CN113061861A - 一种大曲率光学元件曲率半径控制方法 - Google Patents

一种大曲率光学元件曲率半径控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于薄膜应力精确控制大曲率光学元件曲率半径的加工方法。这种控制方法是传统光学加工技术与镀膜技术相结合的方法,可以实现光学元件曲率半径大小的精确控制,特别利用了薄膜应力特性,将这种薄膜镀制到光学元件表面上,薄膜应力可以改变元件曲率半径,最终达到精确控制光学元件曲率半径的目的。同时该发明优势在于,在不影响元件的光学特性的前提下,根据薄膜厚度与应变的线性关系,通过沉积不同厚度的薄膜可以精确控制不同曲率半径的光学元件。该发明可以有效减少生产时间,提高效率。

Description

一种大曲率光学元件曲率半径控制方法
技术领域
本发明属于光学元件曲率半径控制领域。特别是涉及一种基于薄膜应力精确控制大曲率光学元件曲率半径的加工方法,特别利用了薄膜应力特性,将这种薄膜镀制到光学元件表面上,薄膜应力可以改变元件曲率半径,将这种薄膜镀制到光学元件表面上达到精确控制光学元件曲率半径的新方法。
背景技术
大曲率半径光学元件(曲率半径R>1000mm)除了汇聚光束、调节光路外,往往还在光路系统中承担着稳定光路、改善光束输出质量的作用,因此它在环形激光器(激光陀螺)、同步辐射加速器、光学振荡器等领域中有着广泛应用。这些应用对大曲率半径光学元件面形精度(低频误差)的要求越来越高,如在环形激光器中要求高面形精度(<λ/5)。目前光学元件曲率半径精度一般是通过控制研抛过程中的光圈来实现的,但随着元件曲率半径变大,曲率半径精度对光圈的敏感度不断增加,通过控制光圈来调整曲率半径的方法难以保证大曲率半径的光学元件曲率半径精度。
根据文献报导我们知道,离子束溅射法制备的薄膜具有很高的应力,尤其是双离子束溅射技术制备的SiO2单层膜,由于在薄膜沉积过程中辅助离子源对沉积在基片上的薄膜进行轰击夯实,SiO2薄膜会产生非常高的应力。高的应力会严重引起基片曲率半径的变化。因此利用这个性质,我们可以精确控制基片曲率半径的大小。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提出了薄膜应力控制光学元件曲率半径的新方法。本发明适用于所有大曲率半径光学元件。该方法操作简单,加工精度高。
本发明采用传统光学加工技术与镀膜技术相结合的方法精确控制光学元件曲率半径大小,特别利用了薄膜应力特性,完成大曲率光学元件曲率半径精确控制;
一种大曲率光学元件曲率半径控制方法由以下几个子步骤组成:原料准备、光学粗加工、计算应力控制层(薄膜)厚度、镀制应力控制层。
1)提供待加工光学元件,经细磨、粗磨等工序得到原料;
2)利用传统和数控加工方法粗加工光学元件,测量并计算出实际曲率半径与目标曲率半径的差值,即ΔR=Rtarget-Rreal
3)确定薄膜应变与厚度的关系,并计算相应的薄膜厚度;
4)将已加工的元件镀膜处理,薄膜厚度与ΔR相关,完成大曲率光学元件曲率半径精确控制。
这种控制方法是传统光学加工技术与镀膜技术相结合的方法,可以实现光学元件曲率半径大小的精确控制,特别利用了薄膜应力特性,将这种薄膜镀制到光学元件表面上,薄膜应力可以改变元件曲率半径,最终达到精确控制光学元件曲率半径的目的。同时该发明优势在于,在不影响元件的光学特性的前提下,根据薄膜厚度与应变的线性关系,通过沉积不同厚度的薄膜可以精确控制不同曲率半径的光学元件。该发明可以有效减少生产时间,提高效率。
本发明优点:
1)与传统或数控加工光学元件相比,本技术将传统或数控加工结合薄膜应力控制的方法控制光学元件曲率半径,可以实现精确控制光学元件曲率半径的目的。
2)本技术在不影响光学元件的光学特性的前提下,可以有效减少生产时间,提高效率。
3)本技术操作简单,适用范围广,为前期的传统或数控光学加工提供了更大的加工空间,且工艺可重复性强。
附图说明
图1控制原理图。
图2镀膜实验装置图。1:真空室;2:反应气体导管;3:12cm离子源;4:中和器;5:16cm离子源;6:加热灯;7:基片夹具;8:靶材
图3曲率半径、基片直径以及波前变化量的关系。
图4不同径厚比石英基片上SiO2单层膜薄膜面形精度变化与薄膜厚度的关系
图5应力控制前后光学元件曲率半径变化图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白,以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,并不用于限定本发明。在薄膜生长过程中,薄膜应力的产生是不可避免的。薄膜应力通常分为张应力和压应力。通常双离子束溅射的方法制备得到的薄膜均呈现很高的压应力。薄膜应力的离线计算方式如下。附图1是基片直径、矢高以及曲率半径三者的关系以及曲率半径控制原理图。附图1(a)所示,基片直径、矢高以及曲率半径三者的关系可以表示为:
Figure BDA0002317710460000031
其中R为曲率半径,Ds为基片直径,h是矢高。
矢高与Power的关系为:
h=2×632.8×Power (2)
通常薄膜应力造成的基片弯曲很小,因此,Power和曲率半径R的关系近似为:
Figure BDA0002317710460000032
其中,Ds为圆形基片的直径。
可以进一步得到:
Figure BDA0002317710460000033
在此定义ΔPower为镀膜前后(Power2、Power1)面形精度Power量的差值,R0和R1分别为镀膜前后基片的曲率半径。因此面形精度的变化量与薄膜应力的关系也可以写为:
Figure BDA0002317710460000034
tf为膜层厚度,可根据透过率光谱拟合得到。ts和tf分别为基片和薄膜的厚度,Es和Vs分别基片的的弹性模量和泊松比(参考文献[1]:S.W.Deng,F.Wang,S.F.Liu,Residualstress prediction and control of Ta2O5/SiO2 multilayer based on layerstructure designing,Chin.Opt.Lett.11(2013)10701.),σ为薄膜应力。
薄膜应力产生之后会对基片造成弯曲变形。根据公式(4),我们知道ΔPower与曲率半径的关系,即镀膜之后,由于应力的存在,通过测量得到基片弯曲量,就可以计算得到基片曲率半径的变化量。将曲率半径目标值反带入公式(5)就可以计算得到需要基片Power值产生多大的变化量。再根据薄膜厚度与波前变化量的关系可以得到薄膜的厚度。最终实现大曲率基片曲率半径的精确控制。图1(b)为大曲率光学元件曲率半径控制原理图。经过光学加工之后,如图所示,当曲率半径小于目标值,在基片的后表面镀制一层相应厚度的SiO2薄膜就可以实验曲率半径的控制。而当曲率半径大于目标值,在基片的前表面镀制一层相应厚度的SiO2薄膜就可以实验曲率半径的控制。然而在前表面镀制SiO2薄膜会影响薄膜的光谱特性,因此前表面镀制SiO2薄膜方法只适用于高反膜系的制备。
本发明具体实施例:待加工的大曲率半径光学元件的参数为:曲率半径R=35.7m。
使用设备:
本实验的薄膜样品在双离子束溅射沉积系统上制备,实验装置如附图2所示,真空室内配有16cmRF主离子源和12cmRF辅助离子源,离子源的射频频率为13.56MHz。溅射靶材为金属铪靶,沉积镀膜时,金属铪与通入氧气反应得到氧化铪薄膜。
具体的工艺参数:
表1
Figure BDA0002317710460000041
先将石英的毛坯料进行车削、定心磨边等工艺,其具体规格为
Figure BDA0002317710460000042
待加工光学元件经粗磨、细磨等工序抛光预处理;再按照大曲率半径光学元件结构参数设计并加工曲率镜面,在通过研磨修正元件曲率半径。
接着采用传统加工或数控加工方法粗加工光学元件,并使用检测设备测试面形精度误差指导粗抛光。
当光学元件经粗抛光工艺,利用英国泰勒霍普森公司的LuphoScan高速非接触式3D非球面光学面形精度测量系统进行了曲率半径测试,测得其曲率半径达到34.52m,而目标曲率半径为35.65m,此时再继续使用传统加工或数控加工方法,其效率会明显降低。因此,将采用该发明方法进一步精确控制光学元件曲率半径。
具体计算过程如下:
首先计算得到加工后的光学元件曲率半径Rpolish与目标曲率半径Rtarget的差值ΔR=Rtarget-Rpolish=1.13m。
将R0和R1代入公式(1)和(2),得ΔPower=0.512λ,λ为主探测光波长,本例对应632.8nm。
再在实验基片上(具体规格为
Figure BDA0002317710460000053
)镀制五组不同厚度单层膜,优选薄膜厚度为0.5μm、5μm、10μm、20μm、30μm,并测量镀膜后基片的面形精度,将五组数据做线性回归拟合,即得到基片面形精度变化与薄膜厚度的对应关系,如图4所示。其具体关系式为:
Power=-0.26562-1.58224×10-4tf (6)
再继续将公式(5)改写为:
σtf=CsKsΔPower (7)
其中
Figure BDA0002317710460000051
其中,Cs是常数项,取决于基片材料。
Figure BDA0002317710460000052
其中,Ks是形状因子,取决于基片直径与厚度的比值,经计算,其中大曲率石英基片与实验基片的形状因子分别为1089和645.16。
最后由公式(6)和(7)计算得到所需薄膜厚度为2.7μm。
将石英片经过清洗干燥后放入设备真空室,抽真空至<8×10-2Torr,开高阀、加热管,待温度稳定在80℃,真空抽至5×10-6Torr,开始沉积SiO2薄膜,具体参数见表1。待元件镀膜完成之后,测试结果如附图5所示,从图中可以看出,在应力控制之后光学元件的曲率半径由34.52mm变为35.66mm。
从附图4的对比可以看出,本发明的实施例解决了现有技术中存在的问题,获得了显著的技术效果。

Claims (9)

1.一种大曲率光学元件曲率半径控制方法,包括步骤:
1)待加工光学元件经粗磨、细磨等工序抛光预处理;
2)利用数控加工方法粗抛光光学元件,测量加工后的光学元件曲率半径Rpolish,并计算出其与目标曲率半径Rtarget的差值,即镀膜处理前后基片曲率半径的差值,ΔR=Rtarget-Rpolish
3)确定镀膜处理前后基片曲率半径的差值ΔR与面形精度变化的关系,将基片曲率半径控制问题转化为求解并控制基片面形精度(弯曲度,Power)变化的问题,其具体过程为:根据基片曲率半径和基片矢高、基片矢高和基片面形精度的两个关系式
Figure RE-367714DEST_PATH_IMAGE001
Figure RE-209768DEST_PATH_IMAGE002
,其中R为曲率半径,
Figure RE-932873DEST_PATH_IMAGE003
为基片直径,h是矢高,将基片曲率半径与基片面形精度建立关联,利用步骤(2)得到的Rtarget和Rpolish,即可计算得到基片面形精度变化,镀膜前后Power量的差值ΔPower;
4)确定基片面形精度变化与单层膜厚度的关系,其具体过程为:分别在基片上镀制五组以上不同厚度待镀膜材料的单层膜,并测量镀膜后基片的面形精度,所述单层膜的薄膜厚度为0.01-100μm(优选薄膜厚度为0.5μm、5μm、10μm、20μm、30μm),将五组以上数据做线性回归拟合,即得到基片面形精度变化(ΔPower)与薄膜厚度的对应关系;
5)将已加工的元件镀膜处理,完成大曲率光学元件曲率半径精确控制,其具体过程为:经过步骤(1)-(4),已知粗加工后的元件曲率半径、元件目标曲率半径,代入步骤(4)拟合关系中求解达到曲率半径目标值时所需的薄膜厚度,对待镀元件进行镀膜处理,完成曲率半径的精确控制。
2.如权利要求1所述的控制方法,其特征在于,薄膜应力可以改变元件曲率半径,利用薄膜沉积在基片产生应力的特性实现大曲率光学元件曲率半径精确控制。
3.如权利要求1所述的控制方法,其特征在于,所述待加工光学元件材料可为石英片、硅片、玻璃基片等中的一种或二种以上。
4.如权利要求1所述的控制方法,其特征在于,所述镀膜方法可以是离子束溅射镀膜法、离子束辅助热蒸发沉积法等中的一种或二种以上。
5.如权利要求1所述的控制方法,其特征在于,所述薄膜可以是SiO2薄膜、Ta2O5薄膜、HfO2薄膜、TiO2薄膜、Nb2O5薄膜等中的一种或二种以上。
6.如权利要求1或5所述的控制方法,其特征在于,所述光学元件镀膜之后,薄膜不影响元件光学特性。
7.如权利要求1或3所述的控制方法,其特征在于,所述光学元件可以是透射光学元件或反射光学元件。
8.如权利要求1或5所述的控制方法,其特征在于,所述镀膜表面可以是光学元件正反表面或单面的正表面或反面。
9.如权利要求6、7或8所述的控制方法,其特征在于,所述镀膜表面为正表面时,只针对高反射膜系。
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