本文關(guān)鍵詞：光學(xué)薄膜應(yīng)力的分布與控制研究

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【摘要】：光學(xué)薄膜元件是激光系統(tǒng)中的重要部件。光學(xué)薄膜中的殘余應(yīng)力對元件的性能和穩(wěn)定性有著巨大的影響,因此必須對薄膜應(yīng)力進(jìn)行嚴(yán)格的控制。本文研究了薄膜應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制、薄膜應(yīng)力的分布規(guī)律和對薄膜元件面形的影響、薄膜應(yīng)力對薄膜屈曲的影響以及薄膜應(yīng)力的控制技術(shù)。首先討論了薄膜本征應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理的理論模型,提出了一個(gè)新的多層薄膜熱應(yīng)力的理論計(jì)算公式。該公式中包含三個(gè)可以順序求出的參數(shù)且它們的解析式非常簡潔。當(dāng)膜層厚度遠(yuǎn)小于基底厚度時(shí),可以得到一個(gè)更加簡單的近似解。然后研究了光學(xué)元件中光學(xué)薄膜應(yīng)力的分布規(guī)律以及其對元件面形的影響。主要研究內(nèi)容包含采用TFCalc軟件設(shè)計(jì)了典型的HfO2/SiO2光學(xué)多層高反射膜；利用有限元方法對設(shè)計(jì)的HfO2/SiO2多層膜的熱應(yīng)力、本征應(yīng)力和殘余應(yīng)力的分布規(guī)律和對元件面形的影響進(jìn)行了模擬分析,熱應(yīng)力的有限元結(jié)果和理論公式得到的結(jié)果相一致：研究了不同膜層數(shù)對HfO2/SiO2多層膜熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：隨著膜層數(shù)的增多,Si02層和HfO2層內(nèi)的熱應(yīng)力均呈減小趨勢,SiO2層內(nèi)的殘余壓應(yīng)力呈略微增大的趨勢,而HfO2層內(nèi)的殘余拉應(yīng)力呈略微減小的趨勢。本論文還研究了薄膜應(yīng)力對薄膜屈曲的影響。使用屈曲理論模型和ANSYS有限元模擬兩種方法對HfO2/SiO2多層膜中的殘余應(yīng)力與屈曲的關(guān)系進(jìn)行了分析,結(jié)果表明兩者結(jié)果吻合得很好。在模擬的殘余應(yīng)力條件下,多層膜初始脫粘區(qū)的臨界半寬在148-149μm左右。最后對薄膜應(yīng)力的控制技術(shù)進(jìn)行了研究.并對其中的一些控制方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：鍍膜前對石英基底進(jìn)行熱退火對其表面面形的影響不大,說明在該種處理?xiàng)l件下,實(shí)驗(yàn)所用的基底的預(yù)應(yīng)力是穩(wěn)定的；選擇合適的溫度進(jìn)行熱退火可以改善Si02薄膜的殘余應(yīng)力；Si02薄膜的殘余應(yīng)力隨在空氣中存放時(shí)間的增加,表現(xiàn)出向拉應(yīng)力演變的趨勢,樣品面形向凹陷方向變化。
【關(guān)鍵詞】：光學(xué)薄膜 殘余應(yīng)力 有限元分析 屈曲 應(yīng)力控制
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN24
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 緒論8-11
• 1.1 光學(xué)薄膜應(yīng)力研究的背景和意義8
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀8-9
• 1.3 論文主要工作9-11
• 第二章 光學(xué)薄膜應(yīng)力的理論研究11-21
• 2.1 薄膜應(yīng)力的分類11
• 2.2 薄膜應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制11-18
• 2.2.1 熱應(yīng)力11-14
• 2.2.2 本征應(yīng)力14-18
• 2.3 薄膜應(yīng)力測量方法18-21
• 第三章 薄膜應(yīng)力的分布規(guī)律以及其對元件面形的影響研究21-43
• 3.1 有限元方法21-22
• 3.1.1 有限元法簡介21
• 3.1.2 有限元分析工具軟件ANSYS21-22
• 3.2 膜系的設(shè)計(jì)22-24
• 3.2.1 多層介質(zhì)高反射膜設(shè)計(jì)理論22-23
• 3.2.2 高反射膜材料的選擇23
• 3.2.3 高反射膜系的設(shè)計(jì)結(jié)果23-24
• 3.3 熱應(yīng)力的分布規(guī)律以及其對元件面形的影響24-34
• 3.3.1 有限元模型的建立24-26
• 3.3.2 網(wǎng)格劃分與載荷施加26-27
• 3.3.3 有限元分析的結(jié)果27-31
• 3.3.4 有限元模型與理論模型分析結(jié)果的比較31-32
• 3.3.5 不同膜層數(shù)對熱應(yīng)力的影響32-34
• 3.4 本征應(yīng)力與殘余應(yīng)力的分布規(guī)律以及其對元件面形的影響34-43
• 3.4.1 等效參考溫度(ERT)模型34-37
• 3.4.2 在ANSYS中使用ERT模型模擬光學(xué)薄膜的殘余應(yīng)力37-38
• 3.4.3 有限元分析的結(jié)果38-42
• 3.4.4 不同膜層數(shù)對多層薄膜殘余應(yīng)力的影響42-43
• 第四章 薄膜應(yīng)力對薄膜屈曲的影響研究43-49
• 4.1 薄膜屈曲的概念43
• 4.2 屈曲模型的力學(xué)分析43-45
• 4.2.1 直線型屈曲43-44
• 4.2.2 圓泡型屈曲44
• 4.2.3 多層膜的直線型屈曲44-45
• 4.3 光學(xué)薄膜屈曲的理論計(jì)算45-46
• 4.3.1 單層薄膜屈曲模型的應(yīng)用45-46
• 4.3.2 多層膜屈曲模型的應(yīng)用46
• 4.4 屈曲模型的有限元模擬46-49
• 第五章 薄膜應(yīng)力控制技術(shù)研究49-60
• 5.1 薄膜應(yīng)力的控制技術(shù)49-54
• 5.1.1 選擇沉積技術(shù)49
• 5.1.2 控制沉積工藝參數(shù)49-50
• 5.1.3 優(yōu)化膜系組合50-51
• 5.1.4 添加應(yīng)力補(bǔ)償層51
• 5.1.5 熱退火處理51-52
• 5.1.6 控制水致應(yīng)力52
• 5.1.7 控制基底應(yīng)力52-53
• 5.1.8 應(yīng)變補(bǔ)償法53-54
• 5.2 薄膜應(yīng)力控制的實(shí)驗(yàn)探究54-60
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)介紹54-55
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)過程55-56
• 5.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論56-60
• 第六章 總結(jié)與展望60-62
• 6.1 本文工作總結(jié)60
• 6.2 展望60-62
• 致謝62-63
• 參考文獻(xiàn)63-66
• 作者簡介66

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