光学薄膜应力的分布与控制研究

发布时间：2017-10-19 20:40

  本文关键词：光学薄膜应力的分布与控制研究

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【摘要】：光学薄膜元件是激光系统中的重要部件。光学薄膜中的残余应力对元件的性能和稳定性有着巨大的影响,因此必须对薄膜应力进行严格的控制。本文研究了薄膜应力的产生机制、薄膜应力的分布规律和对薄膜元件面形的影响、薄膜应力对薄膜屈曲的影响以及薄膜应力的控制技术。首先讨论了薄膜本征应力产生机理的理论模型,提出了一个新的多层薄膜热应力的理论计算公式。该公式中包含三个可以顺序求出的参数且它们的解析式非常简洁。当膜层厚度远小于基底厚度时,可以得到一个更加简单的近似解。然后研究了光学元件中光学薄膜应力的分布规律以及其对元件面形的影响。主要研究内容包含采用TFCalc软件设计了典型的HfO2/SiO2光学多层高反射膜；利用有限元方法对设计的HfO2/SiO2多层膜的热应力、本征应力和残余应力的分布规律和对元件面形的影响进行了模拟分析,热应力的有限元结果和理论公式得到的结果相一致：研究了不同膜层数对HfO2/SiO2多层膜热应力和残余应力的影响。结果表明：随着膜层数的增多,Si02层和HfO2层内的热应力均呈减小趋势,SiO2层内的残余压应力呈略微增大的趋势,而HfO2层内的残余拉应力呈略微减小的趋势。本论文还研究了薄膜应力对薄膜屈曲的影响。使用屈曲理论模型和ANSYS有限元模拟两种方法对HfO2/SiO2多层膜中的残余应力与屈曲的关系进行了分析,结果表明两者结果吻合得很好。在模拟的残余应力条件下,多层膜初始脱粘区的临界半宽在148-149μm左右。最后对薄膜应力的控制技术进行了研究.并对其中的一些控制方法进行了实验验证。实验结果表明：镀膜前对石英基底进行热退火对其表面面形的影响不大,说明在该种处理条件下,实验所用的基底的预应力是稳定的；选择合适的温度进行热退火可以改善Si02薄膜的残余应力；Si02薄膜的残余应力随在空气中存放时间的增加,表现出向拉应力演变的趋势,样品面形向凹陷方向变化。
【关键词】：光学薄膜 残余应力 有限元分析 屈曲 应力控制
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN24
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-11
• 1.1 光学薄膜应力研究的背景和意义8
• 1.2 国内外研究现状8-9
• 1.3 论文主要工作9-11
• 第二章 光学薄膜应力的理论研究11-21
• 2.1 薄膜应力的分类11
• 2.2 薄膜应力的产生机制11-18
• 2.2.1 热应力11-14
• 2.2.2 本征应力14-18
• 2.3 薄膜应力测量方法18-21
• 第三章 薄膜应力的分布规律以及其对元件面形的影响研究21-43
• 3.1 有限元方法21-22
• 3.1.1 有限元法简介21
• 3.1.2 有限元分析工具软件ANSYS21-22
• 3.2 膜系的设计22-24
• 3.2.1 多层介质高反射膜设计理论22-23
• 3.2.2 高反射膜材料的选择23
• 3.2.3 高反射膜系的设计结果23-24
• 3.3 热应力的分布规律以及其对元件面形的影响24-34
• 3.3.1 有限元模型的建立24-26
• 3.3.2 网格划分与载荷施加26-27
• 3.3.3 有限元分析的结果27-31
• 3.3.4 有限元模型与理论模型分析结果的比较31-32
• 3.3.5 不同膜层数对热应力的影响32-34
• 3.4 本征应力与残余应力的分布规律以及其对元件面形的影响34-43
• 3.4.1 等效参考温度(ERT)模型34-37
• 3.4.2 在ANSYS中使用ERT模型模拟光学薄膜的残余应力37-38
• 3.4.3 有限元分析的结果38-42
• 3.4.4 不同膜层数对多层薄膜残余应力的影响42-43
• 第四章 薄膜应力对薄膜屈曲的影响研究43-49
• 4.1 薄膜屈曲的概念43
• 4.2 屈曲模型的力学分析43-45
• 4.2.1 直线型屈曲43-44
• 4.2.2 圆泡型屈曲44
• 4.2.3 多层膜的直线型屈曲44-45
• 4.3 光学薄膜屈曲的理论计算45-46
• 4.3.1 单层薄膜屈曲模型的应用45-46
• 4.3.2 多层膜屈曲模型的应用46
• 4.4 屈曲模型的有限元模拟46-49
• 第五章 薄膜应力控制技术研究49-60
• 5.1 薄膜应力的控制技术49-54
• 5.1.1 选择沉积技术49
• 5.1.2 控制沉积工艺参数49-50
• 5.1.3 优化膜系组合50-51
• 5.1.4 添加应力补偿层51
• 5.1.5 热退火处理51-52
• 5.1.6 控制水致应力52
• 5.1.7 控制基底应力52-53
• 5.1.8 应变补偿法53-54
• 5.2 薄膜应力控制的实验探究54-60
• 5.2.1 实验介绍54-55
• 5.2.2 实验过程55-56
• 5.2.3 实验结果与讨论56-60
• 第六章 总结与展望60-62
• 6.1 本文工作总结60
• 6.2 展望60-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-66
• 作者简介66

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