超精密拋光光學元件

雷射資源指南第10.1，10.2 及 10.3部份。

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為了讓雷射系統提升光通量並減少損耗，需要讓光學元件的散射降到最低，特別是牽涉短波長或高功率雷射的應用。透過超低表面粗糙度達成最低散射的光學元件，通常稱為 " 超精密拋光 " 。雖然並沒有業界標準規範光學元件達到超精密拋光的粗糙度，愛特蒙特光學® 建立了拋光光學元件表面的製程，可讓均方根 (RMS) 表面粗糙度低於 1埃 (10^-10 m)，達到百萬分點等級散射。這種埃以下的低損耗表面，是各種精密雷射應用的理想選擇，包括孔腔內共振衰減系統及雷射陀螺儀。

超精密拋光的光學元件也能補足離子束濺鍍 (IBS) 等低損耗鍍膜技術的不足之處。在以純熟技術沉積的情況下，這類鍍膜的光譜效能通常受限於鍍膜基底的粗糙度。

量測埃以下的表面粗糙度

每一種量測工具都有本身獨特的可量測空間頻率範圍。圖 1 顯示常用於測量表面誤差三種不同裝置的重疊空間頻率範圍：傳統干涉儀、白光干涉儀 (WLI) 及原子力顯微鏡 (AFM)。

圖 1: 多種度量技術的可測量空間頻率範圍，顯示其中的重疊能力¹

不同的空間頻率範圍分類為不同類別的表面誤差。這類群組並沒有明確定義的頻率邊界，而是廣泛接受涵蓋特定的一般範圍。傳統干涉儀使用氦氖雷射，非常適合用於量測形狀誤差，也就是與一般 Zernike多項式有關的低空間頻率。傳統干涉儀的空間頻率範圍與 WLI 的中度空間頻率範圍略有重疊，不過 WLI 仍然比較適合用於量測波紋，也就是更精細的表面誤差。波紋會從散射開始形成效能退化。WLI 及AFM 都可量測粗糙度，或是更高空間頻率的誤差，但最理想的儀器需視應用需求而定。可見光或紅外線光譜應用一般是在低於 2,000 週期/mm 的頻率進行測量，因此 WLI 是理想的測量方法。如果是紫外線應用這類必須更深入檢視光學元件表面的應用，AFM 就是最佳選擇，因為可能需要量測更高的空間頻率。

如果要增加空間頻率範圍，一般就需要減少視野作為交換條件。AFM可直接測量埃以下表面，不過由於視野小及高靈敏度，讓 AFM 更適合用於實驗室而非生產環境。WLI 與 AFM 之間的資料關聯性，加上盡可能提升 WLI 效能的各項步驟，讓愛特蒙特光學® 得以確認 WLI可作為有效工具，在生產環境測量埃以下的 RMS 表面粗糙度。²

測量超精密拋光光學元件

傳統的光學元件拋光是一種消除式的反覆製程，其中使用粗細度越來越細的磨料，移除先前研磨及拋光步驟造成的光學元件表面損傷。不論使用的磨料有多細，游離的研磨拋光都會造成一定程度的次表面損傷。這種損傷位於光學元件表面及其下方，會增加表面粗糙度、能量吸收及散射，導致產生熱能並降低系統效率。光學元件散射與表面粗糙度平方成比例關係。

不過愛特蒙特光學® 開發的超精密拋光製程可消除次表面損傷，其中將重點由機械式的游離研磨拋光製程，變更為玻璃、拋光液及拋光磨料之間的化學反應。機械力量僅用於移除表面粒子，而化學反應則是在比耳拜層發生。石英玻璃不溶於水，但在拋光期間，石英層會因為氫氧離子的擴散作用而改變，形成所謂的比耳拜層。比耳拜層形成後，就會保護光學元件避免進一步改變。³

沉浸式拋光用於建立埃以下粗糙度的超精密拋光光學元件。含水磨料及研磨液維持在與基材相同的溫度，同時溫度及 pH 值則接受高度控制。這有助於產生化學反應，同時由表面張力建立保護屏障避免污染物。⁴

愛特蒙特光學® 的超精密拋光光學元件

愛特蒙特光學® 證明埃以下的光學元件，能在平面及球面的熔融石英基材反覆製造。光學元件拋光後，並沒有留下可見的表面結構或次表面損傷 (表 1 及 表 2)。

表 1: 沉浸式超精密拋光前的基材屬性

表 2: 沉浸式拋光兩小時證實可將 RMS 表面粗糙度由 >7Å 降低為 <0.5 Å。更多詳細資料請參閱 SPIE 會議論文^2,4

參考資料

1. Leslie L. Deck, Chris Evans, "High performance Fizeau and scanning whitelight interferometers for mid-spatial frequency optical testing of free-form optics," Proc. SPIE 5921, Advances in Metrology for X-Ray and EUV Optics, 59210A (31 August 2005); doi: 10.1117/12.616874
2. Shawn Iles, Jayson Nelson, "Sub-angstrom surface roughness metrology with the white light interferometer," Proc. SPIE 11175, Optifab 2019, 1117519 (15 November 2019); https://doi.org/10.1117/12.2536683
3. Finch, G. Ingle. “The Beilby Layer on Non-Metals.” Nature, vol. 138, no. 3502, 1936, pp. 1010–1010., doi:10.1038/1381010a0.
4. Jayson Nelson, Shawn Iles, "Creating sub angstrom surfaces on planar and spherical substrates," Proc. SPIE 11175, Optifab 2019, 1117505 (15 November 2019); https://doi.org/10.1117/12.2536689
5. Peter D. Groot, “The Meaning and Measure of Vertical Resolution in Optical Surface Topography Measurement.” Applied Sciences, 7(1), 54 (5 January 2017) doi:10.3390/app7010054

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