高精密光学系统对光学薄膜的光学和力学等性能的要求日益提高。光学元件在满足高的光谱特性、超低吸收率和散射损耗的同时,还要求其镀膜后保证高的面形精度以及高的环境稳定性。离子束溅射技术由于其工作性能稳定,所制备的薄膜的光学和力学性能优良等优点,是目前光学薄膜最主流的制备技术并被广泛应用于高精密光学薄膜制备中。但是,该技术的缺点是所制备的薄膜通常具有高的压应力,导致光学元件在镀膜后产生大的应力形变,更严重的是随着薄膜层数的增加,在膜层中积累的应力会导致薄膜出现翘曲、龟裂、脱落等失效现象。因此,系统研究离子束溅射沉积光学薄膜的应力特性和应力形变控制技术具有重要的理论意义和工程应用价值。本论文研究了在离子束溅射镀膜过程中氧流量和成膜方式对Ta2O5、SiO2薄膜光学与应力特性的影响规律,表征了退火热处理后Ta2O5薄膜应力状态反转以及SiO2薄膜应力线性变化的规律性;基于Ta2O5、SiO2薄膜在不同退火温度下的应力演变规律,提出利用SiO2薄膜应力精确控制大曲率石英元件曲率半径的方法,并建立了 Ta2O5/SiO2多层膜应力控制模型;提出了基于宽波段复杂膜系的膜厚监控策略以及膜厚均匀性修正的优化模型;成功实现了大口径光学元件上Ta2O5/SiO2多层膜的应力形变控制。本论文的主要结论如下:1.在Ta2O5镀膜过程中通过调节氧流量可有效地降低薄膜吸收率且Ta205成膜后具有高的环境稳定性,随后的退火热处理可明显地调控Ta2O5薄膜的应力状态。氧流量的减小增大了薄膜的沉积速率,并导致薄膜表面粗糙度增大。在20 μm膜厚范围内,应力形变与Ta2O5薄膜厚度近似呈线性关系。经60天室温环境下的时效测试,Ta2O5薄膜应力稳定、无释放。退火热处理影响Ta2O5薄膜的应力状态、光学特性和薄膜结构,随着退火温度的升高,Ta2O5薄膜压应力减小,当温度为591 K时,薄膜应力开始由压应力状态转变为张应力状态,出现应力反转,且张应力随着退火温度的升高而变大。同时,随着退火温度升高,薄膜光学厚度增加,折射率减小,表面粗糙度变大,表面元素化学计量比更加趋于理想化学计量比。退火温度继续升高到933 K时,Ta205薄膜结构由无定形态向六方相转变。2.在SiO2镀膜过程中成膜方式可以明显改变其微观结构、光学和力学特性且Si02成膜后具有高的环境稳定性,随后的退火热处理可以明显地降低Si02薄膜的应力。直接溅射SiO2靶制备的SiO2薄膜表面粗糙度更低,压应力更小。在30 μm膜厚范围内,应力形变与SiO2薄膜厚度近似呈线性关系。经60天室温环境下的时效测试,Si02薄膜应力稳定、无释放;退火热处理影响SiO2薄膜的应力状态、光学特性和薄膜结构,随着退火温度的升高,SiO2薄膜的压应力线性减小,但SiO2薄膜一直处于压应力状态,没有出现应力反转。基于SiO2薄膜在不同退火温度下的光学与应力特性的变化规律,提出利用SiO2薄膜应力精确控制大曲率石英光学元件曲率半径的方法。利用上述方法可以将石英元件曲率半径的精度提高至0.2%,且折射率接近于石英基底体材料,保持了良好的光学特性。3.基于Ta2O5、SiO2薄膜在退火热处理后的应力演变规律,建立了 Ta2O5/SiO2多层膜应力控制模型,利用该模型可以有效降低多层膜应力形变,进一步结合Ta2O5和SiO2周期数对元件应力形变影响的规律,引入膜堆周期数应力修正因子修正了 Ta2O5/SiO2多层膜应力控制模型,通过调控Ta2O5和SiO2薄膜膜层厚度比,实现了非规整高反膜系的应力形变控制。针对单点工作波长膜系,为不改变其中心波长的光谱特性,提出引入光学薄膜理论中“虚设层”的概念优化多层膜应力控制模型,实现了高反射膜系的面形控制。针对宽波段复杂膜系,在不影响工作波段光谱特性的前提下,提出引入“缓冲层”优化多层膜应力控制模型,使得多层膜在退火热处理之后增加了薄膜张应力变量,实现了增透膜系的面形控制。4.在宽光谱膜厚监控技术监控复杂膜系沉积过程中,提出了宽光谱监控、时间监控相结合以及波长间接监控的监控策略,可以有效减小膜层厚度误差,提高膜系的成品率。利用宽光谱监控和时间监控相结合的监控策略,以宽光谱膜厚监控技术监控敏感膜层并结合时间监控法监控超薄层以及折射率匹配层的方式实现了薄膜敏感层、超薄层以及折射率匹配层的精确监控;利用宽光谱波长间接监控策略,以宽光谱膜厚监控系统的监控波长间接监控复杂膜系的膜层厚度的方式实现了宽波段复杂膜系的波长间接监控,所制备的膜层厚度产生的随机误差较低。通过引入实际遮挡弧长修正因子对多层膜厚度均匀性的修正模型进行了优化,提高了膜厚均匀性修正效率和精度,利用该优化模型实现了360 mm直径工件盘上薄膜厚度均匀性优于±0.1%。