湿法化学刻蚀技术处理抛光熔石英元件

为了提高熔石英元件的抗激光损伤能力,采用基于氢氟酸刻蚀的湿法化学技术去除元件内的激光损伤诱因。利用不同的氢氟酸溶液处理经氧化铈抛光的熔石英元件,并对元件的刻蚀速率、表面洁净度、粗糙度、透过率和激光损伤性能进行评价。研究结果表明,与传统的静态刻蚀相比,在质量分数为6%的氢氟酸刻蚀溶液中引入能量密度约为0.6 W/cm^2的兆声能量对元件的溶解速率和激光损伤性能没有明显的提升作用;化学刻蚀产生的沉积物对元件表面粗糙度和透过率均有不利影响,且沉积物比例与所用的刻蚀液成分和浓度密切相关;经质量分数6%或12%的纯氢氟酸溶液刻蚀(5±1)μm深度后,熔石英元件的激光损伤阈值相比于未刻蚀元件提升了约1.9倍;熔石英元件的激光损伤性能与表面粗糙度和透过率之间不是简单的线性关系,但激光损伤阈值较理想的元件(>20 J/cm^2@3ns)往往具有较光滑的表面,即表面粗糙度<2 nm,由此可以确定有利于熔石英元件激光损伤性能的刻蚀条件,并获得元件表面粗糙度的控制指标。     

大尺寸衍射光学元件的扫描离子束刻蚀

总结了大尺寸衍射光学元件离子束刻蚀技术的研究进展。针对自行研制的KZ-400离子束刻蚀装置,提出了组合石墨束阑结构和多位置分步刻蚀策略来提高离子束刻蚀深度的均匀性,目前在450mm尺寸内的刻蚀深度均匀性最高可达±1%。建立了针对多层介质膜光栅的衍射强度一维空间分布在线检测系统以及用于透射衍射光学元件离子束刻蚀深度的等厚干涉在线检测系统,实现了对大尺寸衍射光学元件离子束刻蚀终点的定量、科学控制,提高了元件离子束刻蚀工艺的成功率。利用上述技术,成功研制出一系列尺寸的多层介质膜光栅、光束采样光栅、色分离光栅以及同步辐射光栅等多种衍射光学元件。     

基于投影法检测光学元件面形的图形处理算法

基于线结构光扫描测量和立体视觉测量相结合的三维检测方法——投影法,能够快速准确地实现光学元件面形的在线检测,通过对采集图片的图像预处理,区域立体匹配分析,曲线拟合及面形实验等算法还原被测光学元件面形模型。实验结果表明,将这种方法用于检测光学元件可以真实还原光学元件三维外貌特性,具有实际应用价值。     

多表面干涉下的光学元件面形检测

为了消除平行平板类光学元件的多表面干涉效应对元件面形测量的影响,提出了基于波长移相调谐技术与傅里叶变换原理的多表面干涉条纹检测技术.首先,根据波长移相原理和被测元件的厚度,按照推算出的被测腔长与元件厚度间的比例关系正确摆放被测元件的测试位置.然后,通过波长移相技术采集一组干涉图.最后,对这组多表面干涉图进行离散傅里叶变换,提取带有被测元件前后表面面形的频率信息以及厚度变化的频率信息,通过重构算法得到准确的面形信息和厚度信息.实验结果表明:与传统的13步移相算法相比,得到的前表面PV值和RMS值分别相差0.003和0.001,而后表面PV值与RMS值分别相差0和0.001.这些结果基本满足平行平板类光学元件面形的高精度测量与洁净测量的要求.     

全口径环形抛光的光学元件面形误差影响因素及其控制

全口径环形抛光是加工大口径平面光学元件的关键技术之一,其瓶颈问题是元件面形的高效高精度控制。通过研究元件面形的影响因素及其控制方法从而提升其确定性控制水平。围绕影响面形误差的运动速度、抛光盘表面形状误差和钝化状态等关键工艺因素,建立基于运动轨迹有效弧长的环形抛光运动学模型,揭示了抛光盘表面开槽槽型对面形误差的影响规律;提出了采用位移传感器以螺旋路径扫描抛光盘表面并通过插值算法生成其形状误差的方法,建立基于小工具的子口径修正方法,实现了抛光盘形状误差的在位定量修正;提出抛光盘表面钝化状态的监测方法,研究了抛光盘表面钝化状态对面形误差的影响规律。结果表明：抛光盘表面开槽采用环形槽时元件表面容易产生环带特征,采用径向槽、方形槽和螺旋槽时元件表面较为匀滑;通过在位定量检测和修正抛光盘形状误差,可显著提升元件的面形精度;随着抛光盘表面的逐渐钝化,元件面形逐渐恶化。在研制的5 m直径大口径环形抛光机床上加工800 mm×400 mm×100mm平面元件的面形PV值优于λ/6（λ=632.8 nm）,提升了元件的面形控制效率和精度。     

基于面形斜率的光学自由曲面表征

对光学自由曲面设计的关键问题——光学自由曲面的表征模型进行了研究。在传统高斯径向基模型的基础上,通过改善基函数的分布特性以及基于面形斜率调整基函数的形状因子,建立了基于面形斜率的高斯径向基表征模型。利用建立的模型、传统径向基模型和Zernike多项式模型拟合了不同类型的自由曲面,并进行了分析比较。结果证实了文中提出的模型较传统径向基模型的面形拟合精度提高了1~2个数量级,具有较强的面形表征能力。应用该模型进行了离轴三反系统的设计,结果显示设计的三反系统的全视场平均调制传递函数(MTF)达到80%以上。与传统面形表征模型相比,该模型的应用提高了系统的像差平衡能力,改善了系统的成像质量。综合分析表明,该模型适用于表征具有显著非对称性的、面形矢高带有显著局域性变化的自由曲面,有望应用于具有大离轴量和大视场的光学系统设计中。     

一种光学元件面形三维重建的算法研究

为了在线检测光学元件面形,介绍一种基于线结构光扫描测量和立体视觉测量相结合的三维检测方法,目前这种方法多用于检测高反射率的物体,因此将该方法运用于检测光学元件面形是一种新的尝试。实验的三维重建算法是通过MATLAB和VC++软件共同编写程序实现的,实验结果表明,将这种方法运用于检测光学元件是可以真实还原光学元件三维外貌特性的,所以它的研究具有可行性和研究价值。     

光学元件改性处理对激光损伤阈值的影响

针对355nm激光作用于熔石英光学元件后其损伤阈值容易变差的问题,提出使用1.7%纯HF溶液和0.4%HF与1.2%NH4F混合的BOE溶液对样品进行处理来提高它们的激光诱导损伤阈值(LIDT)。在相同的条件下将熔石英光学元件浸没到上述两种不同的刻蚀溶液中进行处理,通过测量刻蚀过程中元件重量变化来计算刻蚀速率,利用Zygo轮廓仪测试元件表面粗糙度,然后对355nm激光照射下熔石英元件的损伤阈值情况进行研究。损伤测试表明,LIDT与元件的材料去除深度有关系,用两种刻蚀液刻蚀去除一定深度后,LIDT均有增加,但是进一步去除会显著地降低元件的LIDT。在处理过程中,这两种刻蚀液的去除速率都很稳定,分别为85.9nm/min和58.6nm/min左右。另外,元件表面的粗糙度会随着刻蚀时间的增加而变大。在刻蚀过程中还通过纳米技术测量了熔石英元件表面的硬度及杨氏系数,不过没有证据表明其与激光诱导损伤有明确的关系。     

一种检测光学元件面形的新方法

随着光学元件的广泛应用,对光学元件面形检测提出了更严格的要求。目前常用的检测光学元件面形的方法有数字刀口检测技术和干涉检测技术,比较这两种方法的检测原理及优缺点,提出了一种适用于工厂在线检测的三维检测方法——投影检测技术。用该方法的检测原理和关键技术对光学元件进行实验验证,证明了投影检测技术这一新方法具有实际应用价值。     

光学面形误差对环围能量比的影响

以发射光学系统为研究对象,假设面形误差为高斯平稳随机过程,建立了光学面形误差均方根梯度(GRMS)与远场靶面上环围能量比(EE)之间的数学关系模型,进行了仿真分析并对实际面形数据做了验证。研究表明,环围能量比随GRMS的增加呈指数衰减;同时面形误差低频和高频部分分别形成远场光强分布的中心核和边缘。在GRMS≤7 nm/mm时,理论计算与仿真结果非常吻合。与实际分析结果的比较表明,该数学关系模型是正确的,能够用来分析GRMS对EE的影响。     

光学自由曲面研抛机床的综合误差建模与补偿

为提高光学自由曲面的加工精度,本文基于多体系统理论建立了五轴数控研抛机床综合误差模型。采用直接测量方式对各轴的移动误差和转角误差进行重复测量与分析,发现不同进给速度和测量间距对移动误差和转角误差没有显著影响。把误差数据代入综合误差模型中,得出研抛机床综合误差在x轴、y轴和z轴轴向上的移动误差和转角误差分量的变化规律,进而获知线性位移误差是影响综合误差最主要的因素。依据综合误差模型进行补偿实验,补偿后x轴、y轴和z轴的线性位移误差分别下降88%、89%和84%,补偿效果显著。实验结果证明本文所提出的综合误差建模及补偿方法具有较高的精度和较好的鲁棒性。     

离子束抛光高陡度离轴非球面的去除函数修正

研究了三轴离子束系统抛光大口径高陡度离轴非球面过程中镜面曲率变化对离子束抛光去除函数的影响。提出了利用修正矩阵修正各驻留点处的去除函数信息,进而实现对高陡度离轴非球面高精度抛光的方法。该方法通过对离轴非球面进行坐标转换来降低陡度变化对去除函数的影响;基于Sigmund溅射理论分析离子束抛光非球面材料的去除率,建立离子束抛光非球面去除函数模型,计算了材料去除率在非球面各驻留点处的变化。最后,根据投影原理计算在各驻留点处去除函数的半宽,得到以驻留点矩阵为基础的去除函数修正矩阵,从而掌握每一个驻留点处的去除函数信息,然后根据计算机控制光学表面成形(CCOS)原理解得加工驻留时间分布。选取口径为900mm×680mm,离轴量为350mm的离轴体育场型非球面镜进行了抛光实验,实验显示抛光后非球面镜面形精度的RMS值由32.041nm达到11.566nm,收敛率达2.77,对实际加工具有指导意义。     

利用功率谱密度函数表征光学薄膜基底表面粗糙度

光学表面的表面粗糙度通常利用两个传统参数方根粗糙度σ和相关长度l来进行表征。主要就如何引入功率谱密度函数(PSD)表征表面微观形貌进行了初步研究。说明了一维和二维功率谱密度(PSD)函数的数学计算方法、PSD函数的物理意义,同时给出了PSD函数与传统的表面评价指标σ和l之间的关系。利用不同仪器对多种样品进行测试,在分析比较测试结果的基础上,总结了利用PSD函数评价光学表面粗糙度的优点。功率谱密度函数作为一个全面的光学表面评价参数,正得到越来越广泛的重视和应用。     

光学自由曲面误差评定中匹配方法的研究

研究了光学自由曲面轮廓误差评定中被测曲面和设计曲面的匹配方法。在曲面中心重合和近似法矢重合的基础上,提出了五点预定位法,即先定义曲面中心,然后利用搜索的方法得到相互间距离最大的4个角点,通过这5个点的匹配实现曲面的预定位。在精调整中,提出了二次优化方法,即综合运用最小二乘法和最小条件原则进行曲面的高精度匹配,并进行了仿真实验。实验结果表明,匹配精度可达纳米级。最后通过一个非球面实测实验,证明了算法的有效性。     

小特征尺寸连续位相板离子束修形的误差分析

针对小特征尺寸连续位相板中频段成分分布广、误差梯度大的面形特点,分析了离子束修形技术加工连续位相板过程中影响加工精度的几种因素,包括扫描步距、材料去除方式、定位精度和材料去除量求解。分析指出:根据采样定理确定去除函数的扫描步距可实现对不同尺寸特征单元的有效加工;进一步优化材料去除方式能够确保修形过程中驻留时间的平稳运行,实现全频段误差一致收敛。另外,采用面形匹配方法对测量误差进行校正实验,可获取准确的面形材料去除量;而采用提高去除函数定位精度的方法可显著提升小尺寸特征单元的加工精度。基于研究结果,在消除各种工艺误差的基础上,采用离子束修形技术对特征尺寸小至1.5mm,面形峰谷值小于200nm,面形梯度高至1.8μm/cm的连续位相板进行了高精度加工,结果显示:加工面形与理论面形的匹配精度达到8.1nm(RMS),证实了误差分析的准确性。     

3D surface form error evaluation using high definition metrology

This paper presents an approach to evaluate 3D surface form error of machined surface using high definition metrology that can measure millions of data points representing the entire surface. A data preprocessing method was developed to convert the mass data into a height-encoded and position-maintained gray image. With the converted image, a modified gray level co-occurrence matrix method was adopted to extract 3D surface form error characteristics, including entropy, contrast and correlation. Entropy measures the randomness of surface height distribution. Contrast indicates the degree of surface local deviations. Correlation could be used to identify different machining techniques. These characteristics can be used with flatness together to evaluate 3D surface form error of large complex surface.     

减小SiO2光波导表面粗糙度的ICP干法刻蚀工艺研究

波导表面粗糙度引起的散射损耗是SiO2光波导传输损耗的主要来源,通过降低表面粗糙度可以获得低损耗SiO2光波导。通过优化ICP干法刻蚀工艺的各参数(如温度、压强、气体流量、感应/偏置功率等)获得了低粗糙度的SiO2光波导,并采用SEM和AFM对刻蚀表面粗糙度进行了定量测试。采用优化刻蚀工艺可将表面粗糙度从35.4nm降低到3.6nm,波导传输损耗约为0.1dB/cm。     

Sampling error in conversion of the surface profile signal

A fundamental problem in a/d conversion of a measurment signal of surface profile id discussed from the viewpoint of a limit of sampling error in the time domain. A comparison is also made of the results of autocorrelation function, power spectrum and profile parameters such as R_max, R_a etc, obtained from the sampled surface profile in the time domain and in the longitudinal domain. It is suggested that the minimization of sampling error may be attained by the use of a digital displacement transducer attached to the usual surface measurement instrument.     

球面光学元件表面疵病检测技术研究

针对现有球面光学元件表面疵病检测技术研究较少的情况,根据疵病对光的散射特性,提出了一种基于机器视觉技术检测球面光学元件表面疵病的方法。实验分析了光照角度、光强大小和球面光学元件曲率半径对疵病散射光成像质量的影响。并对口径为Φ14mm,曲率半径为13mm的球面光学元件表面进行了检测,实验表明,该技术对元件样品上10μm以下的表面疵病可进行有效的检测。