CN114815130B - 基于离子束的光学薄膜元件的面形控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于离子束的光学薄膜元件的面形控制方法。通过离子束技术修正光学薄膜面形形变，使薄膜元件达到无残余应力双面平衡状态。具体方法为测量已制备薄膜元件面形的矢高值(Power)，根据矢高值失配量在基底背面镀制SiO2膜补偿面，再次测量补偿之后薄膜元件面形的矢高值，计算分析需要对补偿面刻蚀或再沉积SiO2膜的厚度，并进行精确的刻蚀或沉积。该方法制备的薄膜面应力与基底未镀膜面应力相平衡，使光学系统更加精确。
Description
技术领域
本发明属于光学薄膜技术领域，涉及高面形精度激光薄膜的制备，具体是一种基于离子束的光学薄膜元件的面形控制方法。
背景技术
光学薄膜几乎是所有光学系统中不可缺少的光学元件，近些年来，随着高功率的激光器的发展，对系统中光学薄膜元件的性能提出了更高的要求。
在激光干涉引力波探测器、激光陀螺等高精密光学系统中，对反射镜性能的要求也都特别高。在这些高精密光学薄膜的制备中，由于高能粒子的堆积会不可避免地引入应力，应力的存在则会使元件面形发生变化，过强的张应力或压应力会使膜层破裂和脱落。残余应力也会影响光学基片表面的平行度，使光学基片表面的面形发生改变，当光波入射到光学元件上时其反射光束的波前产生变形，从而改变系统的能量分布和光学质量。
矢高值(Power，P)是衡量薄膜元件残余应力大小的参数，将元件波前形状视为球面进行拟合，元件表面中心点到最佳拟合球面相应点的距离即为矢高值，是元件宏观形变量的体现。峰谷值(peak-to-valley，PV)表示元件表面最高点与最低点的高度差，反映整体形貌分布及波前总体畸变，值越小元件形变量越小。
现有研究中，一般将离子束技术用于改善基底亚表面缺陷，目前关于改善薄膜应力的方法主要有高温退火法、基底预加工法、背面补偿法等，高温退火法可能会因不同材料之间的热膨胀系数不匹配而导致薄膜分层或断裂，基底预加工法的成本较高适应范围较窄，通过离子束技术将薄膜元件的补偿与刻蚀相结合，利用所给补偿与刻蚀公式可以实现面形的高精度控制，还不会对薄膜元件造成二次污染，通过离子束技术可以使光学薄膜元件达到无残余应力双面平衡状态，满足高功率激光系统的性能要求。
发明内容
本发明的目的在于通过离子束技术修正薄膜面形形变，使光学薄膜元件达到无残余应力双面平衡状态，具体操作过程如下：
步骤1：在空白基底上制备光学薄膜元件；
步骤2：测量光学薄膜元件的面形矢高值P1；
步骤3：计算该光学薄膜元件背面沉积补偿面的补偿厚度d，公式(1)如下：
d＝k×ΔP+anm (公式1)
式中，ΔP为镀膜后薄膜元件矢高值P1与镀膜前空白基片矢高值P0的差值，矢高值与薄膜厚度成一次函数关系，k、a为常数，不同的沉积方法中k、a的值不相同；
步骤4：在该光学薄膜元件背面沉积形成补偿厚度d的补偿面；
步骤5：测量补偿后光学薄膜元件的面形矢高值P2，当P2＝0，则表示该光学薄膜元件达到无残余应力状态；当P2<0，则返回步骤4继续补偿；当P2>0，则对光学薄膜元件的补偿面进行刻蚀，且刻蚀厚度t满足如下公式(2)，直至P2趋于0，使元件最终达到无残余应力双面平衡状态。
t＝d×P2/(P2-P1)nm (公式2)
其中矢高值(Power，P)与残余应力的关系为：
Es和vs为杨氏模量和泊松比，ts和tf分别为基底和薄膜的厚度，Ds为基底的直径。
所述步骤1光学薄膜是由SiO2、Al2O3、Ta2O5、HfO2、Nb2O5、TiO2、ZrO2、MgF2中的一种或多种材料组成。
所述步骤1基底材料为熔石英玻璃、ZF4玻璃、K9玻璃、单晶Si等。
所述步骤3在光学元件背面沉积的补偿面为SiO2膜。
所述步骤4补偿面的沉积方法为双离子束溅射沉积、离子束辅助沉积、电子束蒸发沉积、原子层沉积、磁控溅射沉积中的一种。
所述步骤5对补偿面刻蚀，刻蚀离子源为考夫曼离子源、霍尔离子源中的一种，离子源工作气体为氩气。
本发明的技术效果为：
提出一种新的面形修正方法，应用离子束技术将膜层的补偿与刻蚀相结合，根据面形测量结果，利用所给公式可得具体修正值，使面形修正更加精确。
附图说明
图1是本发明基于离子束的光学薄膜元件的面形控制方法的流程图
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。
用干涉仪测量空白熔石英玻璃的峰谷值(peak-to-valley，PV)和矢高值(Power，P)，以该熔石英玻璃为基底，SiO2为低折射率材料，Ta2O5为高折射率材料，用双离子束溅射沉积方法制备高反膜，制备完成后用干涉仪测量高反膜面形的矢高值P1，表1为镀膜前后数据对比。公式(1)中由双离子束溅射沉积SiO2膜的系数k＝-919.699，a＝38.324，即SiO2补偿膜厚度
d＝-919.699×ΔP+38.324nm
表1镀膜前后Power(P)值和PV值(λ＝632.8nm)
根据上述公式在基底另一面沉积SiO2膜来修正面形，如表2所示。沉积补偿面时将沉积室抽真空至本底真空度小于2×10-5Pa，基底烘烤温度为100℃，用主离子源轰击靶材，主离子源工作气体为氩气，离子束电压800V，离子束电流300mA，氧流量为20sccm。
再次测量已初步补偿好的高反膜面形矢高值P2，根据步骤5需对补偿面刻蚀，根据公式t＝d×P2/(P2*P1)可求得需要刻蚀SiO2膜层的厚度t，如表2所示。
表2补偿厚度d及刻蚀厚度t
将样品放进真空室进行SiO2膜层刻蚀，真空室抽真空至本底真空度小于2×10- 5Pa，离子源工作气体为氩气，离子束电压500V，离子束电流150mA，并对刻蚀厚度精确控制，刻蚀完成后再次测量薄膜元件的矢高值和峰谷值，结果如表3所示，与刻蚀前对比，修正后薄膜元件面形得到很大改善，根据光学系统要求判断是否需要再次进行修正，直至满足系统要求。
表3面形修正前后Power(P)值和PV值对比
Claims (6)
1.一种基于离子束的光学薄膜元件的面形控制方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：在空白基底上制备光学薄膜元件；
步骤2：测量光学薄膜元件的面形矢高值P1；
步骤3：计算该光学薄膜元件背面沉积补偿面的补偿厚度d，公式(1)如下：
d＝k×ΔP+a(nm)(1)式中，ΔP为镀膜后薄膜元件矢高值P1与镀膜前空白基片矢高值P0的差值，矢高值与薄膜厚度成一次函数关系，k、a为常数，不同的沉积方法中k、a的值不相同，d的单位是nm；
步骤4：在该光学薄膜元件背面沉积形成补偿厚度d的补偿面；
步骤5：测量补偿后光学薄膜元件的面形矢高值P2，当P2＝0，则表示该光学薄膜元件达到无残余应力状态；当P2<0，则返回步骤4继续补偿；当P2>0，则对光学薄膜元件的补偿面进行刻蚀，且刻蚀厚度t满足如下公式(2)，直至P2趋于0，使元件最终达到无残余应力双面平衡状态；
t＝d×P2/(P2-P1)(nm)(2)式中，t的单位是nm。
2.根据权利要求1所述的基于离子束的光学薄膜元件的面形控制方法，其特征在于：所述步骤1光学薄膜是由SiO2、Al2O3、Ta2O5、HfO2、Nb2O5、TiO2、ZrO2、MgF2中的一种或多种材料组成。
3.根据权利要求1所述的基于离子束的光学薄膜元件的面形控制方法，其特征在于：所述步骤1基底材料为熔石英玻璃、ZF4玻璃、K9玻璃或单晶Si。
4.根据权利要求1所述的基于离子束的光学薄膜元件的面形控制方法，所述步骤3在光学元件背面沉积的补偿面为SiO2膜。
5.根据权利要求1所述的基于离子束的光学薄膜元件的面形控制方法，所述步骤4补偿面的沉积，其特征在于：沉积方法为双离子束溅射沉积、离子束辅助沉积、电子束蒸发沉积、原子层沉积、磁控溅射沉积中的一种。
6.根据权利要求1所述的基于离子束的光学薄膜元件的面形控制方法，所述步骤5对补偿面刻蚀，其特征在于：刻蚀的离子源为考夫曼离子源、霍尔离子源中的一种，离子源工作气体为氩气。
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