本文關(guān)鍵詞：寬帶增透二氧化硅光學(xué)薄膜的納米結(jié)構(gòu)與光學(xué)性能研究

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【摘要】：增透膜能夠減少光的反射,增加光的透射,廣泛用于各種光學(xué)系統(tǒng)中。增透膜的應(yīng)用不僅能夠增強(qiáng)光的利用效率,而且還能夠提高光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)質(zhì)量。透過率是增透膜最重要的性能指標(biāo),透過率包括峰值透過率和透過率帶寬兩個方面。目前已能夠制備峰值透過率接近100.0%的增透膜,但是增透膜的增透帶寬還需要提高,即寬帶增透膜。影響膜層透過率的關(guān)鍵因素是膜層的折射率和膜層厚度。主要設(shè)計(jì)和制備寬帶增透膜,試圖通過對膜層結(jié)構(gòu)與性能的表征,研究膜層結(jié)構(gòu)與光學(xué)性能之間的關(guān)系。本論文主要研究了三種增透膜,分別為單層增透膜,多層增透膜和折射率漸變增透膜。采用TFCacl光學(xué)膜層軟件設(shè)計(jì)了單層增透膜的透過率曲線,考察了膜層折射率和厚度對膜層透過率的影響。膜層折射率不是越小越好,也不是越大越好。膜層折射率與基片折射率匹配時才最好。在折射率為1.44的光學(xué)基片上,膜層的折射率為1.20時透過率最好。此時,膜層的峰值透過率可達(dá)到100%,透過率的帶寬也較寬。當(dāng)膜層折射率偏離1.20時,膜層峰值透過率降低,透過率帶寬也相應(yīng)減小。因此,要實(shí)現(xiàn)單層寬帶增透,膜層的折射率應(yīng)與基片完全匹配,盡量提高膜層的峰值透過率。當(dāng)膜層折射率與基片匹配時,膜層厚度對膜層峰值透過率沒有影響,但對膜層峰值透過率的位置和增透帶寬有影響。采用溶膠-凝膠技術(shù)在熔石英基片上制備了單層增透膜,研究了膜層厚度對膜層透過率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬一致。研究了提拉鍍膜工藝對膜層厚度,折射率和透過率的影響。鍍膜工藝中的提拉速度主要影響膜層的厚度,對折射率影響較小,因此,提拉速度對峰值透過率影響較小,主要影響峰值透過率的位置和增透帶寬。采用多種技術(shù)手段研究了膜層的微觀結(jié)構(gòu)。膜層由二氧化硅納米粒子堆積成,膜層中存在大量的孔隙,因而折射率較低。多孔膜容易吸附環(huán)境中的污染物而透過率下降,環(huán)境穩(wěn)定性差。為了提高膜層的穩(wěn)定性,制備了氟硅烷改性的二氧化硅薄膜。氟硅烷改性薄膜的制備方法為在溶膠制備過程中加入氟硅烷,使氟硅烷原位嫁接到膜層表面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,氟硅烷改性的二氧化硅薄膜具有較好的抗油污染效果。在多層膜的研究中,研究了雙層增透膜和三層增透膜。多層增透膜的透過率主要由膜層折射率和厚度決定。通過調(diào)節(jié)多層增透膜中各層的折射率和厚度,可以調(diào)節(jié)膜層的透過率。理論設(shè)計(jì)上,雙層增透膜由內(nèi)層膜和外層膜構(gòu)成,內(nèi)層膜的折射率和厚度分別為1.26和98.2nm,外層膜的折射率和厚度分別為1.14和106.4nm。雙層增透膜具有寬帶增透的特點(diǎn),在300nm至1100nm波段范圍內(nèi)透過率均高于98.0%；膜層在351nm和800nm處的峰值透過率可達(dá)99.8%以上。三層增透膜由內(nèi)層,中層和外層堆積而成,內(nèi)層膜的折射率和厚度分別為1.30和106nm,中層膜的折射率和厚度分別為1.20和115nm,外層膜的折射率和厚度分別為1.10和125nm。三層增透膜寬帶增透的效果較雙層膜好。三層膜在351nm至1100nm波段范圍內(nèi)的透過率均高于99.5%。三層增透膜在351nm,527nm和1053nm處的透過率均高于99.8%。但在實(shí)際的制備過程中,并不能制備出與理論設(shè)計(jì)完全一致的多層膜。這主要是因?yàn)槟拥膶訑?shù)越多,制備工藝越復(fù)雜,制備出來的膜層與設(shè)計(jì)的膜層參數(shù)差異較大。這也說明溶膠-凝膠技術(shù)在多層膜的制備上具有一定的挑戰(zhàn)性。雙層增透膜的實(shí)驗(yàn)透過率與理論設(shè)計(jì)的透過率基本一致,僅略有差別。三層增透膜的實(shí)驗(yàn)透過率與理論設(shè)計(jì)的透過率相差更大。雖然三層增透膜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的整體趨勢一致,但是兩條曲線已經(jīng)不能重合。三層增透膜在351nm處的峰值透過率僅為98.9%,遠(yuǎn)低于理論設(shè)計(jì)的100.0%,也低于雙層增透膜的99.8%。這說明膜層越厚,膜層中的納米粒子越多,對光的散射越大,膜層的透過率也相應(yīng)的越低。多層增透膜同單層增透膜一樣,疏松多孔,能夠吸附環(huán)境中的污染物而透過率下降,環(huán)境穩(wěn)定性差。為了提高膜層的環(huán)境穩(wěn)定性,對雙層增透膜采用聯(lián)合蒸汽處理的方法進(jìn)行處理。處理后膜層的環(huán)境穩(wěn)定性顯著提高。但是膜層在環(huán)境中依然有透過率下降的現(xiàn)象。這說明多孔膜本質(zhì)上吸附性強(qiáng),只能降低多孔膜的吸附性,而不能消除多孔膜的吸附性。采用折射率漸變控制技術(shù)制備了折射率漸變二氧化硅光學(xué)薄膜。折射率漸變膜層的制備方法為：在溶膠一凝膠二氧化硅膜層中引入熱敏高分子,熱敏高分子作為造孔劑,在熱處理后分解,能夠在膜層中留下大量微孔。微孔是刻蝕劑與膜層作用的活性點(diǎn),然后采用定向蝕刻技術(shù)對膜層的微孔孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾,使得膜層孔隙率在厚度上連續(xù)可控而實(shí)現(xiàn)膜層折射率連續(xù)漸變。理論設(shè)計(jì)表面,折射率漸變膜層在300至1100nm范圍內(nèi)的透過率均大于99.5%。但實(shí)驗(yàn)制備的膜層在400nm至1100nm范圍內(nèi)透過率僅大于98.5%,在400nm處的峰值透過率達(dá)到99.7%,在900nm處的峰值透過率達(dá)到99.8%。實(shí)驗(yàn)制備膜層的透過率與理論設(shè)計(jì)的透過率仍然存在一定的差距。這種差距可能是由于膜層是多孔膜,折射率沒有完全與理論設(shè)計(jì)的一致,且膜層為多孔膜,存在光的散射。而理論設(shè)計(jì)的膜是理想的光學(xué)薄膜,折射率按照函數(shù)關(guān)系變化,沒有光的吸收和散射等。系統(tǒng)的研究了刻蝕工藝各參數(shù)對膜層透過率的影響。通過調(diào)節(jié)膜層厚度,刻蝕時間等參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)膜層透過率的調(diào)節(jié)。熱敏高分子造孔劑對膜層透過率的影響很大,在沒有添加造孔劑的情況下,膜層不能實(shí)現(xiàn)寬帶增透的效果。采用多種技術(shù)手段表征了各個工藝階段膜層的微觀形貌和光學(xué)性能。熱處理后,造孔劑的分解能夠在膜層中留下少量的孔,但是這種孔不足以造成膜層折射率和透過率的顯著變化。膜層微觀結(jié)構(gòu)的變化主要發(fā)生在蝕刻階段。由于蝕刻在厚度上的選擇性,蝕刻后膜層的孔隙率在厚度方向上發(fā)生分布,使得膜層在折射率也發(fā)生分布,形成寬帶增透的效果。通過多種膜層的設(shè)計(jì)、制備和性能表征表明,膜層的透過率主要由膜層的折射率和厚度決定,而膜層的折射率和厚度受膜層微觀結(jié)構(gòu)的影響�？刂颇游⒂^結(jié)構(gòu)是控制膜層光學(xué)性能的關(guān)鍵。
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O484.41

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1 學(xué)步;;用于高功率激光器的遞變折射率增透表面[J];激光與光電子學(xué)進(jìn)展;1981年04期

2 ;實(shí)現(xiàn)寬帶高增透的一種組合方法[J];光學(xué)工藝;1975年03期

3 胡必祿;單層增透、增反膜條件的一種簡明推導(dǎo)方法[J];安康師專學(xué)報(bào);1992年Z1期

4 胡必祿;;單層增透、增反膜條件的一種簡明推導(dǎo)法[J];教材通訊;1993年03期

5 吳濱江;馬明春;康桂蘭;;氯化鉀增透防潮膜的研制[J];光電子.激光;1988年02期

6 褚沉,王輝,徐新民,應(yīng)萱同,沈元華;金剛石紅外增透保護(hù)膜的研制及特性擬合[J];光學(xué)儀器;1996年05期

7 喬喚興;;增透膜厚度的新推演[J];物理與工程;1990年Z1期

8 ;用化學(xué)法增透激光晶體[J];激光;1975年02期

9 喬喚興;增透膜厚度的阻抗匹配法推導(dǎo)[J];大學(xué)物理;1991年05期

10 陳吳玉婷;韓鵬昱;Lin Shawn-Yu;張希成;;具有緩變折射率的太赫茲寬帶增透器件[J];物理學(xué)報(bào);2012年08期

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1 朱嘉琦;;紅外增透保護(hù)薄膜的研究及應(yīng)用[A];中國真空學(xué)會2012學(xué)術(shù)年會論文摘要集[C];2012年

中國重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 本報(bào)記者 譚川江;草花：一減一增透風(fēng)向[N];中國花卉報(bào);2014年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 王耀鋒;三維旋轉(zhuǎn)水射流與水力壓裂聯(lián)作增透技術(shù)研究[D];中國礦業(yè)大學(xué);2015年

2 辛新平;煤層井下水力增透理論及應(yīng)用研究[D];河南理工大學(xué);2014年

3 晏良宏;寬帶增透二氧化硅光學(xué)薄膜的納米結(jié)構(gòu)與光學(xué)性能研究[D];中國工程物理研究院;2016年

4 尚鵬;耐高溫窗口增透技術(shù)研究[D];中國科學(xué)院研究生院（光電技術(shù)研究所）;2015年

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1 趙源;本煤層水力壓裂及增透范圍研究[D];重慶大學(xué);2015年

2 王小斌;尼龍6的增韌增透改性及性能研究[D];華南理工大學(xué);2016年

3 吳智雄;紅外窗口用藍(lán)寶石晶體Y_2O_3/SiO_2增透薄膜的設(shè)計(jì)與制備研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2009年

4 王大興;氟化鎂基底3～5μm紅外增透保護(hù)膜的研究與制備[D];長春理工大學(xué);2014年

5 張笑難;深部高瓦斯低透煤層水壓致裂強(qiáng)化增透技術(shù)與應(yīng)用[D];安徽理工大學(xué);2014年

6 胡鑫;底板裝藥爆破在煤層增透中的應(yīng)用[D];安徽理工大學(xué);2015年

7 史寧;高壓空氣沖擊煤體增透技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究[D];遼寧工程技術(shù)大學(xué);2011年

8 劉歡歡;低滲透性煤層氣解吸機(jī)理及增透效果試驗(yàn)研究[D];內(nèi)蒙古科技大學(xué);2015年

9 秦國雙;氧化鉿為過渡層生長藍(lán)寶石紅外窗口增透保護(hù)膜的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

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