低吸收氧化物光学薄膜研究

论文摘要

光学薄膜的吸收严重影响激光系统的光束质量、传输效率、光学元件损伤阈值等重要指标。目前,大多数大型光学系统中都采用氧化物材料制备光学薄膜来实现其光学功能。随着激光功率和能量的不断提高,要求氧化物光学薄膜的吸收损耗越低越好。光学薄膜的吸收是光与薄膜中的电子、激子、晶格振动、杂质和缺陷等相互作用的过程。目前光学薄膜的制备涉及从气相到固相的超急冷过程,薄膜中会出现大量的杂质和缺陷,这些杂质和缺陷是光学薄膜的吸收来源。本文通过镀膜工艺实验测试分析影响光学薄膜吸收的主要因素,从杂质和缺陷方面研究光学薄膜的吸收损耗机理,主要工作包括:（1）研究石英玻璃中杂质对紫外波段和1064nm波长的吸收,计算得到石英玻璃羟基含量和1064nm消光系数的线性关系。分析石英晶体和石英玻璃原子排列结构无序程度对紫外吸收边的影响,并计算石英玻璃的带尾能量。测试结果证明石英玻璃1064nm吸收和氧空位缺陷无关、和羟基含量成正比。（2）研究电子束蒸发、离子辅助、磁控溅射技术制备SiO2薄膜的水含量、羟基含量和短波吸收谱。通过其短波吸收系数分析计算薄膜的带隙宽度、Urbach能量和氧空位ODC（I）含量,从而得到薄膜中的微观缺陷信息（化学计量比、原子排列、点缺陷）,并研究空气中退火处理对SiO2薄膜微观缺陷的影响。测试分析三种SiO2薄膜的光致发光谱和它对应的缺陷。计算电子束蒸发SiO2薄膜中带尾能量、水含量、羟基含量对1064nm波长吸收的影响,证明薄膜中氧空位缺陷与1064nm吸收无关。（3）研究电子束蒸发Ta2O5薄膜的氧空位导致的吸收谱,分析显示吸收不是Urbach带尾引起,而与薄膜中的色心有关。离子辅助制备Ta2O5光学薄膜增加了其带隙宽度,减少了非化学计量比。红外振动谱说明Ta=O键能减少薄膜的短波吸收。测试薄膜的光致发光谱,结合吸收谱分析薄膜的微观缺陷和吸收机制。研究离子辅助能量与Ta2O5薄膜光学性能、物理性能的关系。设计和制备高分辨太阳层析成像的多波长高性能滤光片。（4）研究电子束蒸发和离子辅助制备的HfO2薄膜吸收损耗,空气中退火后短波吸收减少,带隙宽度增加。再将薄膜在氩气中退火后短波吸收增加,带隙宽度减少。计算结果表明薄膜在紫外波段的吸收由氧空位缺陷产生,并且波长越短吸收越大。结合HfO2薄膜的光致发光谱、晶向结构和吸收谱,分析发光谱的发光机理。证明5个发光峰都与氧空位缺陷无关,并对HfO2薄膜的吸收机理进行初步解释。研究减少HfO2薄膜在1064nm波长吸收的镀膜工艺,优化离子辅助能量、基片温度等工艺参数减少薄膜吸收损耗。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 孔明东

导师: 李斌成

关键词: 低吸收光学薄膜,氧化物薄膜,吸收机理,微观缺陷

来源: 中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,工业通用技术及设备

单位: 中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)

分类号: O484.41

总页数: 142

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