光学薄膜广泛应用于光学仪器和测控技术中，充斥着我们生活的方方面面，使我们的生活更加丰富多彩。不同于常规的光学薄膜应用场景，本综述重点介绍如何将光学薄膜与光学显微成像结合起来。研究方案主要是：基于负载表面等离子体波的贵金属薄膜、具有光子带隙结构的介质多层薄膜，研制出应用于无标记显微探测的平面薄膜光子元件。得益于其平面结构特性与成熟的制作工艺，该类薄膜光子元件可兼容常规明场、宽场显微成像系统，可以作为被测样品的衬底或成像系统的插件。借助于薄膜与光波的近-远场相互作用特性，该器件可以调控系统的照明光场，如实现暗场照明、全内反射照明、边缘增强照明等。通过照明方式的改变，提升成像的对比度、探测灵敏度，进而发展出多模式、高灵敏度、高对比度、无标记光学显微成像与传感系统。为充分发挥该系统结构简单、宽场、高灵敏度、无标记成像的特点，将其应用于环境光子学领域，实现了真实大气环境中单个超细颗粒物吸湿增长过程的原位、实时、无损表征，有望为大气雾霾溯源与追因研究提供有力的科学支撑和技术工具。

本文基于长波InAs / GaSb II类超晶格红外焦平面阵列（Focal Plane Array，FPA）设计和生长了由ZnS和Ge组成的多层薄膜结构。与没有多层薄膜的FPA相比，多层薄膜使其响应峰位置从8.7 μm和10.3 μm分别移动到9.8 μm和11.7 μm，50％响应截止波长从11.6 μm移动至12.3 μm，并且在波长为12 μm处的响应强度增加了69％。总之，优化的多层薄膜可以调控FPA的响应波长，这为实现更高灵敏度和更高成像能力的长波红外探测提供了更好的平台。

全组分AlGaN是指Al组分(原子数分数)在0~1之间的AlGaN。通过将组分引入到AlGaN的复折射率中,在200~800 nm光谱范围内建立了全组分AlGaN复折射率公式。通过椭圆偏振法获得了蓝宝石的光学参数,并利用透射谱进行了验证。利用上述复折射率公式和多层光学薄膜模型研究了蓝宝石衬底多层AlGaN薄膜样品的透射谱,分析了各层薄膜对样品透射谱的影响以及工艺可能造成的实际结构的偏移,提出了一种多层薄膜透射谱的快速分析法。

理论设计对于高性能太阳能光热转换薄膜的实验制备极为重要。然而,大多数软件通常局限于正入射情况下的太阳光吸收率的优化,而无法直接对太阳能光热转换效率这一重要指标进行优化。鉴于以上问题,使用传输矩阵方法与遗传优化算法,通过改变金属/介质多层膜基太阳能光热转换薄膜中各层薄膜的厚度,直接对其光热转换效率进行优化设计。重点研究了薄膜层数、太阳光照度与工作环境温度对钨/氧化铝基(W/Al2O3)多层膜的影响。研究结果表明,在聚光比为1和100情况下,该膜系的最优膜层数分别为6与8。该研究结果对于高性能太阳能光热转换薄膜的实验制备具有重要的指导意义。

为了研究硅量子点薄膜在太阳电池中的应用, 本文采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术, 低温制备了镶嵌有纳米晶硅(nc-Si)的纳米硅氧多层(nc-SiOx/a-SiOx)薄膜样品。TEM图显示, 通过调整nc-SiOx层的厚度, 实现了薄膜多层结构的低温调控。利用拉曼散射光谱(Raman)、紫外可见透射光谱以及稳/瞬态光致发光(PL)谱等检测手段对薄膜的微观结构、能带特征以及发光特性进行了分析。光吸收谱分析表明, nc-Si粒子尺寸及其a-SiOx边界层共同影响薄膜的光学带隙。稳/瞬态PL谱分析表明, 多层结构发光表现为一个固定于1.19 eV附近的发光峰和一个随nc-SiOx层厚度增加而发生红移的发光峰, 其中固定发光峰归因于非晶SiOx网络中缺陷发光, 发光衰减寿命约在4.6 μs, 峰位可调的发光峰为nc-Si量子限制效应-缺陷态复合发光, 对应两个发光衰减过程, 其中慢发光衰减寿命随nc-SiOx层厚度增加由9.9 μs增加到16.5 μs, 快发光衰减过程基本保持不变。低温PL谱的温度依赖特性进一步表明, 薄膜样品的发光主要表现为nc-Si的量子限制效应发光。

通常红外光学薄膜是在较高温度下制备得到的。 在低温下应用时, 其产生的热应力会显著影响其光谱性能和可靠性。利用传统桥梁弯曲理论和膜层间位移协调条件分析了多层膜中的水平应变、弯曲应变和热应力分布情况。在详细推导的基础上, 根据膜层厚度远小于基片厚度的实际情况, 得出了多层膜中热应力的简化计算公式。结合长波红外窄带滤光片实例, 分析了其多层膜中热应力的数值大小和分布情况。

掺杂半导体中的载流子吸收在THz波段非常明显，其相互作用研究是研制THz通信中的关键器件之一的基础。采用氟化氪(KrF)脉冲准分子激光烧蚀沉积(PLD)技术，制备了Ni掺杂BaTiO3/SrTiO3多层膜。基于辐射频率为3.09 THz、脉冲功率为10 mW量级的THz 量子级联激光器(QCL)光源研究了太赫兹波在Ni掺杂BaTiO3/SrTiO3多层膜中的传输，发现损耗主要是Ni颗粒的非共振吸收导致。

采用射频磁控溅射和热退火处理技术制备SiNx/Si/SiNx多层薄膜，测试了纳米硅晶粒平均尺寸、光学带隙和薄膜对1064 nm激光的非线性吸收系数。建立SiNx/Si/SiNx多层薄膜被动调Q的Nd:YVO4双波长激光器速率方程，得到双波长调Q脉冲的数值模拟结果。在激光二极管(LD)端面抽运的三镜复合腔Nd:YVO4激光器中，SiNx/Si/SiNx多层薄膜作为可饱和吸收体同时实现了双波长激光被动调Q，获得20 ns的1064 nm激光脉冲和19 ns的1342 nm激光脉冲输出。研究表明，薄膜对1064 nm和对1342 nm的双光子饱和吸收是双波长激光被动调Q的直接原因；激光器两个支腔输出损耗的差别和薄膜对两个波长的非线性吸收系数的相对值影响了双波长脉冲的宽度和时间间隔。

提出了一种测试多层薄膜热导率的结构。用ANSYS有限元分析软件对该结构进行了仿真， 分析了加热功率以及悬梁长度和宽度等因素对测试结构温度分布的影响。仿真结果与理论相吻合，验证了 该方法的可行性。微桥结构多层膜系的热导率是影响器件性能的关键参数之一。该测量方法无须在真空中实施， 结构简单，操作方便。