精密测量物理关键单元技术攻关研究

Laser-based precise measuring system is one of the most important part in the high-precision metrology field. It is the basic and cutting edge measurement technologies for basic science, applications and national defense. Ultra-low loss, low-thermal noise laser coatings are the key components for laser-based precision measurement and are the most critical elements that affect the measurement accuracy. The current research hotspot of ultra-low loss, low thermal noise laser coatings is how to control the optical loss, brownian noise and thermo-optic noise simultaneously. China has rare study achievements in this field, and there is some research reports in this area world-wide, but it is still not deep and thorough, this hampers the further development of the sensitivity of the ultra-precision laser measuring system. Therefore, systematically investigating the basic theories and key technologies of ultra-low loss, low thermal noise laser coatings is crucial for fundamental science and applications. This project will aim at controlling the coating loss and thermal noise simultaneously,take the doped coating manufacture technology as the basic technology, and then deeply probe into the underlying physical mechanism of the relationship between the brownian noise and the atomic structure of the materials, explore the control technique of the optical loss and thermo-optic noise of the doped coatings. With the help of detail study of noise mechanisms, the key technologies such as coating design, ion beam sputtering deposition, postprocessing and characterizing will be improved.This project will promote the development of the ultra-low loss, low thermal noise coatings, and provide key technology support fo the new, advanced and cutting edge ultra-precise laser measuring techniques.

超高精度激光系统是精密测量领域的重要组成部分，是解决国家基础科学、应用和国防领域精密测量重大需求的基础。超低损耗、低热噪声激光薄膜是激光测量系统的核心元件，如何从光学损耗、布朗噪声和热光噪声三方面控制激光薄膜性能是当前精密测量和薄膜光学领域的热点和难点。当前我国在这方面研究极少，国际上虽然提出了元素掺杂薄膜制备的新思路，但研究的系统性和深度还不够，阻碍了激光测量系统性能的进一步提高。因此研究超低损耗、低热噪声激光薄膜的基础理论和关键技术具有重要的科学意义和应用价值。本项目以控制薄膜光学损耗、热噪声为研究目标，以元素掺杂薄膜制备技术为基础，深入挖掘元素掺杂影响薄膜布朗噪声的物理机制，探寻元素掺杂薄膜的光学损耗及热光噪声的控制技术，进而优化完善薄膜设计、离子束溅射、后处理、薄膜特性检测等关键技术，推动我国超低损耗、低热噪声激光薄膜的发展，为精密测量领域的发展提供关键技术支撑。

超高精度激光系统是精密测量领域的重要组成部分，是解决国家基础科学、应用和国防领域精密测量重大需求的基础。超低损耗、低热噪声激光薄膜是激光测量系统的核心元件，如何从光学损耗、布朗噪声和热光噪声三方面控制激光薄膜性能是当前精密测量和薄膜光学领域的热点和难点。因此研究超低损耗、低 热噪声激光薄膜的基础理论和关键技术具有重要的科学意义和应用价值。本项目基于元素掺杂薄膜制备技术，利用多种实验手段对其薄膜损耗、热噪声进行了表征，同时结合理论研究，在元素掺杂薄膜材料、薄膜散射/吸收损耗控制、薄膜热噪声调控方面取得了一系列国际先进的研究成果，主要包括： .1.突破超光滑元素掺杂薄膜制备技术，优化薄膜退火技术，获得了散射~5ppm、吸收~2ppm、反射率达到99.999%的低损耗薄膜。.2.首次提出新型的反射薄膜结构，利用Fabry-Perot腔结构改变薄膜界面电场相位特性，使薄膜总散射降低2-3倍。.3.建立了节瘤缺陷诱导散射的理论模型，利用人工缺陷实验验证了缺陷是影响薄膜散射的重要因素，开发缺陷平坦化技术有效抑制了缺陷对薄膜散射的影响。.4.通过共蒸发技术制备不同元素掺杂HfxSi1-xO2混合薄膜，优化退火技术获得了粗糙度小、吸收小的混合薄膜，并对其机械损耗进行了研究，表明合适掺杂比例能有效降低薄膜机械损耗。.5.实现了不同元素掺杂薄膜热噪声的理论模拟，为薄膜热噪声物理机制的研究奠定了基础。项目组首次提出在薄膜热光噪声匹配的情况下，对薄膜布朗噪声进行优化设计，获得了同时满足热光噪声匹配、布朗噪声低的膜系结构。.研究工作发表Optics Letters(3篇)、Optics Express（1篇）、Applied Optics（2篇）等SCI和EI检索文章10篇。申请国家发明专利3项，其中一项已授权。其中关于薄膜散射的研究工作受邀在光学薄膜领域的国际学术会议Thin Films2018上做邀请报告。培养硕士研究生2名，博士研究生2名。