脉冲激光沉积镀膜技术是一种真空物理沉积方法（其核心结构见图1）。当一束高能脉冲激光照射到靶材上时，靶表面材料会被激光所加热、熔化、气化形成烧蚀物，直至变为等离子体，然后等离子体（通常是在气氛气体中）从靶向衬底传输，输运到衬底上的烧蚀物在衬底上凝聚、成核至形成薄膜。通常，整个PLD镀膜过程可分为三个阶段：
图1 PLD核心结构示意图
1、激光与靶材相互作用产生等离子体阶段
激光与靶的作用决定了烧蚀物的组成、产率、速度和空间分布，这也直接影响和决定着薄膜的组分、结构及性能。当激光辐射能量被靶材吸收时，被照射表面被加热温度升高。由于热传导使热量进入物质内部时间较长，导致表面的物质温度持续上升，直到蒸发。蒸气的温度很高，足够使相当多的原子被激发和离化。继续吸收激光辐射，使靶表面出现等离子体，这样靶表面附近形成物态的层状结构，如图2所示。这个层状结构随时间向靶的深处推进，同时在最外层以等离子体状态喷出。实际烧蚀物中还包含众多的原子和分子，以及少量的团簇和微米尺度的液体和固态颗粒物。
图2 激光烧蚀靶材表面的结构示意图
2、等离子体在空间的传输阶段
等离子体形成后，继续吸收激光束的能量，产生进一步电离，使等离子体区的温度和压力迅速提高，等离子体沿靶面法线方向向外作等温（激光作用时)和绝热(激光终止后)膨胀发射。这种高速膨胀发射具有轴向约束性，可形成一个沿靶面法线方向向外的细长的等离子体区，即所谓的等离子体羽辉。在PLD制备薄膜时往往有一定压强的气氛气体存在，因此烧蚀物在传输过程中将经历诸如碰撞、散射、激发以及气相化学反应等一系列过程，这些过程影响和决定了烧蚀物粒子到达衬底时的状态、数量和动能等，从而最终影响和决定了薄膜的晶体质量、结构及其性能。等离子体羽辉随时间的演化见图3示。
图3 等离子体羽辉外形随时间的演化
3、烧蚀物粒子在衬底上沉积阶段
烧蚀物粒子在衬底上成核、长大形成薄膜。薄膜的生长过程直接影响到薄膜的结构以及它的最终性能。图4为薄膜沉积过程中粒子的运动状态及薄膜的生长过程。射向衬底及薄膜表面的原子、分子与表面相碰撞，其中一部分被反射，另一部分在表面上停留。停留在表面的原子、分子，在自身能量及衬底温度所对应的能量作用下，发生表面扩散及表面迁移，一部分落入势能谷底，被表面吸附，即发生凝结过程；一部分粒子甚至发生再蒸发，脱离基片表面。凝结伴随着晶核形成与生长过程，岛形成、合并与生长过程，最后形成连续的膜层。
图4 薄膜的形成过程
本实验为利用脉冲激光沉积方法制备单层薄膜和多层薄膜。要求学生在O2气氛环境下，尝试在K9光学玻璃衬底上镀制ZnO薄膜。学有余力的同学也可以完成MgO、AlN单层膜和多层膜的制备，比较其异同点。
镀制ZnO薄膜中实验操作分为8个模块，33个操作步骤，14个交互步骤。
模块1：制定实验方案， 设计镀膜工艺参数：
a) 激光频率：5Hz（1-30Hz）； 工作电压：21kV；
b) 本底真空度：0.0001Pa（0.1-0.0001Pa）；
c) 工作气压：15Pa（10-20Pa）；气体流量：15ml/min（10-20ml/min）；
d) 衬底温度：400℃、500℃、600℃、700℃；（任选一个）
e) 沉积时间：30min（10-120min）；
备注：括号内为参数的合理范围。
模块2：选择合适靶材，选择适配基片，做好靶位设计。
模块3：设置激光频率，设置工作电压。
模块4：正确使用机械泵分子泵系统控制腔室真空度。使用电离规和热偶规测量腔室内气压。腔室内的本底真空度达到1*10-4Pa。
模块5：研究衬底温度对制膜的影响：调节加热台公转速度提高薄膜的均匀性；调节靶材公转速度，防止靶材开裂提高靶材利用率。
模块6：研究工作气压对制膜的影响：调节气体瓶流量；调节流量计，控制气氛传输速率；调节机械泵旁抽阀，控制腔内气压，研究气压对制膜的影响。
模块7：观察镀膜过程，探索薄膜生长机制。
模块8：薄膜光学性能表征：查看真实实验条件不同温度下制备的ZnO薄膜的透射谱及温度-膜厚曲线，并分析其成因。