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ZrO2具有高折射率、在可见和近红外区域低吸收和色散、宽光学带隙和由此产生的高激光损伤阈值、以及良好的化学和热稳定性等特征，因而作为高折射率膜层材料在高功率激光装置使用的光学薄膜的研制方面具有潜在的应用前景。在目前用于制备ZrO2薄膜的诸多方法中，基于锆醇盐配合-水解-缩聚反应的溶胶-凝胶化学镀膜以其简单的工艺、对膜层结构和性能强大的化学调控能力、合理的经济性以及适于大口径元件镀膜等优势受到特别关注。遗憾的是，特殊应用背景对膜层性能的苛刻要求以及目前在Zr溶胶-凝胶化学认识方面的严重不足成为其广泛应用的极大障碍。
基于对Zr的配位化学及溶胶-凝胶化学的深入研究，本文分别以乙酸(HAc)、一缩二乙二醇(DEG)和二乙醇胺(DEA)为配合剂，采用锆醇盐配合-水解-缩聚法成功地制备了ZrO2溶胶及薄膜。在此基础上，通过原位掺杂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)调变膜层应力，研究了ZrO2-PVP薄膜及ZrO2-PVP/SiO2高反射膜的制备。通过原位杂化制备了ZrO2-TiO2复合薄膜，考察了膜层折射率和损伤阈值对其组成的依赖关系。研究了热处理对ZrO2薄膜结构、光学及抗激光损伤性能的影响作用及相关机理。同时通过系统表征溶胶微结构及薄膜结构与性能，将溶胶合成与改性、溶胶微结构演变以及薄膜结构与光学行为等进行了关联。得出以下主要结论：
1.通过HAc分子中CH3COO-的双齿配合、DEG分子的端羟基亲核取代、以及DEA分子的端羟基亲核取代和氮原子配位作用，三种配合剂都能有效抑制Zr(OPr)4的水解-缩聚过程。因此，采用Zr(OPr)4-HAc-H2O-EtOH-聚乙二醇200(PEG200)、Zr(OPr)4-DEG-H2O-EtOH及Zr(OPr)4-DEA-H2O-EtOH三个反应体系都可以合成稳定的ZrO2溶胶。改变反应体系中配合剂或H2O的量，可以方便地调节配合中间体的水解-缩聚反应活性及H2O分子亲核取代反应发生的几率，从而调控胶体的稳定性与微结构。但由于三种配合剂与Zr(OPr)4的配合作用强弱不同(HAc＜DEG＜DEA)，因而不同配合剂作用下，稳定溶胶所跨越的体系组成范围和溶胶微结构也存在显著差异。
2.通过优化体系组成，从HAc、DEG和DEA作用下的三个溶胶合成体系都可以获得高损伤阈值ZrO2光学薄膜，且随溶胶体系不同，薄膜的折射率和损伤阈值变化不大。ZrO2/SiO2高反射膜的尝试性研究发现，ZrO2和SiO2膜层之间显著的性质和结构差异使其界面应力较高，限制了高反射膜的沉积周期数。此外，由溶胶-凝胶薄膜低堆积密度而引起的ZrO2薄膜的低折射率也成为高反射膜性能提高的制约因素。
3.ZrO2-PVP杂化薄膜的制备研究表明，受Zr-O-Zr无机骨架中残留的DEA配体的影响，适量PVP的引入不会对ZrO2颗粒的形成与生长产生显著影响，因而未能引起膜层折射率和损伤阈值的显著变化。但膜层中均匀分布的PVP柔性大分子链可以有效促进膜层应力松弛，显著改善了高、低折射率膜层之间的应力相容性，从而方便地获得了反射率大于98％的ZrO2-PVP/SiO2近全反射薄膜。
4.ZrO2-TiO2复合薄膜的制备研究表明，随体系Ti含量的增大，膜层的折射率单调递增。但总体而言，膜层的低堆积密度及配合中间体的残留限制了其折射率的提高。然而，溶胶-凝胶薄膜以部分损失折射率为代价使其损伤阈值得到了大幅度提升，溶胶-凝胶TiO2薄膜的损伤阈值可以与物理方法沉积的ZrO2薄膜的损伤阈值相比拟。此外，不同膜层之间光学带隙的显著差异是导致其损伤阈值显著变化的主要原因。
5.通过改变膜层的某些微结构参数，诸如堆积密度、结晶度、结构有序性、以及膜层应力等，热处理会对膜层的光学和抗激光损伤性能产生显著影响。150-750℃的热处理导致膜层中有机残留物氧化分解、膜料晶化及ZrO2的t→m相变，从而引起膜层堆积密度和结构有序性发生变化，使得折射率以550℃为分界呈现先增大后减小的趋势。而逐渐提高的膜层结晶度及可能存在的少量非化学计量化合物缺陷使得膜层光学带隙呈单调下降的趋势。此外，热处理破坏了薄膜的网络状结构，膜层致密化以及不可避免的膜层应力严重削弱了薄膜对激光的承载能力，导致其激光损伤阈值随热处理温度的提高迅速下降。尽管如此，350-550℃热处理后的薄膜仍然表现出较高的激光损伤阈值。