从制备到应用,温度变化贯穿薄膜的整个生命周期,薄膜与基底热力学性能不匹配容易在温度变化过程中导致薄膜失效。特别是在特定高温环境和低温环境下的薄膜应用,如飞行中导弹头罩窗口、飞机窗口需耐受600～1000℃的高温;外空间红外探测光学元件需在-200℃的环境下工作。因此,薄膜与基底的热力学匹配对于薄膜的生产制备以及应用都至关重要。本文的工作目的是研究光学薄膜与基底热力学匹配的机理与方法。从材料的热力学性能、热应力的分布规律、沉积方法的改进三个方面研究了薄膜与基片的热力学匹配。通过热膨胀系数的测量、热应力分布规律的仿真,研究了材料性能对系统匹配的影响,并在此基础上提出了基本的匹配思路。主要工作和结论包括:介绍了薄膜与基底热力学匹配的影响因素,总结了薄膜热力学参数测量的主要方法,探讨了薄膜机械性能匹配的研究思路,并讨论了薄膜应力、附着力和薄膜失效机制之间的关系。为分析多层膜在不同基片上的应力匹配提供理论依据。通过理论分析应力、附着力及断裂能的影响因素,归纳出薄膜与基片的热力学匹配建议。研究可见至近红外常用的高低折射率薄膜材料Ta₂O₅和Si O₂沉积在热膨胀系数差异较大的单晶Si、Zn Se、Ca F₂、熔石英玻璃四种基片上的热应力分布和应力集中,分析相同膜系与不同基底匹配的结果。通过MATLAB理论分析和有限元建模两种方法,分析多层膜在四种基片上的热应力分布。通过分析力矩,讨论Ⅰ型、Ⅱ型裂纹的产生。并讨论了膜层杨氏模量、厚度的变化对薄膜失效的影响。设计建造了基于光谱椭偏仪测量光学薄膜热膨胀系数的实验平台,通过测量加热后的椭偏参数的变化,拟合计算出光学薄膜材料的热膨胀系数。并使用该方法测量了Al₂O₃、Ti O₂、Ta₂O₅、Si O₂、Yb F₃、Zn S六种光学薄膜材料单层样品的热膨胀系数。测量结果表明,薄膜热膨胀系数普遍大于块体材料,且薄膜的热膨胀系数随辅助离子源电压的增大而减小。同时导出了薄膜材料的折射率温度系数,并讨论了单层膜的失效对应的应力状态。统计了可见、红外波段热膨胀系数差异较大的几种薄膜的附着力及应力特性,提出了薄膜与基片间的热力学匹配方案。薄膜是否失效是薄膜本身机械性能、膜系的应力积累、薄膜与基底之间的热应力、附着力匹配以及薄膜与基底之间的相对刚度等多因素共同作用的结果。具体分析讨论了Ti O₂/Al₂O₃红外滤光片、Ta₂O₅/Si O₂可见增透膜、Ti O₂/Al₂O₃三波段物镜减反膜的热力学匹配。讨论了在Ga F₂、FK51、Zn Se、Ba F₂等热膨胀系数较大的基底材料的薄膜匹配。最后,针对红外滤光片光谱透过率在2.76～3.04μm下降显著的问题,综合使用了材料选择、沉积方法改进、不同膜系搭配等方法来讨论该波段带通滤光片的应力匹配及透过率提高。对比了Ti O₂/Al₂O₃、Zn Se/Yb F₃、Ge/Al₂O₃三种材料组合与单晶硅Si基底的匹配,并提出了混合沉积方法。在保证薄膜机械性能的同时,制备了平均透光率为92.2%的红外滤波器。它打破了对红外带通滤波器透过率的力学性能限制,2.76～3.04μm内的光谱透过率提高了12.2%。将该波段透过率由的80%提高至92.2%。