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Ta2O5薄膜的制备。以Ta2O5薄膜作为高折射率材料, 设计了355 nm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355 nm的吸收薄膜, 对于A=5%的紫外吸收光谱, 在355 nm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355 nm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355 nm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。

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。

主要研究了离子束溅射制备的氧化钽薄膜在大气氛围下热处理对其光学特性的影响规律。实验中热处理温度范围的选择为150~550 ℃, 间隔为200 ℃。研究中分别采用介电常数的Cody-Lorentz色散模型和振子模型对氧化钽薄膜的能带特性(1~4 eV)和红外波段(400~4 000 cm-1)的微结构振动特性进行了表征。研究结果表明, 在150 ℃和350 ℃之间出现热处理温度转折点, 即热处理温度高于此值时消光系数增加。Urbach能量的变化与消光系数趋势相同, 而禁带宽度的变化与消光系数恰好相反。通过红外微结构振动特性分析, 薄膜中仍存在亚氧化物的化学计量缺陷。

利用离子束溅射沉积制备了光学薄膜。基于椭圆偏振测量技术,研究了折射率、膜层厚度和表面层厚度与测试光斑大小的关系。研究结果表明,随着样品表面测试光斑尺寸的增加,薄膜折射率变小,膜层厚度、表面层厚度增加。使用反射光谱法和轮廓仪分别验证了各光学常数的光斑效应。研究结果表明,光学薄膜的折射率与膜层厚度具有弱横向非均匀性,采用大尺寸测量光斑能弱化这种非均匀性。

SiO2薄膜是光学薄膜领域内常用的重要低折射率材料之一。在文中研究中, 通过测量薄膜的椭偏参数, 使用非线性最小二乘法反演计算获得薄膜的光学常数。采用离子束溅射和电子束蒸发两种方法制备了SiO2薄膜, 在拟合过程中, 基于L8(22)正交表设计了8组反演计算实验, 以评价函数MSE为考核指标。实验结果表明: 对IBS SiO2薄膜拟合MSE函数影响最大的为界面层模型, 对EB SiO2薄膜拟合MSE函数影响最大的为Pore模型。同时确定了不同物理模型对拟合MSE函数的影响大小和反演计算过程模型选择的次序, 按照确定的模型选择次序拟合, 两种薄膜反演计算的MSE函数相对初始MSE可下降35%和38%, 表明拟合过程模型选择合理物理意义明确。文中提供了一种判断薄膜物理模型中各因素对于薄膜光学常数分析作用大小的途径, 对于薄膜光学常数分析具有指导意义。

针对电子束蒸发离子辅助沉积的硫化锌薄膜，研究了550 ℃以下真空热处理对其光学与微结构特性的影响。薄膜光学和微结构特性的测试分析表明: 制备后薄膜为类立方结构的ZnS，在337.5 nm波长处出现临界特性转折点，随着热处理温度的增加，转折波长两侧的消光系数变化规律相反，折射率和物理厚度呈现下降趋势，薄膜的禁带宽度逐渐增加; 在红外波段的薄膜折射率与热处理温度的变化并不显著，在350 ℃下热处理时消光系数出现转折，主要是由晶粒变小的趋势所致; 通过晶相分析，硫化锌薄膜经历了类立方结构到六方结构的转换，与禁带宽度的变化趋势基本一致。分析结果表明，光学特性变化的根本原因是薄膜的微结构特性变化。

氧化铪是高激光损伤阈值薄膜领域内一种重要的高折射率材料，其禁带宽度和Urbach带尾宽度直接影响到薄膜的吸收和激光损伤阈值。针对离子束溅射沉积法制备的氧化铪薄膜，以基板温度、离子束电压、离子束电流和氧气流量为主要制备参数，提出了基于正交实验的光学带隙调整方法，并采用Cody-Lorentz介电常数模型表征了薄膜的禁带宽度和带尾宽度。研究结果表明，当置信概率为90%时，在影响氧化铪薄膜禁带宽度的制备因素中，影响权重从大到小依次为基板温度、离子束电流和氧气流量，采用低基板温度、中等离子束电流和低氧气流量制备参数组合，可以获得高禁带宽度的氧化铪薄膜；对带尾宽度影响最大的制备参数是基板温度，其他参数影响不显著，在高基板温度下可以获得较低的带尾宽度，这表明氧化铪薄膜的无序度较低。

利用离子束溅射沉积技术制备了Ta2O5薄膜,在100~600 ℃的大气氛围中对其进行热处理(步进温度为100 ℃),并对热处理后样品的光学常数(折射率、折射率非均匀性、消光系数和物理厚度)、应力、晶向和表面形貌进行了研究。研究显示,随着热处理温度增加,薄膜折射率整体呈下降趋势,折射率非均匀性和物理厚度呈增加趋势,结果有效地改善了薄膜的消光系数和应力,但薄膜的晶向和表面形貌均未出现明显的变化。结果表明：热处理可以有效改变薄膜特性,但需要根据Ta2O5薄膜具体应用综合选择最优的热处理温度。本文对离子束溅射Ta2O5薄膜的热处理参数选择具有指导意义。

采用离子束溅射（IBS）方法制备了HfO2和Ta2O5两种金属氧化物薄膜, 通过测量薄膜的椭偏参数, 使用非线性最小二乘法反演计算获得薄膜的光学常数。 在拟合过程中, 采用L8（27）正交表设计了8组反演计算实验, 在初始选定Cauchy模型后, 对HfO2薄膜拟合影响最大的为表面层模型, 对Ta2O5薄膜拟合影响最大的为折射率梯度模型。 确定了不同物理模型对拟合函数MSE的影响权重和拟合过程中模型选择的次序, 按照确定的模型选择次序拟合, 最后加入弱吸收模型反演计算两种薄膜的光学常数, 反演计算的MSE相对初始MSE可下降79%和39%, 表明拟合过程模型选择物理意义明确, 具有广泛的应用价值。 在500 nm处, Ta2O5薄膜的折射率梯度大于HfO2薄膜, 而HfO2薄膜消光系数大于Ta2O5薄膜。 表明Hf金属与Ta金属相比容易氧化形成稳定的氧化物, HfO2薄膜的吸收要高于Ta2O5薄膜。

建立非平行光入射多层膜的模型，给出了在圆形光束锥角入射时的薄膜特性表达式，对三类典型光学薄膜即多腔滤光片、非偏振分光薄膜和非偏振截止滤光薄膜的特性进行了数值实验。研究结果表明：随着光束入射锥角的增加，多腔滤光片的影响是中心波长向短波方向移动，透射率下降和通带形状退化；非偏振分光薄膜的s和p偏振透射率增加，宽带波纹度增加；非偏振截止滤光薄膜的通带透射率出现周期振荡，s偏振的通带波纹度大于p偏振，通带波纹度总体具有增加的趋势，过渡区的陡度具有变大的趋势。