eo_logo
  • Pays/Région
  • Bonjour Mon compte
  • cart   
 

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

 

Les optiques superpolies avec une rugosité de surface sous-Angstrom sont idéales pour les applications précises d'optique laser

 

Affinement des traitements par pulvérisation ionique (IBS) pour créer des optiques à pertes extrêmement faibles

 

Les paramètres de polissage, notamment la température, le pH et l'entrée de la boue, doivent être strictement contrôlés

 

La métrologie est essentielle, car les mesures en dessous de l'Angstrom s'approchent du bruit de fond des équipements

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).

Optiques en silice fondue avant le superpolissage
  P-V (Å) RMS (Å) Ra (Å)
Moyenne 183.42 7.42 5.70
Gamme 2089.92 18.24 11.19
Écart-type 186.88 2.91 1.82
Optik aus Quarzglas nach Superpolitur
  P-V (Å) RMS (Å) Ra (Å)
Moyenne 14.24 0.91 0.77
Gamme 2.26 0.03 0.21
Écart-type 1.14 0.02 0.06
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.

WEBINAIRE À LA DEMANDE

POLISSAGE ET MÉTROLOGIE DE SURFACES
À RUGOSITÉ ULTRA-FAIBLE

Rejoignez-nous pour une discussion sur la fabrication et la mesure d'optiques superpolies avec une rugosité de surface sous-angstrom.

Contactez-nous pour discuter votre application et vos exigences

Les surfaces superpolies complètent les technologies de revêtement à faibles pertes, telles que le traitement par pulvérisation ionique (IBS), car, lorsque ces traitements sont déposés habilement, leur performance est généralement limitée par la rugosité de leurs substrats en verre. Contactez-nous pour discuter des optiques superpolies sur mesure ou parcourez nos produits standard ci-dessous.

Miroirs Raie Laser avec Traitement par Pulvérisation Ionique (BS)

  • Traitements IBS des miroirs pour une faible perte et une réflectivité élevée
  • Seuils de dommage laser élevés garantis à la longueur d’onde de conception jusqu’à 15 J/cm2 à 1064nm
  • - Substrats superpolis disponibles avec des performances de dispersion de l’ordre des parties par million

Reférences

  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

FAQ

FAQ  Edmund Optics peut-elle superpolir des matériaux autres que la silice fondue ?
Oui, une rugosité de surface RMS sous-Angstrom a également été démontrée sur le N-BK7, le silicium et le fluorure de calcium.
FAQ  Pourquoi voudriez-vous utiliser l'interférométrie à lumière blanche (WLI) pour la métrologie de la rugosité de surface sous-Angstrom si la microscopie à force atomique (AFM) peut mesurer les fréquences spatiales les plus élevées ?

Alors que l'AFM peut mesurer des fréquences spatiales plus élevées et donc résoudre des détails plus petits, son petit champ de vision et sa grande sensibilité aux facteurs environnementaux la rendent peu adaptée à la métrologie dans un environnement de production. Il a été prouvé que la WLI permet de mesurer avec succès la rugosité de surface RMS sous-Angstrom tout en évitant les pièges de l'AFM.2

FAQ  Si la limite supérieure de la fréquence spatiale de l'interférométrie à lumière blanche est d'environ 1.800 cycles/mm, comment peut-on mesurer la rugosité RMS sous-Angstrom si cette fréquence dans le domaine spatial correspond à 556 nm ?

La longueur d'onde de 556 nm correspond à la taille d'une caractéristique particulière que l'instrument est capable d'imager avec un degré de fidélité raisonnable ; c'est une mesure de la résolution latérale de l'instrument. La limite RMS, souvent discutée en termes de résolution verticale, est largement fonction du bruit de fond de l'instrument, qui est indépendant de la taille de la caractéristique.5

FAQ  Où puis-je en savoir plus sur les composants optiques superpolis ?

Vous pouvez en savoir plus sur les optiques superpolies en lisant nos contributions dans les Actes des Conférences SPIE sur la fabrication et la mesure de ces surfaces.

Ressources

Notes d’application

Informations techniques et exemples d’applications comprenant des explications théoriques, des équations, des illustrations graphiques, etc.

Subsurface Damage
Lire 

Metrology for Laser Optics
Lire 

Vidéos

Vidéos apportant d'excellents conseils et offrant des présentations basées sur des applications utilisant nos produits.

Introduction to Laser Optics Lab 
Regarder 

Metrology at Edmund Optics: Measuring as a Key Component of Manufacturing 
Regarder 

Articles Publiés

Liens vers d’autres articles techniques rédigés par Edmund Optics® apparaissant dans des publications industrielles ou mettant en avant les contributions de l’équipe d’ingénierie et de la gestion d’EO.

"Creating sub angstrom surfaces on planar and spherical substrates" by Jayson Nelson and Shawn Iles - SPIE
Lire 

"Sub-angstrom surface roughness metrology with the white light interferometer" by Shawn Iles and Jayson Nelson - SPIE
Lire 

"Fabrication of ultralow-roughness surfaces: The Beilby layer" by Jayson Nelson and Shawn Iles - Laser Focus World
Lire 

"White-light interferometry resolves sub-Angstrom surface roughness" by Shawn Iles and Jayson Nelson - Laser Focus World
Lire 

Ce contenu vous a-t-il été utile ?
 
Ventes & Conseil d’Experts
 
ou consulter les numéros d’autres pays
OUTIL DE DEVIS
facile à utiliser
entrer les numéros de stock pour commencer


×