溶胶-凝胶镀膜法是目前常用于制备高折射率薄膜的新型技术。与传统物理 气相沉积镀膜法(PVD)相比，溶胶-凝胶法制备的高折射率薄膜具有易于控 制的纳米多孔结构、可调的折射率、较高的激光损伤阈值等优点。此外，溶胶 -凝胶法镀膜设备简单、易于操作，可以在大尺寸以及各种形状不规则的基底 上进行，成本低廉，适合工业化大规模生产。 本论文基于溶胶-凝胶镀膜工艺，研究了二氧化铪(HfO2)以及二氧化锆 (ZrO2)溶胶的制备工艺，探讨了制备过程中的各因素对溶胶性能的影响，成 功制备了具有纳米多孔结构的二氧化铪(HfO2)以及二氧化锆(ZrO2)高折射 率薄膜，对高折射率薄膜的微结构和特性进行了表征，实现了高折射率薄膜的 性能改进和制备工艺优化。在采用膜系设计软件进行理论设计的基础上，探索 研究高折射率薄膜在全介质多层反射膜中的应用。 论文第1章介绍了本研究工作的研究背景、意义和现状，介绍了溶胶-凝 胶技术的历史发展、化学过程、影响因素、优势和不足以及主要应用，并重点 介绍了几种常用的溶胶-凝胶镀膜工艺的原理、操作和应用现状。 论文第2章首先介绍了水热法制备HfO2以及ZrO2溶胶主要化学反应机理。 结合激光粒度分析仪以及透射电子显微镜，本章着重研究了水热合成工艺参数 包括合成时间、温度、pH值、高压釜的填充度以及前驱体浓度对溶胶形貌的影 响，获得了采用水热合成法制备稳定的HfO2以及ZrO2溶胶优化工艺参数。通过 对优化工艺条件下制备的溶胶进行颗粒度的表征，探讨了溶胶在长期贮存中的 稳定性。通过分馏工艺，成功将HfO2以及ZrO2水溶胶的溶剂替换乙二醇甲醚， 降低了溶胶溶剂的表面张力。接着，本章介绍了以有机盐为前驱体制备ZrO2溶 胶的溶胶-凝胶工艺，分析了有机法制备的ZrO2溶胶的反应机理，对溶胶进行了 表征和稳定性分析。 论文第3章详细介绍了溶胶-凝胶法制备高折射率薄膜的工艺流程，重点 分析了高折射率薄膜的理化特性。结合反射式扫描椭偏光谱仪以及红外分光光 度计，分析了镀膜工艺、有机粘结剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的添加以及热处理 工艺对HfO2以及ZrO2薄膜折射率的影响，成功实现高折射率薄膜折射率的调 节。通过对HfO2以及ZrO2干凝胶粉体进行热失重分析与晶态分析，获得了薄膜 合理的热处理温度。结合采用原子力显微镜对HfO2和ZrO2薄膜进行表面形貌表 征，研究薄膜后处理工艺以及有机粘结剂的添加对薄膜表面形貌的影响，获得 了表面粗糙度Ra低于1nm的高折射率薄膜。通过研究有机粘结剂的添加、无机 材料复合、热处理工艺以及紫外辐照对高折射率薄膜抗激光损伤性能的影响， 获得了提高高折射率薄膜激光损伤阈值的有效途径，成功制备了激光损伤阈值 超过40J/cm2(1064nm/10ns)的HfO2和ZrO2薄膜。最后，形成了溶胶-凝胶 工艺制备HfO2高折射率薄膜的一般标准，为进一步大规模工业化量产奠定了基 础。 论文第4章以多层高反膜的膜系理论为基础，利用软件Essential Macloed对 光学多层介质反射膜作了理论设计：用packing density的概念模拟了多孔薄膜， 实现了材料折射率的可调节；利用反射率增幅分析与膜层制备难度分析Relative Sensitivity来选择理想的膜系设计；通过计算分析了传统的四分之一波长膜系的 光学特性，包括薄膜的反射率曲线，膜层的驻波场分布，入射角变化对膜层反 射率曲线的影响，镀膜过程中的随机误差对膜层反射率曲线的影响；通过计算 分析了非四分之一波长膜系的光学特性，包括高折射率膜层的光学厚度对薄膜 反射带分布的影响，对膜层驻波电场的分布的影响。 论文第5章对化学法制备多层反射膜的工艺进行了探索。通过镀膜工序以 及热处理方式的优化，制备中心波长处反射率为98.5％的HfO2/SiO2多层反射膜。 通过改善热处理工艺、溶剂替换以及紫外光修饰等手段改善了多层反射膜的特 性。研究了不同高、低折射率膜层匹配以及膜层叠加对多层反射膜性能的影响。 最后，针对HfO2/SiO2多层反射膜与ZrO2/SiO2多层反射膜试验曲线与理论曲线 的差异，采用膜系设计软件Essential Macloed分别建立模型模拟膜层收缩、膜层 折射率变化以及膜层相互渗透对多层反射膜反射率曲线的影响，证明应对理想 的理论模型进行修正后设计膜堆结构，为化学法镀制多层膜提供合理的理论依 据。 论文第6章为本工作的总结与展望，对工作的主要结论、主要创新点和进 一步工作方向进行了简要的讨论。 关键词：溶胶-凝胶法，水热合成，二氧化铪，二氧化锆，高折射率薄膜，膜 系设计，多层反射膜