采用飞秒激光制备了无氢氧掺杂类金刚石膜,研究了环境气压对膜层红外性能的影响,并从掺杂含量、原子键、晶态结构等微观特性方面分析了膜层在含氧条件下的演变。研究发现:氧气氛环境可以提高无氢类金刚石膜中金刚石相的含量,有效降低类金刚石膜的红外吸收,从而增强其红外透射性能;膜层折射率可以由气氛环境自由调控,为多层光学膜的设计提供了匹配手段;氧气氛环境未改变类金刚石膜的非晶结构,不会妨害其红外性能。提出了碳膜在含氧条件下的原子键重组模型,丰富了氧掺杂类金刚石膜的研究,为提升类金刚石膜对红外窗口的增透保护提供了理论分析和实践依据。

提出了磁场辅助激光沉积类金刚石(DLC)膜技术, 在硅基底附近添加磁力线向基底收拢的磁场, 用以迫使侧向飞行的离子向基底靠拢并参与成膜。由于离子向基底的集中, 使其在膜层中含量大幅上升, 间接地减少了大颗粒的比例, 因此, 与无磁场条件下制备的DLC膜相比, 引入磁场不仅提高了DLC膜的沉积速率, 而且提高了其机械硬度; 更重要的是, 间接地证明了激光对靶材离化的高效性, 为脉冲激光沉积(PLD)结合磁过滤技术提供了可行性的依据。

利用微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD), 在镀金属钛的纯平陶瓷衬底上制备出一层微米量级的类球状金刚石聚晶颗粒碳膜。通过拉曼光谱仪、X射线衍射仪分析了碳膜的成分, 通过扫描电子显微镜观察了碳膜的外部形貌。最后利用场发射的二级结构装置测试了碳膜的场发射性能。讨论了金刚石聚晶碳膜的场发射机理, 得出碳膜场发射性能优异的原因是金刚石聚晶碳膜表面存在强大的场增强现象。

研究了金刚石聚晶碳膜的生长过程, 以及不同生长阶段碳膜的场发射性能。通过磁控溅射法在陶瓷上镀一层金属钛作为制备碳膜的衬底, 将衬底放入微波等离子体化学气相沉积腔中, 经过不同的沉积时间制备出一系列的碳膜。利用SEM、Raman光谱仪、X射线衍射仪等仪器, 对碳膜进行了形貌与成分分析, 最后利用二极结构场发射装置, 测试了碳膜的场发射性能。着重讨论了金刚石聚晶碳膜生长过程中的变化, 并且对金刚石聚晶碳膜的场发射机理进行了深入研究。

利用飞秒激光和纳秒激光分别在氧气氛环境和高真空环境中烧蚀石墨靶材, 在硅基底上获得了两种不同的类金刚石膜, 通过红外透过曲线的拟合, 获得了各自的光学参数; 进而设计和制备了不同厚度组合的双层结构类金刚石膜硅基底样品: 飞秒激光在氧气氛环境中制备的类金刚石膜具有低折射率、高透过性的特点, 所以将其作为双层膜的内层, 发挥其红外增透效能; 纳秒激光在高真空环境中制备的类金刚石膜具有高硬度、耐蚀性的特点, 所以将其作为双层膜的外表层, 发挥其抗划、耐蚀的功能。实验测试表明: 随着外表保护层厚度的增加, 样品的中红外平均透过率逐渐下降0.5%~3%, 表面硬度提高7.2~24.7 GPa。碱溶液浸泡试验表明, 外表保护层能够承受碱溶液腐蚀, 但过薄的保护层不能阻止溶液向膜层内部的渗透, 从而使得不具有耐蚀性的红外增透层被腐蚀。研究结果为不同应用目的的双层膜或多层膜结构的设计与制备提供了实验基础。

为解决类金刚石膜内应力极大的问题, 利用很薄的岛状结构锗层与较厚的类金刚石层循环, 设计并制备了具有低内应力的多层类金刚石膜。其中, 类金刚石层为主要功能膜层, 起到硬质保护和光学增透的作用; 而锗层作为缓冲层, 起到缓解纯类金刚石膜内应力过大的问题, 同时由于锗层很薄, 对整个膜层的机械性能和红外特性的影响很小。测试表明, 制备的多层类金刚石膜内应力为2.14 GPa, 比纯类金刚石膜降低了39%, 通过了GJB2485-95《光学膜层通用规范》中的重摩擦测试; 同时, 其纳米硬度仍保持在47 GPa的高水平。该多层类金刚石膜可以作为实际应用的红外窗口保护膜。

提出了双激光沉积掺杂薄膜技术，利用准分子纳秒激光和飞秒激光分别烧蚀石墨和锗靶材，保持准分子纳秒激光的参数不变，而将飞秒激光的脉冲频率逐次由0提高至500 Hz，在硅基底上获得锗含量逐次增大的掺杂类金刚石膜。实验结果表明：随着锗掺杂量的提高，锗掺杂类金刚石膜的折射率略微增大，消光系数增大7.3倍；表面硬度呈近似的线性降低，降低幅度约为41.3%；内应力呈非线性减小并在某值趋于稳定，降低幅度约为78.1%。牢固度实验结果表明，锗掺杂量的提高可以增强类金刚石膜在基底上的附着性能，但不利于其对溶液的耐腐蚀性。研究结果为不同应用目的的掺杂类金刚石膜及其复合膜层的设计提供了实验基础，且研究方法具有很强的可扩展性，不仅仅限于实验所限薄膜范围。

利用非平衡磁控溅射法制得厚度达到2.23 μm的掺铬含氢类金刚石(Cr-DLC)碳膜。 采用Raman光谱和XPS对制得的薄膜进行了结构和热稳定性等表征。 结果表明: 室温时, 薄膜在1 544 cm-1附近的Raman“G”峰归属于石墨结构中C—C键的伸缩振动, 即E2g 模式; 而1 367 cm-1附近的“D”峰归属于sp2碳环的“呼吸”振动模式, 即A1g模式; 计算得到薄膜sp3键的相对含量约为48at.%。 加热至300 ℃, 薄膜的Raman谱图与室温时相似, 表明此温度段薄膜的结构稳定, 未发生明显改变; 至400 ℃时, ID/IG值迅速增大, sp2键含量升高, 表明此时DLC膜发生了明显的结构变化, 开始发生石墨化。 继续升温, 膜中ID/IG比率增加, “G”峰位向高波数方向位移, 表明 sp2/sp3比率逐渐增大, 薄膜石墨化程度加强, sp2键的无序度逐渐降低, 最终导致薄膜的摩擦系数和磨损率等逐渐增大, 热稳定性逐渐降低。 退火600 ℃时, ID/IG值以及sp2键含量达到最大值, DLC薄膜失效。

随着大能量/高功率激光器的发展需求日益突出, 光学薄膜的激光损伤阈值逐步成为激光器发展的瓶颈, 受到国内外高能激光器研究领域的广泛关注。阐述了光学薄膜激光的损伤机理、激光损伤阈值测试平台及方法, 结合自身研究成果, 综述性分析了国内外光学薄膜抗激光损伤技术与手段研究的发展情况, 主要包括离子束预处理、离子束与退火后处理、虚设保护层等; 重点提出了磁过滤结合激光沉积的复合沉积技术, 并建议加速推动无缺陷沉积的原子层沉积技术, 为大幅提高光学薄膜抗激光损伤能力、满足当前需求提供了理论基础。

用脉冲激光沉积法制备类金刚石膜的实验中,保持其它实验参数不变,沉积时间分别取15、20 min和25 min来沉积类金刚石膜。用Raman光谱仪对薄膜的微观结构进行检测;用原子力显微镜对薄膜的表面形貌进行检测。检测结果表明,在其它实验参数不变的条件下,沉积时间从15 min增加到20 min时,薄膜中石墨晶粒数量或体积减小,sp3/ sp2比值和薄膜密度明显增大,薄膜表面粗糙度显著降低。沉积时间从20 min增加到25 min时,薄膜中石墨晶粒数量或体积减小,但是sp3/ sp2比值和薄膜密度都没有明显改变。