随着高功率激光技术的进一步发展,对光学元件的抗损伤性能和环境耐受性提出了越来越高的要求。熔石英表面的亚波长结构由于直接在熔石英基片上进行微纳加工,可以通过微纳结构来调控表面的折射率,以实现各种光学性能。亚波长结构一方面,突破了材料的限制依靠微纳结构可以实现从空气到熔石英折射率之间的任意调控;另一方面,单一的材料体系给熔石英亚波长结构在高功率激光领域的应用赋予了新的内涵。这种单一的材料体系能够有效避免强激光辐照下,膜层之间的物化性能失配,从而大幅度提升光学元件光学性能的稳定性。本文正是在这一背景下提出一整套多种技术方案制备出多种减反射亚波长结构,并系统研究了减反射亚波长结构的抗损伤性能。论文基于严格的矢量衍射理论,建立了周期性亚波长结构的减反射理论分析模型;分析了亚波长结构的各项结构参数,如周期、占空比、高度对减反射性能的影响规律。研究结果表明由于占空比决定了亚波长结构的折射率,所以该参数对减反射效率影响最大。通过优化可以得到最佳的占空比因子为0.56。随着亚波长结构的高度的增加,抗反射波段发生红移现象。当周期逐渐增大时,透射光部分开始出现高阶衍射分量,当周期远小于波长时,周期不影响亚波长结构的抗反射特性。分析了远场透过率和高阶衍射效率与亚波长结构周期之间的关系,研究结果表明当周期小于200nm时,351nm波长的光远场透过率约等于总透过率,透射分量中没有高阶衍射分量。这说明针对351nm的光亚波长结构的周期应该小于200nm。详细分析了亚波长结构各项参数对光场的调控特性。亚波长结构对于光场的调控导致辐照在亚波长结构表面的光发生强弱不同的分布,这种对光场的调控特性可以用于高抗损伤阈值的亚波长结构的设计。分别模拟了 355nm,532nm和1064nm三个波长下亚波长结构对光场的调控情况。结果表明,周期是影响光场调控最重要的参数,当周期小于波长的0.3倍时,周期对光场的影响较小;相同周期的情况下,空气部分的电场强度始终大于亚波长结构区域,随着占空比变小空气中的电场强度越来越小。在实验上,分别基于胶体晶体模板法,热退火模板法和自掩模技术三种技术途径制备了亚波长结构。在胶体晶体模板制备亚波长结构部分,我们研究了二维胶体晶体的自组装机理,在此基础上分析了自组装过程中微球的运动形式,改进了气液界面组装法,分析了气液界面自组装过程中微球粒径,浓度和表面活性剂浓度对自组装质量的影响规律。并在此规律的指导下制备了各种不同粒径的高质量有序的单层胶体晶体模板。分别利用一步法和两步法制备了周期性亚波长结构。在一步法技术路线中,分析了含氟等离子体刻蚀时间对于亚波长结构形貌的影响。以浅刻蚀样品为重点分析了这种一步法制备的锥台形亚波长结构的宽光谱减反射性能和角度对于减反射性能的影响。通过瑞利散射模型分析了该亚波长结构对短波长的光的散射作用。在两步法技术路线中,首先通过氧等离子体刻蚀使聚苯乙烯微球变小,然后通过含氟等离子体刻蚀基片最终得到形貌可控的柱状亚波长结构。研究了氧等离子体对聚苯乙烯微球的刻蚀形貌变化趋势,根据第二章理论模拟设计的结果制备周期性亚波长结构,并研究了周期性亚波长结构的抗反射特性。结合实验和理论分析亚波长结构高度对于光学性能的影响。所得的亚波长结构在300-1400nm范围内,减反射性能优异,双面周期性亚波长结构的最高透过率超过 99%。在热退火模板法制备随机亚波长结构部分。利用常压热退火方法制备纳米级金属随机岛状掩模,然后通过反应离子刻蚀制备了随机亚波长减反射结构。这种常压退火技术主要通过退火温度和纳米金薄膜的厚度两个参数来控制其表面的随机岛状尺寸和分布情况。研究结果显示当纳米金薄膜低于5nm时,掩模太薄而无法有效得保护基片,金岛状掩模结构可能很快被刻蚀掉。而当膜厚超过10nm需要更高的退火温度,常压高温退火会导致表面岛状掩模尺寸的不可控。基于这种技术途径制备的随机亚波长结构在400nm-1100nm波段范围具有优异的抗反射性能,最高透过率超过99%。在自掩模技术制备随机亚波长结构部分,首先研究了等离子体诱导自掩模的成型机理。分析产生草地效应的氟碳聚合物薄膜产生过程中CHF3含量以及刻蚀时间对亚波长结构的影响规律。结合第二章理论分析的结果分析了亚波长结构的光学性能,详细研究了总透过率,透过率,总反射率,反射率之间的关系,以及分析亚波长各项结构参数对上述光学性能的影响。通过优化制备条件,亚波长结构的平均尺寸低至150nm,在紫外351nm抗反射特性优异,最高透过率超过99%。所制备的亚波长结构在整个可见光波段都显示出优异的宽带减反射性能,理论与实验拟合得很好,最大样品尺寸达到4英寸。完成了亚波长结构的制备以后,对比研究了先进缓释工程(AMP技术)处理后的熔石英基片和亚波长结构的损伤性能。其中熔石英基片经过预清洗去除油污杂质缺陷,无机酸沥滤去除抛光再沉积层中的金属杂质,氢氟酸腐蚀钝化亚表面划痕。亚波长结构样品经过预清洗和无机酸沥滤过程。分别利用荧光共焦显微成像技术,Tof-sims元素分析方法分析和表征原始未处理基片,AMP处理基片和亚波长结构样品表面和亚表面的杂质分布情况;利用荧光光谱技术分析三组样品表面的结构性缺陷情况;利用光热弱吸收技术表征三组样品的表面弱吸收情况。研究结果显示AMP基片和亚波长结构表面的金属杂质含量远低于原始样品,但是亚波长结构样品表面的氟碳沉积杂质高于AMP基片;亚波长结构的制备过程中给样品引入了氧空位,非桥接氧等结构性缺陷。对比弱吸收数据发现亚波长结构表面的平均弱吸收水平低于原始样品而高于AMP基片。测试了三组样品的351nm和532nm激光诱导损伤阈值,结果显示亚波长结构的351nm激光诱导损伤阈值低于AMP基片而高于原始未处理基片。而亚波长结构的532nm激光诱导损伤阈值高于AMP基片和原始未处理基片。分别从氟碳聚合物缺陷的引入和亚波长结构光场的调控两个角度分析了亚波长结构351nm和532nm不同的损伤抗损伤性能,验证了亚波长结构提升元件损伤阈值的可行性。论文的创新之处在于基于矢量衍射理论分析不同亚波长结构对351nm,532nm和1064nm三种波长光的光场调控的规律,设计和分析可能具有高损伤阈值的亚波长结构;首次研究亚波长结构制备过程中可能引入的和损伤相关的缺陷种类;利用荧光光谱分析技术,Tof-Sims技术分析这些缺陷的分布情况;基于光热弱吸收建立了缺陷和损伤之间的关系;并利用光场调控的规律分析亚波长结构的损伤性能变化情况;验证了亚波长结构可以提升损伤阈值的可行性。首次系统研究了以熔石英为代表的玻璃材料表面基于氟碳沉积物的自掩模成型机理;突破模板技术的限制,制备了高质量的从紫外到近红外任意波长可调控的抗反射结构;同时获得了超宽光谱的抗反射性能,抗反射谱宽接近700nm,达到国际领先水平;在光栅等非平面结构表面制备了抗反射特性优异的亚波长结构。