CN109852930B - 一种补偿中口径介质膜平面反射镜镀膜形变的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种补偿中口径介质膜平面反射镜镀膜形变的方法，根据薄膜应力与变形关系式Stoney公式，首先通过分析小口径样片镀膜后应力及变形情况，预测在相同工艺条件镀膜后中口径平面反射镜面形变化；然后通过对中口径平面反射镜镀膜面预加工出与变形方向相反的面形，来补偿镀膜后膜层应力造成的基片变形，最后完成中口径介质膜平面反射镜膜层的沉积。采用本发明的补偿方法制作的中口径介质膜平面反射镜具有单面镀膜面形可控，工艺可操作性强，成品率高等优点。

Description

一种补偿中口径介质膜平面反射镜镀膜形变的方法

技术领域

本发明涉及光学薄膜技术领域，具体指一种补偿中口径介质膜平面反射镜镀膜形变的方法。

技术背景

伴随着激光技术、光电探测技术以及航天遥感技术的发展，星载激光测高仪在深空探测、地表地征探测以及大气三维探测等领域获得了广泛的应用。中口径介质膜平面反射镜一般指口径100～300mm的反射镜，其主要功能是实现光信号高效传递，具有反射率高，损耗低，抗激光损伤阈值高等优点，因此在星载激光测高仪系统中得到重要应用。

中口径介质膜平面反射镜面形精确控制是星载激光测高仪系统研制亟需解决的关键技术之一，其控制水平直接影响了探测系统测距的分辨率和精度。从薄膜的角度来看，影响中口径介质膜平面反射镜面形精度的主要因素是薄膜应力。介质膜反射镜是建立在多光束干涉基础上的，由高、低折射率材料交替镀制而成。一般情况下，介质膜反射镜要达到反射率99％以上的要求，高、低折射率材料往往需要镀制十多层甚至几十层，膜层中的应力会导致的基片和薄膜系统形变，使镜面面形变化，进而使传输的波前畸变，严重影响系统的光束质量和探测性能。此外，反射镜膜层应力过大还可能导致薄膜损伤、破裂，使反射镜受到破坏，影响系统的可靠性与稳定性。

目前在光学镀膜元件面形控制的方法中，通常采用双面镀膜，以达到双面应力匹配平衡的效果。即，在光学基片的非功能面(背面)镀制与功能面(正面)具有基本相同物理厚度的膜层，该膜层与功能面膜层具有相同的应力状态，故而可以将正面膜层应力产生的基片变形抵消，进而实现薄膜元件面形的修正。但是，当镀膜基片背面不允许镀膜来平衡应力的时候，会限制该方法的使用；同时，背面膜层的镀制需要一定工序，会导致研制效率降低。在中口径介质膜平面反射镜研制过程中，产品既要求对基片单面镀膜，又要保证高面形精度，若采用调整工艺条件以及反复抛光基片的方法，无疑会大大增加产品研制成本。因此，如何使中口径介质膜平面反射镜单面镀膜后基片不产生形变，从而实现对反射镜面形精确控制，并且有效降低产品研制成本，成为了高面形精度光学薄膜产品研制过程中亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种补偿中口径介质膜平面反射镜镀膜形变的方法，该方法具体是指，根据薄膜应力与变形关系式Stoney公式，结合小口径基片镀膜后应力及变形情况，预测出镀膜后中口径介质膜平面反射镜面形变化，然后通过对基片镀膜面预制面形，来抵消镀膜后膜层应力造成的基片变形，从而实现对中口径介质膜平面反射镜面形精确控制，以解决介质膜反射镜因膜层应力过大而导致表面变形的技术难题，确保中口径介质膜平面反射镜面形精度满足激光测高仪系统应用要求。

本发明所述的一种补偿中口径介质膜平面反射镜镀膜形变的方法如图1所示，具体步骤如下：

(1)在具有相同径厚比的小口径样片上，采用电子束蒸发或离子束溅射工艺方法镀制相同介质反射膜层。

(2)测量小口径样片镀膜后的变形情况，得到样片镀膜前后的曲率变化；根据薄膜应力与变形关系式Stoney公式，确定介质反射膜层应力σ，计算公式为：

其中：E_s为小口径基片杨氏模量，υ_s为小口径基片泊松比，t_f为介质反射膜层厚度，t_s为基片厚度，R₁与R₂分别为镀膜前后基片的曲率半径。

(3)结合小口径样片镀膜后应力及变形情况，根据Stoney公式，预测在相同工艺条件镀膜后中口径介质膜平面反射镜面形变化；所述的反射镜面形变化为中口径基片镀膜面在镀膜前后矢高变化ΔPower；

(4)对中口径基片镀膜面预先加工出矢高为-ΔPower的面形，基片镀膜面曲率半径R可由公式

求出,其中，其中：D_s为基片直径，h为基片矢高Power；所述基片镀膜面去完离焦之后面形PV值应优于中口径介质膜平面反射镜面形精度指标要求。

(5)在相同镀膜工艺条件下，完成中口径介质膜平面反射镜膜层的沉积，输出成品。

本发明的一种补偿中口径介质膜平面反射镜镀膜形变的方法具有以下几个方面的优点：

1)本发明所述的补偿介质膜平面反射镜镀膜形变的方法，根据Stoney公式，结合相同镀膜条件小口径基片应力与变形情况，可以准确预估中口径介质膜平面反射镜镀膜后的面形变化。因此，在产品研制过程中，避免了对中口径基片的反复抛光，提高了成品率，降低了研制成本。

2)本发明所述的补偿介质膜平面反射镜镀膜形变的方法，无需对现行镀膜工艺参数进行调整，而且仅对基片单面镀膜，便可对介质反射膜层应力造成的基片形变进行补偿，进而实现对中口径介质膜平面反射镜面形精确控制。

附图说明

图1一种补偿中口径介质膜平面反射镜镀膜形变的方法流程图。

具体实施方式

下面根据实例和附图，来说明本发明的具体实施方式。

以工作角度为17°的介质膜平面反射镜的制作为例，该反射镜以Φ200×20mm的JGS-1石英玻璃作为基片，要求在波段1064±10nm，R≥99.5％，同时要求镜面面形PV值优于1/10λ。介质反射膜的高、低折射率材料分别为Ta₂O₅和SiO₂，设计波长为1100nm，膜系结构为：(H L)¹²H。若选择不经过面形预处理的基片，在单面镀制介质反射膜后，基底产生形变，镜面是不能满足高面形精度要求的。但是，采用本发明提出的补偿变形方法，反射镜可以满足高面形精度要求，具体实施如下：

(1)选择以Φ30×3mm的JGS-1石英玻璃为小口径样片，样片双面抛光，面形精度PV优于1/10λ(λ＝632.8nm)。采用离子束辅助电子束蒸发工艺制备介质反射膜，基片烘烤温度为250℃，当真空室真空达到1×10^-3Pa时，打开离子源对基片进行轰击激活。镀膜时离子源的束流设置为250mA，Ta₂O₅和SiO₂的沉积速率分别为0.20nm/s和0.8nm/s，镀制完成介质反射膜层。

(2)介质反射膜制备完成后，通过激光干涉仪测量小口径基片曲率变化。小口径样片镀膜前面形Power为0.026λ，镀膜后Power为-0.274λ，故而矢高变化ΔPower为-0.30λ(λ＝632.8nm)，基片曲率变化为1.69×10^-3/m。石英基片杨氏模量和泊松比分别为72Gpa、0.17。介质膜反射镜膜层厚度为4.0μm。根据Stoney公式，得出小口径介质膜反射镜膜层应力σ为-54.9Mpa。

(3)对于以Φ200×20mm的石英玻璃作为基片的中口径介质膜平面反射镜，在相同镀膜工艺条件下，介质膜反射镜膜层应力与小口径膜层是相同的，仍为-54.9Mpa。根据Stoney公式，可计算得Φ200×20mm的石英基片，在该膜层应力作用下，中口径镀膜基片面形为凸面，矢高Power镀膜前后的变化量应为-0.30λ(λ＝632.8nm)。

(4)对Φ200×20mm的石英基片的镀膜面，进行抛光，将镜面加工成凹面状态，使其矢高Power为+0.30λ(λ＝632.8nm)，并且要求镜面去完离焦之后面形PV值优于0.1λ(λ＝632.8nm)。

(6)采用与小口径样片相同镀膜工艺条件，完成中口径介质膜平面反射镜膜层的沉积，输出成品。经过测试，中口径介质膜平面反射镜面形PV值≤0.1λ(λ＝632.8nm)；1064±10nm反射率大于99.5％，所制作的中口径介质膜平面反射镜面形精度与反射率光谱均达到了使用要求。

综合以上的实例论证，本发明提出的一种补偿中口径介质膜平面反射镜镀膜形变的方法是切实有效可行的。实例表明，根据Stoney公式，结合相同镀膜条件小口径镀膜基片应力与变形情况，可以准确预估中口径介质膜平面反射镜镀膜后的面形变化，经与实际镀膜结果对比，非常接近。本发明提出的补偿中口径介质膜平面反射镜镀膜形变的方法在高面形精度薄膜元件制作领域具有重要的应用前景。

Claims (1)

1.一种补偿中口径介质膜平面反射镜镀膜形变的方法，其特征在于包括包括如下步骤：

(1)在具有相同径厚比的小口径样片上，采用电子束蒸发或离子束溅射工艺方法镀制相同介质反射膜层；

(2)测量小口径样片镀膜后的变形情况，得到样片镀膜前后的曲率变化；根据薄膜应力与变形关系式Stoney公式，确定介质反射膜层应力σ，计算公式为：

其中：E_s为小口径基片杨氏模量，υ_s为小口径基片泊松比，t_f为介质反射膜层厚度，t_s为基片厚度，R₁与R₂分别为镀膜前后基片的曲率半径；

(3)结合小口径样片镀膜后应力及变形情况，根据Stoney公式，预测在相同工艺条件镀膜后中口径介质膜平面反射镜面形变化；所述的反射镜面形变化为中口径基片镀膜面在镀膜前后矢高变化ΔPower；

(4)对中口径基片镀膜面预先加工出矢高为-ΔPower的面形，基片镀膜面曲率半径R可由公式

求出,其中，其中：D_s为基片直径，h为基片矢高Power；所述基片镀膜面去完离焦之后面形PV值应优于中口径介质膜平面反射镜面形精度指标要求；

(5)在相同镀膜工艺条件下，完成中口径介质膜平面反射镜膜层的沉积，输出成品。

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