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溶胶凝胶薄膜的特性研究与天文应用
王烨儒
Subtype博士
Thesis Advisor李新南
2018-06
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral北京
Degree Discipline光学工程
Keyword宽带增透膜 溶胶凝胶 天文望远镜 膜系设计
Abstract
随着地基光学红外望远镜口径的逐渐增大,其光学系统以及终端仪器的透射部件对于增透膜的要求也越来越高,如大视场改正镜、大气色散改正镜、望远镜封窗等透射元件。传统真空介质膜层越来越难以满足大口径增透膜的镀制,特别是包含紫外波段的超宽带增透膜,其光谱性能往往不理想;另外,在膜层均匀性、镀膜性价比等方面也都随着口径的增大而变得不具有实用性。溶胶凝胶法的出现使得这个问题得到解决。

目前,世界上大型地基光学望远镜的透射元件大都达到米级,我国也正在计划建造12m 级的光学望远镜,因此,进行大口径透射元件新型增透膜的研究迫在眉睫。本文是对溶胶凝胶法镀膜在天文领域应用的初步研究,包括膜系设计、溶胶凝胶基本工艺探索,初步掌握了溶胶凝胶的镀膜流程,并成功实现了超宽带多层膜的制备,取得了较为理想的宽带高透过率效果。针对天文望远镜系统对于增透膜光谱性能要求的特殊性,本文首先进行了膜系设计,提出了膜系优化目标,即使目标波段内的透过率最小值达到最大,同时有良好的光谱还原能力。利用膜系设计软件,考察了薄膜光学常数(包括折射率、厚度),膜层数的变化对于薄膜光谱性能的影响,总结了对应于优化目标的膜系优化方法。然后考察了不同增透带宽下最优解的折射率分布特点,找到了相应的初始膜系,为今后相关膜系设计问题提供了优化思路。

另外,针对溶胶凝胶的工艺特点,进行了误差分析,即折射率和膜厚的微小变化对于薄膜透过率的影响。最后,对超低折射率膜层使用的必要性进行了讨论,发现一味地追求低折射率材料并不能使光谱透过率有大的提升,反而由于散射等问题使膜层透过率下降。针对溶胶凝胶的工艺特点,本文展开了详细的研究。简要介绍了溶胶凝胶化学原理和成膜方法。考察了碱催化、酸催化溶胶的理化性质及成膜特性。通过实验发现,溶胶粘度随陈化时间的变长而增大,并与提拉速度一起影响薄膜厚度。碱催化薄膜为多孔结构,折射率低,透过率高;酸催化薄膜结构致密,折射率高,透过率低。不同的后处理温度会影响薄膜的孔隙率,从而改变膜层折射率。各反应物间的配比决定了溶胶粒度大小以及粒径分布,从而直接影响成膜质量。针对碱催化膜机械性能差的特点,对其进行了后处理,一定程度上增强了薄膜耐用性。

最后,实现了超低折射率薄膜的制备,并使其具备了疏水性,进一步提高了膜层实用性。通过酸碱两步法实现了膜层折射率连续可调,为制备任意折射率的膜材料提供了实验基础。在此研究之上,本文成功制备了多层增透膜,包括基于真空介质薄层与溶胶凝胶低折射率膜层的混合薄膜系统,溶胶凝胶两层膜和三层膜,都实现了较好的宽带增透效果。溶胶凝胶两层膜在300nm-1100nm 透过率基本都在98%以上,可见光区高于99%,实验测量值较好地还原了理论设计值。溶胶凝胶三层膜在350nm-1100nm 波段透过率在98.63%以上,平均透过率好于两层膜,但紫外区由于光散射损失严重导致透过率下降较多。事实证明, 对于300nm-1100nm 波段,溶胶凝胶两层或三层膜可以很好地实现宽带增透效果,更多的膜层会因散射损失的增加而使薄膜光谱性能变坏。
Subject Area天文技术与方法
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.niaot.ac.cn/handle/114a32/1478
Collection中国科学院南京天文光学技术研究所_学位论文
大口径光学技术研究室_学位论文
Affiliation南京天文光学技术研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
王烨儒. 溶胶凝胶薄膜的特性研究与天文应用[D]. 北京. 中国科学院大学,2018.
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