Minimiser la dispersion grâce à une rugosité de surface ultra-faible

Les progrès continus et inébranlables vers un débit plus élevé et des pertes plus faibles dans les systèmes laser nécessitent des composants optiques qui minimisent la dispersion, en particulier lors de l'utilisation de lasers de haute puissance ou de courtes longueurs d'onde. Les composants optiques qui y parviennent grâce à une rugosité de surface ultra-faible sont souvent appelées « superpolis ». Il n'existe pas de rugosité standard de l'industrie à laquelle un composant optique est considéré comme superpoli, bien qu'Edmund Optics® ait développé un procédé permettant de polir les surfaces optiques jusqu'à une rugosité de surface RMS inférieure à un angstrom (10^-10 m) pour une diffusion de niveau parties par million. Les optiques superpolies sont idéales pour les applications laser sensibles telles que les systèmes utilisant le principe de cavité optique pour l'analyse des gaz, les gyroscopes laser et d'autres systèmes nécessitant des optiques à faible défaut. Ces surfaces hautement contrôlées complètent la technologie de revêtement à faible perte comme la pulvérisation ionique (IBS).

Comment mesurer la rugosité de surface sous-Angstrom ?

Chaque appareil de métrologie possède sa propre gamme de fréquences spatiales mesurables. La figure 1 montre le chevauchement des gammes de fréquences spatiales de trois technologies souvent utilisées pour mesurer la rugosité de surface : l'interférométrie classique, l'interférométrie à lumière blanche (WLI) et la microscopie à force atomique (AFM).

Figure 1 : Les gammes de fréquences spatiales des appareils courants révèlent des chevauchements dans leurs capacités.¹

Les différentes gammes de fréquences spatiales correspondent à différents types d'erreurs de surface. Ces groupes de fréquences n'ont pas de limites clairement définies mais sont généralement considérés comme couvrant certaines plages de fréquences. Un interféromètre HeNe conventionnel est clairement idéal pour mesurer les fréquences spatiales inférieures associées aux polynômes de Zernike typiques, connues sous le nom d'erreur de forme. Elles chevauchent légèrement la gamme de fréquences spatiales moyennes de la WLI, mais cette dernière est encore mieux adaptée pour mesurer ce niveau plus fin d'erreurs de surface, connu sous le nom d'ondulation. Dans cette plage, les erreurs commencent à contribuer à la dispersion et à la dégradation des performances. La WLI et l'AFM peuvent toutes deux mesurer la rugosité, mais le groupe de fréquences spatiales critiques dépend de l'application. Les applications visuelles et à plus grande longueur d'onde sont généralement mesurées en dessous de 2 000 cycles/mm, auquel cas la WLI peut être utilisée. L'AFM est idéale pour examiner une surface de plus près et peut être nécessaire pour mesurer les hautes fréquences spatiales requises pour les applications UV.

L'utilisation de systèmes avec une gamme de fréquences spatiales plus élevées se fait généralement au détriment d'un champ de vision plus petit. L'AFM peut être utilisée pour mesurer directement les surfaces sous-Angstrom, mais son petit champ de vision et sa sensibilité en font un instrument mieux adapté à une utilisation en laboratoire plutôt qu'à la mesure de la rugosité dans un cadre de production. La corrélation des données entre l'AFM et la WLI, ainsi que les mesures visant à garantir une performance maximale de ce dernier, ont permis à Edmund Optics® de vérifier que la WLI peut être un outil efficace pour mesurer la rugosité de surface RMS sous-Angstrom des surfaces superpolies dans un environnement de production. Vous trouverez tous les détails sur la métrologie de la rugosité de surface sous-Angstrom dans nos contributions dans les Actes des Conférences SPIE.²

Comment sont fabriquées les optiques superpolies ?

Le polissage optique soustractif traditionnel est un processus itératif dans lequel des grains d'abrasifs de plus en plus fins sont utilisés pour éliminer les dommages causés par les étapes précédentes de meulage et de polissage. Quelle que soit la finesse du grain utilisé, les dommages subis par la surface sont le résultat naturel d'un polissage au moyen d’abrasifs libres. Les sites endommagés à la surface et sous la surface augmentent la rugosité de la surface et l'absorption d'énergie, ce qui entraîne une dispersion accrue de l'énergie tout en générant de la chaleur et en diminuant l'efficacité du système. La dispersion est proportionnelle au carré de la rugosité de la surface.

Cependant, le procédé utilisé chez Edmund Optics® pour superpolir les optiques élimine complètement les dommages sous la surface en passant d'un processus de polissage purement mécanique vers les réactions chimiques entre la boue, le verre et le revêtement de polissage. L'action mécanique est utilisée uniquement pour enlever des éléments du substrat, car une réaction se produit dans la couche de Beilby. Alors que le verre de silice est insoluble dans l'eau, la couche Beilby est une couche de silice formée pendant le polissage qui est modifiée par la diffusion d'ions hydroxyle qui, une fois formés, servent à protéger le substrat contre d'autres changements.³

Les optiques présentant une rugosité de surface inférieure à l'angstrom sont créées par polissage par immersion, dans lequel un tissu hydraté avec une boue est maintenu à la même température que l'optique. La température et le niveau de pH sont strictement contrôlés pour faciliter une réaction chimique, tandis que la tension superficielle forme une barrière contre les contaminants.⁴ Des détails complets sur le développement du procédé de polissage par immersion d’Edmund Optics peuvent être trouvés dans une autre de nos contributions dans les Actes des Conférences SPIE.

Les optiques superpolies d’Edmund Optics

Edmund Optics a démontré qu'il était possible d'obtenir des surfaces superpolies sous-Angstrom de manière répétée sur des optiques planes et sphériques fabriquées en silice fondue. Les surfaces n'avaient aucune structure observable laissée par le processus de fabrication et aucun dommage mesurable sous la surface (Tableau 1).

Tableau 1 : Il a été prouvé que le polissage par immersion réduisait la rugosité de surface RMS de >7Å to <1Å. Vous trouverez plus de détails dans contributions dans les Actes des Conférences SPIE.