本文利用等离子体辅助分子束外延(PA-MBE)系统, 对常规连续外延生长和金属调制外延(MME)生长AlN薄膜进行研究。研究发现: 常规连续外延方法生长模式不易控制, 容易出现过度富Al和富N模式生长, 而且微富Al模式生长还会出现一些凹坑, 表面形貌较粗糙; 然而利用MME方法生长AlN薄膜, 通过精准调控Al源和N源快门打开、关闭时间, 可以获得形貌较好的AlN薄膜。通过调整优化获得的MME方案为: 首先Al源快门打开30 s, 然后Al源和N源快门打开60 s, 最后单独打开N源快门72 s; 单一周期内, Al源快门打开时间与N源快门打开时间比例为0.7。以上述方案为一个周期进行循环生长40个周期, 可获得粗糙度低至0.3 nm(2 μm×2 μm), 几乎无凹坑的AlN薄膜。

实现电学性能优良的高Al组分AlGaN外延层是制备深紫外光电器件最重要的环节之一。本工作利用分子束外延(MBE)技术, 基于周期热脱附的生长方式, 通过改变Al源供应量调控Al组分, 并用Si进行n型掺杂, 在AlN/蓝宝石衬底上得到了系列高Al组分的Si-AlxGa1-xN外延层(x＞0.60)。对外延层相关物理性质进行了表征测试, 结果表明, 外延层Al组分与生长过程中Al束流大小呈现线性关系, 这为制备精确Al组分的AlGaN外延层奠定了基础。AFM结果表明, 高Al组分AlGaN外延层的表面形貌强烈依赖于Ga的供应量, 在生长过程中提高Ga束流可以显著降低外延层的粗糙度。基于范德堡法测量Si-AlGaN外延层电学性能, 证实其载流子特性良好, 其中 Al组分为0.93的样品室温下自由电子浓度、电子迁移率和电阻率分别达到了8.9×1018 cm-3和3.8 cm2·V-1·s-1和0.18 Ω·cm。

为了消除现有多频外差原理相位解包裹后存在的相位跳跃性误差，对多频外差原理相位解包裹方法进行了改进。利用双频外差原理进行部分条纹解包裹，然后利用相位与条纹节距之间的关系将解包裹后的相位转换为其他条纹的相位，使用转换后的相位对其包裹相位进行校正，得到展开相位。为了使展开相位不存在跳跃性误差，提出了解包裹过程中所需满足的一系列约束条件。模拟和实验结果均表明该方法简单有效，展开后的相位光滑无跳跃性误差，无需再次进行误差校正，相比现有方法时间效率提升30%以上。

子脉冲频率编码信号（PFES）在子脉冲宽度大于最小跳频间隔倒数的情况下，其距离模糊函数在中心模糊带内主瓣周围会产生栅瓣。栅瓣不仅影响单目标自身的准确检测，并且强目标栅瓣会对落入其中的弱目标主瓣造成掩盖，使得弱目标漏检。在原有子脉冲频率编码信号的基础上引入了子脉冲线性调频，深入研究并给出了该复合信号的参数选取准则，从而达到消除子脉冲频率编码信号距离模糊函数栅瓣的目的，最后仿真验证了此效果。

使用红外透过差示光谱法，对低羟基石英基片上的有机物吸收峰进行了定量测量表征。从理论上研究了该方法的可行性和特点，并初步检验了该方法的灵敏度。利用这种手段采集了大量真空精密干冰清洗石英基片的数据，统计发现这些数据能够体现一定的规律性：干冰清洗有机物的效果与原始污染状况紧密联系，某一时刻污染物越多，清洗效率越高;无机物或大颗粒的混入会降低有机物清洗效率;表面形态也能够影响清洗效率。这些成果证明了该定量表征方法的正确性和实用性。实验过程和所得结论表明，将清洗初始状态控制在相对一致的状态下，是精密干冰清洗定量研究和工程化参数优化的一个重要因素。

表面抛光可能给K9基片带来额外的杂质和吸收, 分离K9基片的表面吸收率与体吸收率有助于改进基片的加工质量和抛光工艺, 对抗损伤能力研究具有重要意义。分析了激光量热法测量弱吸收的原理, 采用符合ISO 11551要求的激光量热计测量K9基片的弱吸收。对相同工艺抛光的不同厚度K9基片进行了弱吸收表征, 实验发现K9基片的弱吸收随着厚度增加近似线性增大。推导了表面吸收率和体吸收率的计算式, 实验得出本样品的表面吸收率为1.21×10-5, 体吸收率远大于表面吸收率, 体吸收系数为1.72×10-3/cm。实验结果显示所用K9样品的吸收主要来自于材料本身, 改善抛光工艺对降低其吸收率作用不大。

针对航空激光防护技术研究需求, 开展了复合涂层材料的激光烧蚀效应综合研究。采用圆棒固体激光器作为测试光源, 搭建了具有在线温度测量功能的烧蚀实验平台。在此基础上, 对聚碳硅烷(PCS)涂层样品开展了激光烧蚀实验。通过对烧蚀区域形貌和温度数据的对比分析, 证明了PCS复合材料具备显著的激光防护作用。同时, 从理论方面对涂层的激光防护机理进行了研究, 基于材料热传导方程, 建立了激光烧蚀过程的热力学模型, 对温度场变化进行了模拟。研究结果表明, 在复合涂层的保护下, kW级激光仅产生百℃的金属基底升温。

采用离子束溅射(IBS)的方式, 制备了1064 nm高反射Ta2O5/SiO2渐变折射率光学薄膜。对其光学性能和在基频多脉冲下抗损伤性能进行了分析。 通过渐变折射率的设计方式, 很好地抑制了边带波纹, 增加了1064 nm反射率。通过对损伤阈值的分析发现, 随着脉冲个数的增加, 损伤阈值下降明显; 但是在20个脉冲数后, 损伤阈值(维持在22 J/cm2左右)几乎保持不变直到100个脉冲数。通过Leica显微镜对损伤形貌的观察, 发现损伤诱因是薄膜表面的节瘤缺陷。通过扫描电镜(SEM)以及聚集离子束(FIB)对薄膜表面以及断面的观察, 证实了薄膜的损伤起源于薄膜表面的节瘤缺陷。进一步研究得出, 渐变折射率薄膜在基频光单脉冲下损伤主要是由初始节瘤缺陷引起的, 在后续多脉冲激光辐照下初始节瘤缺陷引起烧蚀坑的面积扩大扫过薄膜上的其他节瘤缺陷, 引起了其他节瘤缺陷的喷射使损伤加剧, 造成损伤的“累积效应”。

激光预处理是提高激光薄膜抗激光损伤阈值的重要手段。对电子束蒸发方式镀制的HfO2/SiO2反射膜采用大口径激光进行了辐照，并采用激光量热计测量了激光辐射前后的弱吸收值。采用聚焦离子束(FIB)技术分析了激光辐照后薄膜的损伤形态并探究了损伤原因，首次采用扫描电镜拍摄到了节瘤部分喷发时的形貌图，并对其进行了FIB分析，为进一步了解节瘤的损伤过程提供了依据。实验发现，激光辐照过后的激光薄膜弱吸收明显降低，激光预处理有效减少了引起薄膜吸收的缺陷，存在明显的清洗效应; 在本实验采用的HfO2/SiO2反射膜中，激光预处理技术对于祛除位于基底上种子形成的节瘤是有效的，原因是激光辐射过后该节瘤进行了预喷发并不会对后续激光产生影响; 而激光预处理技术对位于膜层中间的可能是镀膜过程中材料飞溅引起的缺陷是无效的，需要通过其他手段对该类节瘤进行祛除。

观察到了光学基片和薄膜元器在准连续激光辐照下发生了预处理效应。在532 nm和355 nm激光辐照下，许多样品的弱吸收值呈现出一个相似的下降曲线(ADC); 但在1064 nm激光辐照下没有此现象。为了解释和进一步理解该现象，合理假设该现象与辐射总能量密度有关，以此建立了一个唯象模型，并进行了一系列推算。推算结论指出: ADC的初始部分形状更多与具体发生的激光预处理机制有关，而尾部形状更多是由于高斯光分布所致; 归一化后的ADC以及归一化后的上渐近线，将成为多个ADC曲线之间进行比较的天然度量衡。这些推论得到了实验数据的支持。