PECVD技术制备光学薄膜损伤特性研究

摘要

光学薄膜几乎应用在所有光学系统中，由于它在高功率激光系统容易受到强激光损伤，因而引起了相关研究者对光学薄膜激光损伤特性的密切关注。采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)可在低温下制备光学薄膜，且易实现渐变折射率薄膜的沉积。研究其制备光学薄膜激光损伤变化规律，对于提高光学薄膜激光损伤阈值有着重要意义。
　　本文研究了PECVD技术制备光学薄膜损伤特性。采用PECVD技术在BK7玻璃基底上分别制备了不同厚度的单层SiOxFy、SiO2、SiOxNy、SiNx光学薄膜，仿真模拟了上述4种光学薄膜样片在不同厚度下的电场强度分布，测试分析了薄膜的激光损伤阈值和损伤形貌，建立了光学薄膜厚度、折射率、制备工艺参数、电场强度分布与薄膜激光损伤特性之间的关系，设计并优化了波长范围在350-3000nm的1064nm陷波滤光片，并采用规整膜系和混合渐变膜系完成了滤光片制备，讨论了其抗激光损伤特性与膜系之间的关系，探讨了PECVD技术制备光学薄膜的制造误差，完成了滤光片的环境试验。主要结论有:
　　1)低折射率SiOxFy和SiO2薄膜的激光损伤阈值随薄膜厚度变化不明显，中间折射率SiONy和高折射率SiNx薄膜的激光损伤阈值随薄膜厚度的增加有明显减小趋势;
　　2)电场强度分布对SiOxFy、SiOxNy、SiNx光学薄膜激光损伤阈值影响较为明显。SiO2薄膜的电场强度变化对激光损伤阈值影响较小;
　　3)在选定的制备工艺参数范围内，沉积温度对SiOxFy、SiOxNy薄膜材料激光损伤阈值影响最大，射频功率与工作压强影响较小。射频功率对高折射率SiNx薄膜材料激光损伤阈值影响最大，沉积温度与工作压强影响较小;
　　4)设计的1064nm陷波滤光片两侧通带平均透过率T≥92％，1064nm处反射率R≥95％。实测光谱曲线与设计曲线基本一致，规整膜系和混合渐变膜系对应的滤光片激光损伤阈值分别为10.9J/cm2和12.8J/cm2(波长1064nm，脉宽10ns)。
　　5)滤光片表现出较好的环境适应性和稳定性。

目录

摘要

1 绪论

1．1 PECVD技术研究现状及发展

1．2 国内外薄膜损伤特性研究现状

1．2．1 国内薄膜损伤特性研究现状

1．2．2 国外薄膜损伤特性研究现状

1．3 课题研究的目的和意义

1．4 主要研究工作

1．4．1 课题研究的内容

1．4．2 研究技术路线

1．4．3 研究方案

1．4．4 试验条件

1．4．5 预期达到的目标

2 光学薄膜特性理论基础

2．1 薄膜的特性计算

2．2 陷波滤光片的特性计算

3 PECVD技术制备单层光学薄膜损伤特性研究

3．1 单层SiOxFy薄膜损伤特性研究

3．1．1 单层SiOxFy薄膜制各与测试

3．1．2 单层SiOxFy薄膜损伤测试结果与分析

3．1．3 单层SiOxFy薄膜电场强度分析

3．2 单层SiO2薄膜损伤特性研究

3．2．1 单层SiO2薄膜制备与测试

3．2．2 单层SiO2薄膜损伤测试结果分析

3．2．3 单层SiO2薄膜损伤形貌图

3．2．4 单层SiO2薄膜电场分布分析

3．3 单层SiOxNy薄膜损伤特性研究

3．3．1 单层SiOxNy薄膜制备与测试

3．3．2 单层SiOxNy薄膜损伤测试结果分析

3．3．3 单层SiOxNy薄膜损伤形貌图

3．3．4 单层SiOxNy薄膜电场分布分析

3．4 单层SiNx薄膜损伤特性研究

3．4．1 单层SiNx薄膜制备与测试

3．4．2 单层SiNx薄膜损伤测试结果分析

3．4．3 单层SiNx薄膜损伤形貌图

3．4．4 单层SiNx薄膜电场分布分析

3．5 单层(SiOxFy、SiO2、SiOxNy、SiNx)薄膜抗激光损伤特性比较

3．6 光学薄膜抗激光损伤特性与制备工艺参数关系研究实验

3．6．1 低折射率SiOxFy光学薄膜正交试验与数据分析

3．6．2 中间折射率SiOxNy光学薄膜正交试验与数据分析

3．6．3 高折射率SiNx光学薄膜正交试验与数据分析

3．7 小结

4 1064nm陷波滤光片膜系设计

4．1 设计技术指标

4．2 薄膜材料选取

4．3 主要参数估算

4．3．1 反射带反射率

4．3．2 反射带波长宽度估算

4．4 膜系设计

4．4．1 规整膜系设计滤光片

4．4．2 Rugate法设计滤光片

4．4．3 傅里叶变换法设计滤光片

4．4．4 混合渐变膜系设计滤光片

5 1064nm陷波滤光片的制备及测试分析

5．1 镀制前期工作

5．1．1 SiO2薄膜材料沉积速率和重复性实验研究

5．1．2 SiOxNy薄膜材料沉积速率和重复性实验研究

5．1．3 SiNx薄膜材料沉积速率和重复性实验研究

5．1．4 渐变折射率SiOxNy薄膜材料实验研究

5．2 镀制工艺流程

5．3 规整膜系的镀制

5．3．1 工艺参数设置

5．3．2 薄膜测试结果与分析

5．4 混合渐变膜系的镀制

5．4．1 工艺参数设置

5．4．2 薄膜测试结果

5．5 1064nm陷波滤光片抗激光损伤阈值测试结果与电场分析

5．6 1064nm陷波滤光片环境试验

5．7 小结

6 结论

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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