CN110388908A - 增强多层干涉镜的耐用性和可制造性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了增强多层干涉镜的耐用性和可制造性的方法。具体而言，公开了多层镜、方法和环形激光陀螺仪（RLG）。例如，该方法包括在基底上形成多个第一折射率光学材料层，在所述第一折射率光学材料层之间形成多个第二折射率光学材料层，在所述多个第一折射率光学材料层的最外层上形成耐用光学材料层，和在所述耐用光学材料层的表面上形成保护性材料外涂层。

Description

增强多层干涉镜的耐用性和可制造性的方法
技术领域
本发明涉及多层镜、方法和环形激光陀螺仪。
背景技术
在环形激光陀螺仪（RLG）中用作激光镜的多层干涉镜持续暴露于高能等离子体操作环境，其由于减少折射材料中的氧化物和由此引起光致变色损失而使该镜劣化。这些镜通常作为相对高和相对低折射率材料的交替（例如1/4λ厚度）层的堆叠体形成。
为了降低高能等离子体操作环境的劣化效应，高折射率材料通常由对氧具有相对高键合能的金属氧化物（例如氧化锆或ZrO2）形成。例如，ZrO2通常用作干涉镜中的堆叠体的顶层，因为ZrO2在高能等离子体环境中表现出相对高的抗劣化性。另外，ZrO2与这些镜在所涉及的RLG制造工艺过程中暴露至的相对高的温度相容。然而，在干涉镜中利用ZrO2作为堆叠体的顶层的问题是ZrO2在沉积时倾向于形成微晶结构。这些微晶结构可能产生散射位点，其会增加所涉及的干涉镜中的光致变色损失并且还降低它们的使用寿命。
氧化铝（AlO3）是另一种通常用作干涉镜中堆叠体的顶层的材料，因为AlO3也具有相对大的形成热并且在等离子体环境中表现出相对高的抗劣化性。此外，所使用的AlO3材料表现出优异的紫外（UV）能量阻挡特性，其用于保护所涉及的干涉镜的堆叠体中下层的完整性。然而，利用AlO3作为干涉镜中的外层/顶层的显著制造问题是AlO3材料相对容易被制造工艺过程中常用的化学清洁和储存溶液浸蚀，这使所涉及的干涉镜的外表面劣化。因此，需要一种技术，其可用于在制造工艺过程中保护干涉镜的AlO3外层/顶层，由此消除由所用的化学清洁和储存溶液导致的外层/顶层的表面劣化。
由于上述原因和下述的其它原因（其对于本领域技术人员而言在阅读和理解说明书后将变得显见），本领域中需要用于改进例如在RLG装置中使用的多层干涉镜的制造的方法。
发明内容
本文公开的实施方案提出了用于增强在RLG装置中用作激光镜的多层干涉镜的耐用性和可制造性的技术。
附图说明
当参考优选实施方案的说明和以下附图进行考虑时，可以更容易地理解本公开的实施方案并且其进一步的优点和用途更容易显现，在所述附图中：
图1是图解可用于实施本发明的一个示例实施方案的多层镜的简化结构图。
图2是图解环形激光陀螺仪（RLG）的简化方框图，该环形激光陀螺仪可用于实施图1所示的示例性实施方案中描绘的多层镜。
图3是图解可用于实施本发明的一个示例实施方案的方法的流程图。
根据惯例，所描述的各种特征未按比例绘制，而是经绘制以强调与本公开相关的特征。在通篇的附图和文本中，参考字符表示同样的要素。
具体实施方式
在以下详细说明中参考了附图，所述附图构成详细说明的一部分，并且其通过其中可以实践实施方案的特定说明性实施方案示出。这些实施方案以足够详细以使得本领域技术人员能够实践所述实施方案的方式来描述，并且要理解的是，可以利用其它实施方案，并且可以在不脱离本公开的范围的情况下进行逻辑、机械和电气方面的改变。因此，下面的详细说明并非是限制性的。
图1是图解增强的多层镜100的简化结构图，其可用于实施本发明的一个示例实施方案。例如，在一个实施方案中，多层镜100是用于环形激光陀螺仪（RLG）的干涉镜。在第二实施方案中，多层镜100是反射镜堆叠体，其包括外层和在外层上的外涂层，所述外层经配置成提供增强的操作耐用性，所述外涂层经配置成抑制由现有制造整理（finishing）技术导致的劣化。参考图1中所示的示例实施方案，多层镜100包括多个交替（例如交错的）ZrO2层102a-102d和SiO2层104a-104c。例如，在一个实施方案中，ZrO2层102a-102d和SiO2层104a-104c是利用合适的沉积工艺（例如电子束或离子束沉积工艺）形成的光学四分之一波（例如标称或基本上四分之一波）结构。值得注意的是，尽管对于该示例性实施方案显示了有限数量的ZrO2和SiO2层，但是层的该特定数量仅用于说明性的目的，并且若干个更多的交替ZrO2和SiO2层可以沉积在多层镜100中。
对于该示例实施方案，增强的多层镜100还包括沉积在ZrO2层102a上的最外层（例如耐用性层）106。在该示例实施方案中，最外层106是具有相对高的形成热的金属氧化物材料（例如铝氧化物或AlO2/Al2O3 ）。同样地，对于该实施方案，选择AlO2/Al2O3材料用于最外层106主要是因为AlO2/Al2O3材料具有优异的UV能量阻挡特性并且由此在这一方面可以保护下方的ZrO2和SiO2层。然而，另一方面，AlO2/Al2O3材料具有制造挑战性，因为由于制造整理工艺过程中使用的清洁和储存溶液，它可能被浸蚀并且其表面可能劣化（例如，称为浸蚀劣化）。因此，为了减轻这些制造工艺问题，将不受由清洁和储存整理溶液导致的浸蚀劣化影响的对工艺友好（例如SiO2 ）材料的外涂层108施加到最外层106的外表面上。例如，可以将SiO2材料（例如厚度为10埃）的薄涂层作为外涂层施加（例如利用合适的沉积工艺）到最外（例如耐用性）层106上。在该实施方案中，在基底110上形成（例如通过合适的沉积工艺）多层镜100，其包括基本上四分之一波长层和对工艺友好的外涂层108的堆叠体。
图2是说明环形激光陀螺仪（RLG）200的简化方框图，该环形激光陀螺仪可用于实施本发明的一个示例性实施方案。参考图2中描绘的示例实施方案，RLG 200包括激光区块组件205，其在该实施方案中是三角形的并具有三个侧面206-1、206-2和206-3。激光区块组件205具有三个角207-1、207-2和207-3。第一阴极210设置在激光区块组件205的侧面206-1上，第二阴极212设置在侧面206-2上，阳极214设置在侧面206-3上。RLG 200还包括多层镜220、222和224，它们设置在激光区块组件205的各角207-1、207-2和207-3处。腔230、232和234设置在激光区块组件205内并平行于各侧面206-1、206-2和206-3。腔230、232、234经配置成与多层镜220、222和224组合以形成围绕激光区块组件205的环形激光束路径。腔230填充有氦气和氖气的合适气体混合物。在一个示例性实施方案中，RLG 200可以包括具有两个光电二极管242的读出组件240，其在操作中耦合来自腔230、232、234的光能信息并且将光能转换为电压信号，由该电压信号可以获得旋转信息。读出组件240还输出称为激光强度监视器（LIM）信号的与激光强度信号相关联的电压信号。LIM信号电压提供与腔230内的光能相关的信息。输出旋转信息和LIM电压耦合到RLG电路250，其处理旋转信息以促进所涉及的车辆的（例如惯性）导航。值得注意的是，根据本公开的教导，多层镜220、222和224根据上文关于图1图解的示例性实施方案描述的多层镜100来实施。
图3是说明方法300的流程图，该方法300可用于实施本发明的一个示例实施方案。参考图1和3中图解的示例实施方案，该示例性方法开始于(302)形成高折射率光学材料（例如ZrO2 ）的第一多个层102a-102d，以及(304)还在层102a-102d之间形成低折射率光学材料（例如SiO2）的第二多个层104a-104c。更准确地说，如图1所示，在基底110上沉积（例如利用电子束或离子束沉积工艺）ZrO2的第一层102d。然后在ZrO2的第一层102d的暴露表面上沉积（例如也利用电子束或离子束沉积工艺）SiO2的第一层104c。接着，在SiO2的第一层104c的暴露表面上沉积ZrO2的第二层102c，然后在ZrO2的第二层102c的暴露表面上沉积SiO2的第二层104b。接着，在SiO2的第二层104b的暴露表面上沉积ZrO2的第三层102b，然后在ZrO2的第三层102b的暴露表面上沉积SiO2的第三层104a。然后在SiO2的第三层104a上淀积ZrO2的第四层102a。值得注意的是，尽管图1中说明的示例性实施方案描绘了ZrO2的四个层102a-102d和SiO2的三个层104a-104c，但是本公开并不旨在对可以在其它实施方案中使用的层数强加上限或下限。而且，尽管图1中说明的示例性实施方案描绘了用于层102a-102d和104a-104c的ZrO2和SiO2的层，但是本公开并不旨在将可以在其它实施方案中使用的高折射率和低折射率光学材料仅限制为ZrO2和SiO2的层。
返回到方法300，(306)在高折射率光学材料ZrO2 的最外层102a的暴露表面上沉积（例如利用电子束或离子束沉积工艺）耐用光学材料（例如在该实施方案中为AlO2 ）的层106。该“耐用性层”106具有增强的UV能量阻挡特性，并且还为下方的ZrO2和SiO2的层提供物理保护。(308)然后在耐用性层106的暴露表面上沉积（例如利用电子束或离子束沉积工艺）附加保护性材料（例如SiO2 ）的外涂层108。同样地，该保护性外涂层108保护下方的层106，因为所使用的材料（例如SiO2）不受由于在最终制造工艺过程中使用的清洁和储存溶液而可对耐用性层106发生的浸蚀劣化的影响。
应当理解，上述实施方案和说明性附图的要素可以彼此以各种组合使用，以产生明确旨在在本公开的范围内的还进一步的实施方案。
示例性实施方案
实施例1包括多层镜，其包括：高折射率光学材料和低折射率光学材料的多个交替层；设置在所述多个交替层上的光学材料耐用性层；和所述耐用性层的最外表面上的保护性材料外涂层。
实施例2包括实施例1的多层镜，其中高折射率材料包括氧化锆（ZrO2）材料层。
实施例3包括实施例1-2中任一项的多层镜，其中低折射率材料包括氧化硅（SiO2）材料层。
实施例4包括实施例1-3中任一项的多层镜，其中耐用性层包括氧化铝（AlO2）材料层。
实施例5包括实施例1-4中任一项的多层镜，其中保护性材料外涂层包括SiO2材料的涂层。
实施例6包括实施例1-5中任一项的多层镜，其中所述多个交替层包括多个基本上四分之一波长的结构。
实施例7包括实施例1-6中任一项的多层镜，其还包括在所述多个交替层下方的基底材料。
实施例8包括实施例5-7中任一项的多层镜，其中所述SiO2材料的涂层基本上比所述多个层中每个层的厚度更薄。
实施例9包括实施例1-8中任一项的多层镜，其中所述多层镜包括用于环形激光陀螺仪（RLG）中的激光腔的反射镜。
实施例10包括实施例1-9中任一项的多层镜，其中所述外涂层不受浸蚀劣化的影响。
实施例11包括环形激光陀螺仪，其包括：激光区块组件；激光区块组件中的腔；和腔中的多个多层镜，其中所述多个多层镜中的至少一个多层镜包括：高折射率光学材料和低折射率光学材料的多个交替层；设置在所述多个交替层上的光学材料耐用性层；和在所述耐用性层的最外表面上的保护性材料外涂层。
实施例12包括实施例11的环形激光陀螺仪，其中所述耐用性层包括氧化铝材料层。
实施例13包括实施例11-12中任一项的环形激光陀螺仪，其中所述保护性材料外涂层包括SiO2材料的涂层。
实施例14包括实施例11-13中任一项的环形激光陀螺仪，其中所述多个多层镜包括三个或更多个多层反射镜。
实施例15包括实施例11-14中任一项的环形激光陀螺仪，其中高折射率光学材料包括氧化锆，并且低折射率光学材料包括氧化硅。
实施例16包括一种方法，其包括：在基底上形成多个第一折射率光学材料层；在所述第一折射率光学材料层之间形成多个第二折射率光学材料层；在所述多个第一折射率光学材料层的最外层上形成耐用光学材料层；和在所述耐用光学材料层的表面上形成保护性材料外涂层。
实施例17包括实施例16的方法，其中形成多个第一折射率光学材料层包括形成氧化锆层。
实施例18包括实施例16-17中任一项的方法，其中形成多个第二折射率光学材料层包括形成氧化硅层。
实施例19包括实施例16-18中任一项的方法，其中形成耐用光学材料层包括形成氧化铝层。
实施例20包括实施例16-19中任一项的方法，其中形成外涂层包括形成氧化硅涂层。
尽管本文已说明和描述了特定实施方案，但本领域普通技术人员将了解，经计算以实现相同目的的任何布置可替代所示的特定实施方案。本申请旨在涵盖所呈现的实施方案的任何改变或变化。因此，显见的是实施方案仅由权利要求书及其等同物限定。

Claims (3)

1.环形激光陀螺仪，其包括：
激光区块组件；
所述激光区块组件中的腔；和
所述腔中的多个多层镜，其中所述多个多层镜中的至少一个多层镜包括：
高折射率光学材料和低折射率光学材料的多个交替层；
设置在所述多个交替层上的光学材料耐用性层；和
在所述耐用性层的最外表面上的保护性材料的外涂层。
2.根据权利要求1所述的环形激光陀螺仪，其中所述耐用性层包括氧化铝材料层。
3.根据权利要求1所述的环形激光陀螺仪，其中所述保护性材料的外涂层包括SiO2材料涂层。
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