SiO2薄膜由于具有玻璃态或无定形结构特征，分子呈现长程无序、短程有序的网络环形结构，使其不仅在光学透射带内具有极其优异的光学特性，而且还具有优良的热学稳定性、化学稳定性、耐热冲击性能、电绝缘特性，迄今为止SiO2薄膜是紫外至近红外光学薄膜低折射率薄膜材料的最佳选择、高精度激光薄膜的唯一选择，也是开展前沿研究、拓展应用领域和深度都必须面对的基本材料，而离子束溅射是沉积高质量薄膜的首选技术手段之一；因此开展离子束溅射SiO2薄膜光学特性、热力学特性、结构特性及之间的关联性等研究具有重要的科学意义和应用价值。为全面系统地研究离子束溅射SiO2薄膜特性及其在多层膜中的应用，首先系统介绍了离子束溅射技术的特点、发展现状及趋势，然后对SiO2薄膜特性、及其与制备技术的关联性、使役条件下的性能等方面研究进展做了全面分析和比较。并进一步研究了SiO2薄膜光学特性的光谱分析方法、SiO2薄膜应力和热力学特性的表征方法。光学特性是SiO2薄膜最重要的基本特性，首先建立了SiO2薄膜界面及折射率梯度结构物理模型，研究、分析了离子束溅射SiO2薄膜退火过程中折射率变化规律：呈折线变化，不收敛，550℃为拐点；研究了SiO2薄膜折射率和物理厚度的“蠕变”特性：熔融石英基底表面SiO2薄膜呈现单向、幅度约0.003个单位的变化，物理厚度表现极好的稳定性；分析了折射率梯度产生机理，研究并得到SiO2薄膜折射率梯度呈现强烈的表面、基底关联效应特性，时效与基底密切关联、不同组合呈现完全迥异的表现：SiO2-熔融石英组合呈负梯度、时效收敛，SiO2-Si组合呈正梯度、时效稳定。热力学特性是SiO2薄膜的又一重要特性，基于激光干涉法和纳米压痕法等方法，测试、分析并计算得到了膜层应力、密度、质量、弹性模量、硬度、泊松比、热膨胀系数等参数及退火过程中的演变规律。离子束溅射SiO2薄膜应力主要由内应力构成、大小约-800MPa，随退火温度的增加先表现单调下降特性，在450℃温度点达到极小、约为初始值十分之一，随后小幅振荡。为了获得膜层应力特性与光学特性的关联性，研究了退火对膜层密度和质量的影响，得到膜层的应力、密度与折射率的变化趋势相一致，相关系数达到0.9。SiO2薄膜的弹性模量、硬度和杨氏模量等热力学参数与石英材料有着明显的差异，并且并表现出随着退火温度的升高而增大的特性，膜层热膨胀系数在550℃时达到最小值5.22×10-7℃-1。微结构特性是从微尺度、分子尺度表征薄膜特性，这里主要研究表面形貌、分子结构、晶相结构等特性。基于表面轮廓仪和原子力显微镜测量技术，得到SiO2薄膜表面粗糙度在退火过程中表现稳定；采用红外傅里叶光谱的红外振动吸收峰分解方法，研究了不同退火温度对SiO2薄膜分子结构的影响，随着退火温度的增加，SiO2薄膜的微观结构趋向于方石英结构，键角逐渐趋近于120°，短程有序的程度随退火温度增加逐渐增加，在550℃达到最大的短程有序；通过分析羟基和水分子的红外特征吸收峰随退火稳定的变化规律，得到随退火温度的增加，SiO2薄膜中羟基和水分子逐渐减少，450℃及以上完全消失。通过分析不同退火温度条件下SiO2薄膜的XRD衍射图，得到550℃退火温度对应的SiO2薄膜短程有序最大、最近邻原子平均距离最小、与熔融石英基底性能最接近，达到最稳定状态。系统研究了SiO2膜层的基本特性、退火及时效过程中的演变规律后，为进一步拓展膜层的应用领域和深度，本文研究了SiO2作为低折射材料在低损耗高反膜和减反膜中的应用。退火主要影响到高反膜的透射光谱、透射损耗、相移，对散射损耗、表面粗糙度影响较小；减反膜主要受SiO2薄膜的特性影响，当放置一段时间后，其特性会趋于稳定。通过自行设计和加工的低损耗薄膜在线性能测试装置，研究了退火温度对激光输出性能的影响，当谐振腔镜通过550℃退火后，激光输出光强稳定性最好，在工作230小时后，光强仅下降到初始值的90.5%。