TiO2系光学减反膜的设计与制备

论文摘要

减反膜作为现代光学薄膜体系中最重要的分支，广泛应用在医学、建筑、工业、军事和宇航技术等领域。为了满足现代光学器件对减反膜宽波段、全方位、高效透光的性能要求，本文以TiO2系光学减反膜为研究对象，对TiO2薄膜的折射率和均匀性进行了制备工艺研究，利用经典光谱理论和TFCalc光学软件分别设计了TiO2单、双层及多层宽带减反膜和新型渐变折射率减反膜，并采用电子束蒸镀及双源共蒸工艺进行了制备，重点分析了各膜系的结构特点及光学特性。采用传统电子束蒸发技术，并引入离子束辅助沉积和斜角入射沉积辅助工艺可在1.7～2.4范围内有效调控TiO2薄膜的折射率；其中电子束蒸镀的TiO2薄膜的折射率呈正非均匀性，其膜厚分布也不均匀，通过采用合适的清洗工艺，镀膜时旋转基片或者成膜后进行适当退火热处理，均可以降低这些非均匀性。运用经典光谱理论和TFCalc光学软件先后设计了TiO2系单、双层及多层宽带减反膜，并采用电子束蒸镀工艺进行了镀制。发现单层TiO2薄膜无法实现减反射功能，在其表面增镀低折射率膜层可有效改善透光效果，其中MgF2/TiO2双层膜的最高透光率达94.3%，可基本实现宽带减反。以中折射率膜层替代TiO2，可获得更好的宽带减反能力，而且双层减反膜的表层折射率越低，宽带减反性能越佳。设计制备的由SiO2与TiO2交替组成的8层宽带减反膜的平均反射率仅为6.33%，最高透光率达到95.3%，明显优于单、双层减反膜。利用混合介质理论模型和TFCalc光学软件，并结合双源共蒸工艺，设计和制备了MgF2-TiO2混合渐变折射率薄膜。随着膜厚的增加，薄膜折射率逐渐从2.18降至1.59，呈指数函数发生渐变，因而减反性能优异。它在400～800nm波段平均反射率仅为5.56%，宽带减反特性优于分层介质减反膜，在中心波长附近不仅消除了菲涅尔反射，取得全透效果，还可基本实现全方位减反，适合于全天候的服役环境。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 减反膜的发展历史及现状
• 1.2 减反膜原理
• 1.3 减反膜设计
• 1.3.1 传统设计理论
• 1.3.2 现代设计理论
• 1.4 常见的减反膜体系
• 1.4.1 各种光谱曲线类型的减反膜体系
• 1.4.2 各种波段的减反膜体系
• 1.4.3 各种基体材料的减反膜体系
• 1.5 减反膜的制备工艺评述
• 1.5.1 溶胶-凝胶法
• 1.5.2 磁控溅射镀膜技术
• 1.5.3 离子束溅射镀膜技术
• 1.5.4 真空蒸发镀膜
• 2系光学减反膜的研究现状与进展'>1.6 TiO₂系光学减反膜的研究现状与进展
• 1.7 减反膜面临的主要问题及其研究意义
• 1.7.1 实际与理论之间的落差
• 1.7.2 光谱性能衰减
• 1.7.3 耐受性下降
• 1.7.4 角度依赖性
• 1.8 本课题的研究内容
• 第2章 实验方法
• 2.1 设计与模拟软件
• 2.1.1 TFCalc 光学设计软件
• 2.1.2 ANSYS 有限元模拟软件
• 2.2 衬底的选择及预处理过程
• 2.3 光学减反膜的制备装置
• 2.4 光学减反膜的制备工艺
• 2.4.1 电子束蒸发镀膜工艺（E-beam）
• 2.4.2 离子束辅助镀膜工艺（IAD）
• 2.4.3 斜角入射沉积蒸发镀膜（GLAD）
• 2.4.4 双源共蒸真空镀膜（Co-evaporation）
• 2.4.5 薄膜退火工艺
• 2.5 减反膜的组织结构表征方法
• 2.5.1 X 射线衍射分析
• 2.5.2 扫描电子显微镜分析
• 2.5.3 X 射线光电子能谱分析
• 2.5.4 原子力显微分析
• 2.6 减反膜的性能测试方法
• 2.6.1 减反膜厚度的测量
• 2.6.2 减反膜的光学性能测试
• 2.6.3 减反膜的亲水性测试
• 2光学薄膜折射率调控与非均匀性研究'>第3章 TiO₂光学薄膜折射率调控与非均匀性研究
• 2薄膜的制备与表征'>3.1 TiO₂薄膜的制备与表征
• 2薄膜的结构分析'>3.2 TiO₂薄膜的结构分析
• 2薄膜的成分分析'>3.3 TiO₂薄膜的成分分析
• 2薄膜折射率的工艺调控'>3.4 TiO₂薄膜折射率的工艺调控
• 3.4.1 沉积工艺参数对折射率的影响
• 3.4.2 离子束辅助轰击对折射率的影响
• 3.4.3 斜角入射沉积对折射率的影响
• 2薄膜折射率的制备工艺调控综合评价'>3.4.4 TiO₂薄膜折射率的制备工艺调控综合评价
• 3.4.5 退火热处理对折射率的影响
• 2薄膜的折射率非均匀性研究'>3.5 TiO₂薄膜的折射率非均匀性研究
• 3.5.1 基体表面特性对折射率非均匀性的影响
• 3.5.2 退火热处理对薄膜折射率非均匀性的影响
• 2薄膜的厚度非均匀性研究'>3.6 TiO₂薄膜的厚度非均匀性研究
• 3.6.1 基体位置对厚度非均匀性的影响
• 3.6.2 自转速度对厚度非均匀性的影响
• 3.7 小结
• 2系分层介质减反膜的设计与制备'>第4章 TiO₂系分层介质减反膜的设计与制备
• 2单层减反膜设计'>4.1 TiO₂单层减反膜设计
• 2系双层减反膜设计'>4.2 TiO₂系双层减反膜设计
• 2系多层减反膜设计'>4.3 TiO₂系多层减反膜设计
• 4.3.1 膜系设计技术指标
• 4.3.2 镀膜材料选择
• 4.3.3 软件设计流程与结果
• 4.4 薄膜的制备
• 4.5 薄膜的结构
• 4.6 薄膜的光学性能
• 2单层减反膜的光学性能'>4.6.1 TiO₂单层减反膜的光学性能
• 2系双层减反膜的光学性能'>4.6.2 TiO₂系双层减反膜的光学性能
• 2系多层减反膜的光学性能'>4.6.3 TiO₂系多层减反膜的光学性能
• 4.7 薄膜的亲水性
• 2/TiO₂等双层减反膜的热应力模拟'>4.8 MgF₂/TiO₂等双层减反膜的热应力模拟
• 4.9 小结
• 2渐变折射率减反膜的设计与研究'>第5章 MgF2-TiO₂渐变折射率减反膜的设计与研究
• 5.1 理论模型与设计思路
• 5.2 薄膜的制备
• 5.3 薄膜的组织结构表征
• 5.4 薄膜的光学性能分析
• 5.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读硕士期间所发表的学术论文目录