[發明專利]一種大口徑高精度光學元件膜層應力形變調控方法

有效

• 申請號: 202110959643.9
• 申請日: 2021-08-20
• 公開（公告）號: CN113655592B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 王晉峰;田杰
• 申請（專利權）人: 中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所
• 主分類號: G02B7/185
• 分類號: G02B7/185;G02B7/00;G02B1/10
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 李湘群

本發明公開了一種大口徑高精度光學元件膜層應力形變調控方法，其步驟包括：在光學元件的前表面進行主膜系的鍍制；在光學元件的后表面進行一次鍍膜，即鍍制用于抵消光學元件面形變化的抵消膜層；對抵消膜層進行均勻減薄，控制減薄厚度，根據面形精度控制需要，每減薄5nm?50nm，進行一次光學元件表面面形的檢測，直至接近或達到鍍膜前的面形精度。本發明由于采用均勻減薄的可控技術，使得光學元件接近或達到鍍膜前的面形精度，對于現有技術而言是無法達到的；由于用于抵消的膜層厚度只進行了一次鍍膜，高質量光學元件表面質量得以保證；本發明的方法無需進行反向拋光補償膜系應力變形，大大提高了大口徑高精度光學元件的生產效率。

技術領域

本發明涉及光學加工與光學鍍膜相結合的技術領域，尤其是針對大口徑高面形精度光學元件鍍制光學薄膜后面形變化的調控方法。

背景技術

隨著現代光學系統的發展，如引力波探測、光刻機光學系統、強激光系統等，人們對大口徑高面形精度的光學元件提出了越來越高的要求。光學系統的功能實現離不開光學薄膜，薄膜應力是光學元件面形變化的主要因素,因而如何消除光學薄膜應力導致的面形變化一直是高精度光學系統實現的難題。

薄膜應力表現形式上分為張應力和壓應力，在張應力作用下，薄膜本身有收縮趨勢，在壓應力作用下，薄膜有向表面擴張的趨勢(圖1，圖中包括基底1和薄膜2)。薄膜應力的形成是一個復雜的過程，是在薄膜生成過程中以及成膜后老化過程中逐步形成的。造成薄膜應力的機理主要有三種：熱應力，主要由基片與鍍膜材料間膨脹系數不同造成；內應力，由鍍膜工藝技術引起；外應力，主要由薄膜的物理環境(壓強、濕度等)發生變化所產生。總之，應力依賴于材料，淀積工藝技術和環境各種參數。一般說來，現代的離子束濺射、離子輔助和離子鍍等鍍膜技術制備的膜層是致密的，表現為壓應力，而熱蒸發制備的膜層是多孔的，通常顯示出張應力。

對于薄膜應力導致的面形改變常用的技術手段有：方法一是預先測出由于薄膜應力導致的面形變化量，通過反向光學加工進行補償；方法二是在光學元件表面的背面鍍膜，通過鍍制一定厚度的薄膜對第一面的面形變化進行抵消。這兩種方法均可以在一定程度上降低膜層應力導致的面形變化，對于方法一因需要預先測出鍍膜導致的面形變化量，無法避免的需要反復進行光學元件的拋光，尤其對于高精度大口徑光學元件的加工是非常麻煩的，且該方法僅適用于反射鏡，無法用于分色鏡情況。方法二在實際操作中，由于用于抵消的膜層厚度不能很好的確定，需要從薄到厚多次鍍制與測量，多次鍍膜易導致高質量光學元件表面質量下降。另外，傳統的正反面鍍膜補償應力的方式，鍍制相同的膜層于后表面，僅適用于反射鏡補償前表面的膜應力變形，不能用于兩面均使用的分色鏡、分光鏡元件，該方法更多用于維持兩面的膜應力平衡，避免膜層因應力損壞，無法對膜應力變形進行調控。

發明內容

本發明需要解決的問題是針對大口徑高面形精度光學元件鍍制光學薄膜后面形變化的問題，提供一種更加具有確定性的光學元件面形調控方法。

為了解決上述問題，本發明采用的技術方案是：

一種大口徑高精度光學元件膜層應力形變調控方法，包括如下步驟：

步驟1：在光學元件的前表面進行主膜系的鍍制；

步驟2：在光學元件的后表面進行一次鍍膜，即鍍制用于抵消光學元件面形變化的抵消膜層；

步驟3：對抵消膜層進行均勻減薄，控制減薄厚度，根據面形精度控制需要，每減薄5nm-50nm，進行一次光學元件表面面形的檢測，直至接近或達到鍍膜前的面形精度。

進一步的，所述主膜系是用于實現光學系統功能的介質氧化物膜系。

進一步的，所述主膜系的種類包括分光膜、分色膜、高反膜。

進一步的，根據前表面膜系厚度和使用材料確定后表面用于抵消面形變化的膜層厚度。

進一步的，抵消膜層厚度為前表面膜系總厚度的一半。