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具有超低的表面粗糙度,可最大限度减少散射

 

超精密抛光的光学元件具有亚埃级表面粗糙度,非常适用于精密的激光光学元件应用

 

采用离子束溅射 (IBS) 镀膜作为补充,可用于创建损耗极低的光学元件

 

必须严格控制包括温度、pH 值和浆料输入在内的抛光参数

 

计量技术至关重要,因为亚埃级测量接近设备的本底噪声

若要持续而坚定地在激光系统中实现更高的通量和更低的损耗,需要采用能最大限度减少散射的光学组件,尤其是在使用高功率激光或很短的波长时,更是如此。通过超低的表面粗糙度实现这一点的光学元件通常称为“超精密抛光”的光学元件。虽然爱特蒙特光学® 已经开发了某项流程,可以将光学表面抛光到表面粗糙度 RMS 值小于一埃 (10-10 m)m),从而实现百万分之一级别的散射,但是没有任何行业标准粗糙度可作为认定光学元件是超精密抛光的依据。超精密抛光的光学元件非常适用于敏感的激光应用,例如气体分析的光腔衰荡系统、激光陀螺仪,以及需要低缺陷光学元件的其他系统。这些严格控制的表面采用诸如离子束溅射 (IBS) 等低损耗镀膜技术作为补充。

如何测量亚埃级表面粗糙度?

每部计量设备都有自己的可测量空间频率范围。表面粗糙度测量通常采用三种技术:传统干涉、白光干涉 (WLI) 和原子力显微镜 (AFM)。图 1 展示了这三种技术的重叠空间频率范围。

图 1:常用设备的空间频率范围(展示能力重叠范围)。1

不同的空间频率范围对应于不同类型的表面误差。这些频率组没有明确定义的边界,但人们一般将其理解为涵盖特定的频率范围。传统的氦氖干涉仪显然非常适用于测量与典型泽尼克多项式关联的较低空间频率(也称为面形误差)。这些频率与 WLI 的空间中频略有重叠,但 WLI 更适合测量这种更细微的表面误差(也称为波痕)。在此范围内,误差开始导致散射和性能下降。WLI 和 AFM 都可以测量粗糙度,但是临界空间频率组取决于应用。视觉应用和波长较长的应用一般测量范围低于 2,000 个周期/mm,这种情况下可以使用 WLI。AFM 非常适用于更近地观察表面,在测量 UV 应用所需的空间高频时可能需要使用 AFM。

若使用的仪器空间频率范围较高,通常视场会较小。AFM 可用于直接测量亚埃级表面,但其视场小,敏感度高,因此更适合实验室使用,而不是在生产环境中进行粗糙度测量。凭借 AFM 和 WLI 之间的数据相关性,以及为确保后者实现最高性能而采取的步骤,爱特蒙特光学® 证实 WLI 可以成为生产环境中对超精密抛光表面的亚埃级表面粗糙度 RMS 值进行测量的有效工具。在我们的 SPIE 会议论文集内提供了亚埃级表面粗糙度计量技术的完整详细信息。2

如何制造超精密抛光的光学元件?

传统的递减式光学抛光是重复执行的流程,会使用越来越细的研磨颗粒消除早期的研磨和抛光步骤产生的损伤。不论使用的颗粒有多细,散粒研磨抛光都必然会带来亚表面损伤。表面和表面下的损伤部位将提升表面粗糙度和能量吸收,导致更多的能量散射,同时会产生热量并降低系统效率。散射与表面粗糙度的平方成正比。

但是,爱特蒙特光学所用的光学元件超精密抛光流程将关注点从机械抛光流程转移到浆料、玻璃和抛光盘之间的化学反应,从而完全消除了亚表面损伤。机械操作仅用于在拜尔培层中发生反应时去除基片中的元素。虽然硅玻璃不溶于水,但拜尔培层是在抛光期间形成的硅层,因氢氧根离子的扩散而改变,在形成后,会保护基片不受进一步变化的影响。3

具有亚埃级表面粗糙度的光学元件在创建时使用浸没抛光,其中含浆料的水化抛光盘会保持与光学元件相同的温度。温度与 pH 值受到严格控制,以促进化学反应,而表面张力对污染物构成屏障。4 在我们的SPIE 会议论文集内的另一篇论文中提供了爱特蒙特光学浸没抛光流程发展的完整详细信息。

爱特蒙特光学的超精密抛光光学元件

爱特蒙特光学展示出在熔融石英制造的平面和球面光学元件上可以重复实现亚埃级的超精密抛光表面。在表面上没有可观察到的由制造流程遗留的任何结构,也没有可测量的任何亚表面损伤(表 1)

超精密抛光前的熔融石英光学元件
  P-V (Å) RMS (Å) Ra (Å)
平均 183.42 7.42 5.70
范围 2089.92 18.24 11.19
标准偏差 186.88 2.91 1.82
超精密抛光后的熔融石英光学元件
  P-V (Å) RMS (Å) Ra (Å)
平均 14.24 0.91 0.77
范围 2.26 0.03 0.21
标准偏差 1.14 0.02 0.06
表 1: 已证明浸没抛光将表面粗糙度 RMS 值从 >7Å 降低到 <1Å。在我们的 SPIE 会议论文集内提供了更多详细信息。

在线网络研讨会(英语)

Ultra-Low Surface
Roughness Polishing

To learn more about the fabrication and measurement of superpolished optics, watch our 45-minute on-demand webinar

若要讨论您的应用和需求,请联系我们

超精密抛光表面采用诸如离子束溅射 (IBS) 等低损耗镀膜技术作为补充,因为在巧妙放置这些镀膜时,性能通常会受限于其玻璃基片的粗糙度。若要讨论定制的超精密抛光光学元件或浏览我们的以下现货产品,请联系我们。

IBS镀膜激光反射镜

  • IBS 反射镜镀膜具有低损耗、高反射的特点
  • 在设计波长下可保证的激光损伤阈值高达 15 J/cm2 @ 1064nm
  • 超精密磨光的基片可提供百万分之一级别的水平散射性能
TECHSPEC

超精密抛光的基片

  • 两个表面都经过超精密抛光,表面粗糙度 RMS 值 ≤1Å
  • λ/10 表面平整度,10-5 表面质量
  • 采用具有抛光倒角和边缘的 UV 熔融石英基片
  • 采用内部制造,可实现从 6 至 76.2mm 的定制大小和形状,以及 <0.5Å 的表面粗糙度

参考

  1. Leslie L. Deck, Chris Evans, "High performance Fizeau and scanning whitelight interferometers for mid-spatial frequency optical testing of free-form optics," Proc. SPIE 5921, Advances in Metrology for X-Ray and EUV Optics, 59210A (31 August 2005); doi: 10.1117/12.616874
  2. Shawn Iles, Jayson Nelson, "Sub-angstrom surface roughness metrology with the white light interferometer," Proc. SPIE 11175, Optifab 2019, 1117519 (15 November 2019); https://doi.org/10.1117/12.2536683
  3. Finch, G. Ingle. “The Beilby Layer on Non-Metals.” Nature, vol. 138, no. 3502, 1936, pp. 1010–1010., doi:10.1038/1381010a0.
  4. Jayson Nelson, Shawn Iles, "Creating sub angstrom surfaces on planar and spherical substrates," Proc. SPIE 11175, Optifab 2019, 1117505 (15 November 2019); https://doi.org/10.1117/12.2536689
  5. Peter D. Groot, “The Meaning and Measure of Vertical Resolution in Optical Surface Topography Measurement.” Applied Sciences, 7(1), 54 (5 January 2017) doi:10.3390/app7010054

常见问题

FAQ  爱特蒙特光学能否对熔融石英之外的其它材料进行超精密抛光?
能,在 N-BK7、硅和氟化钙材料上也能实现亚埃级表面粗糙度 RMS 值。
FAQ  若原子力显微镜 (AFM) 能测量最高的空间频率,为什么要使用白光干涉 (WLI) 进行亚埃级表面粗糙度计量?

虽然 AFM 能测量较高的空间频率,并因此能解析较小的细节,但其视场小,对环境因素的敏感度高,所以不适用于在生产环境中进行计量。WLI 已证明能成功测量亚埃级表面粗糙度 RMS 值,同时能避免 AFM 的这些缺陷。2

FAQ  若白光干涉的空间频率上限为大约 1,800 个周期/mm,且该频率在空间领域对应于 556nm 波长,如何测量亚埃级粗糙度 RMS 值?

556nm 波长对应于特定的特征大小,仪器能以合理的保真度对该特征大小进行成像;这是仪器横向分辨率的衡量指标。通常讨论的是垂直分辨率方面的 RMS 限制,它在很大程度上是仪器本底噪声的函数,这与特征大小无关。5

FAQ  在哪里可以详细了解超精密抛光光学元件?

通过阅读我们的 SPIE 会议论文集内有关制造测量这些表面的内容,可以详细了解超精密抛光光学元件。

资源

应用案例

技术信息和应用范例,内容包括理论说明、方程式、图片说明等.

表面损伤
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激光光学计量
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视频

含有丰富信息的企业视频或教学视频,涵盖从简单小贴士到以基于应用的方式来示范产品优点等的内容。

激光光学实验室:简介 
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Metrology at Edmund Optics: Measuring as a Key Component of Manufacturing 
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发表文章

链接到由爱特蒙特光学撰写,发表在行业出版物上的技术文章,由EO的工程团队和管理层提供支持。

"Creating sub angstrom surfaces on planar and spherical substrates" by Jayson Nelson and Shawn Iles - SPIE
阅读  

"Sub-angstrom surface roughness metrology with the white light interferometer" by Shawn Iles and Jayson Nelson - SPIE
阅读  

"Fabrication of ultralow-roughness surfaces: The Beilby layer" by Jayson Nelson and Shawn Iles - Laser Focus World
阅读  

"White-light interferometry resolves sub-Angstrom surface roughness" by Shawn Iles and Jayson Nelson - Laser Focus World
阅读  

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