微观结构与杨氏模量和硬度的关系, 发现结晶对硬度影响显著, 对杨氏模量影响较小; 用Zygo干涉仪测量了样品的面形, 获得了薄膜残余应力随SiO2含量的变化规律, 表明SiO2掺杂能减小HfO2薄膜压应力。

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。

光学薄膜的力学及热力学特性决定了光学系统性能的优劣。采用双离子束溅射的方法在硅<110>和肖特石英Q1基底上制备了SiO2薄膜, 并对制备的膜层进行退火处理。系统研究了热处理前后SiO2薄膜的力学及热力学特性。研究结果表明, 750 ℃退火条件下SiO2薄膜的弹性模量(Er)增加到72 GPa, 膜层硬度增加到10 GPa。镀完后未经退火处理的SiO2薄膜表现为压应力, 但是应力值在退火温度达到450 ℃以上时急剧降低, 说明热处理有助于改善SiO2薄膜内应力。经退火处理的SiO2薄膜泊松比(vf)为0.18左右。退火前后SiO2薄膜的杨氏模量(Ef)都要比石英块体材料大, 并且750 ℃退火膜层杨氏模量增加了50 GPa以上。550 ℃退火的SiO2薄膜热膨胀系数(αf)从6.78×10-7 ℃-1降到最小值5.22×10-7 ℃-1。