《精密光学元件制备技术》课件.ppt

*************************************衍射光学元件加工方法电子束直写利用聚焦电子束在光刻胶上直接曝光，无需掩模。分辨率可达10nm以下，适合制作高精度衍射图形。虽然加工速度相对较慢，但图形精度高且灵活性好，特别适合研发阶段和小批量生产。激光刻蚀使用脉冲激光直接在材料表面微加工，形成衍射结构。飞秒激光加工技术能实现亚微米精度，适用于多种基底材料。加工速度快，但精度不如电子束直写，适合中等精度要求的应用场景。相位掩模技术利用特殊设计的相位掩模，通过单次曝光在光刻胶中形成复杂干涉图案。此技术大幅提高了生产效率，适合大面积周期性结构制作，如衍射光栅和光子晶体等。单点金刚石加工使用精密数控车床和金刚石刀具直接加工衍射结构。适用于反射式衍射元件制作，尤其是金属基底材料。加工精度可达纳米级，表面粗糙度极低，适合高性能应用。微光学元件检测技术原子力显微镜利用探针与样品表面原子间力的相互作用，获取纳米级分辨率的表面拓扑图。AFM能提供微光学元件的三维形貌信息，测量表面粗糙度和台阶高度。适用于小区域精密检测，可实现亚纳米级垂直分辨率。缺点是扫描速度慢，通常只能检测代表性样本区域，难以进行全表面检测。白光干涉仪利用宽谱光源的相干特性测量表面轮廓，垂直分辨率可达纳米级。特别适合测量微透镜阵列的表面形状和均匀性。现代白光干涉系统配备自动扫描台，能实现大面积拼接测量，兼顾高分辨率和大视场需求。较高的测量效率使其成为生产线质量控制的理想工具。共焦显微技术通过针孔滤除离焦平面的光线，获取光学切片，重建微结构三维形貌。共焦显微镜横向分辨率优于常规光学显微镜，可达亚微米级。激光扫描共焦显微镜能提供更高对比度，适合测量高陡峭度的微结构。该技术操作简便，样品前处理要求低，是微光学检测的常用方法。第九章：光学镀膜技术增透膜反射膜滤光膜偏振膜保护膜其他特种膜光学镀膜是在光学元件表面沉积一层或多层薄膜材料，改变其光学特性的技术。镀膜原理基于光的干涉效应，通过精确控制薄膜厚度和折射率，可实现增透、高反射、分光、滤波等多种功能。常用镀膜材料包括金属(铝、银、金)、金属氧化物(SiO?、TiO?、Ta?O?)和氟化物(MgF?、CaF?)等。高质量镀膜需要精确控制膜层厚度、均匀性和附着力。随着光学应用要求提高，现代镀膜技术从传统的热蒸发发展到多种高精度方法，如磁控溅射、离子束辅助沉积等。本章将系统介绍各种镀膜技术原理、设备特点和工艺控制方法。真空镀膜技术蒸发镀膜蒸发镀膜是最传统的真空镀膜方法，通过加热源材料使其蒸发，在低压环境中沉积到基底表面。根据加热方式可分为电阻加热、电子束蒸发和激光蒸发等。电子束蒸发能提供更高能量，适合高熔点材料，如氧化钛和氧化锆。蒸发镀膜设备结构相对简单，成本较低，适合大批量生产。然而，其膜层密度较低，附着力一般，不适合要求极高的应用。现代设备通常配备多蒸发源系统和行星旋转装置，提高多层膜沉积效率和均匀性。离子辅助技术的引入大幅改善了蒸发膜的品质。溅射镀膜溅射镀膜利用高能离子轰击靶材，使靶材原子或分子逸出并沉积到基底上。磁控溅射是最常用的技术，通过磁场约束等离子体，提高沉积效率。与蒸发法相比，溅射膜层密度更高、附着力更强，成分控制更精确。反应性溅射可在溅射过程中引入反应气体，形成化合物薄膜，如在氧气环境中溅射钛形成TiO?薄膜。这种方法能精确控制膜层组分，适合制备复杂光学膜系。脉冲直流和射频溅射技术扩展了可溅射材料范围，包括各种绝缘体和半导体材料，极大丰富了光学镀膜的功能选择。离子辅助镀膜原理离子辅助镀膜(IAD)在传统蒸发或溅射过程中引入额外的离子束，轰击正在生长的薄膜。这些高能离子(通常为Ar?或O??)提供额外动能，改变薄膜的微观结构和生长模式。离子束能量通常为几百电子伏特，离子流密度可精确控制，以优化膜层结构而不损伤基底。设备构成典型IAD系统包括常规蒸发源、离子源和基底旋转系统。离子源可采用考夫曼型、射频型或微波型等多种结构，根据不同应用选择。现代设备通常配备自动化控制系统，实时监测膜厚和离子束参数，确保工艺稳定性。大型系统可支持多达3米直径的镀膜区域，满足大尺寸光学元件生产需求。优势相比传统方法，IAD技术制备的薄膜具有更高密度、更低内应力和更好环境稳定性。膜层结晶性更好，光学损耗更低，特别适合制备高激光损伤阈值光学元件。IAD可在较低基底温度下获得高质量薄膜，降低热应力风险，适用于温度敏感材料如某些光学塑料。此外，IAD薄膜的机械强度和耐磨性显著提升，延长了光学元件使用寿命。特种镀膜技术高反射镀膜采用多层介质膜实现超高反射率增透镀膜减少表面反射损失