镜面基板 Mirror substrates

2022-11-09 09:12:44 浏览:355

定义

可以沉积激光反射镜涂层的基材。

激光反射镜和其他类型的反射镜通常是通过在合适的未涂层镜基板上沉积某种镜面涂层(介电涂层或有时是金属涂层)来制造的。 在大多数情况下,这种基板由一些玻璃(或有时由玻璃陶瓷制成,很少由金属制成)并具有圆柱形。 例如,这种直径为25毫米的工件可以放入标准反射镜支架中,通过该支架可以准确稳定地定位反射镜(例如,可能是激光谐振器的一部分)。 还提供矩形。 前表面,有时还需要以高光学质量进行抛光。

基材有时也称为镜面坯料,但这可能会导致混淆,因为坯料通常被理解为毛坯,以后需要研磨和抛光。

反射镜基板也可用于其他光学元件,如分束器、滤光片和光学窗口。

一种特殊情况是晶体反射镜,其中半导体反射镜结构外延生长,然后有时转移到另一个基板上。

镜面基板的制造

制造从一些原始玻璃(或玻璃陶瓷)开始。 它可以以块状玻璃的形式交付。

然后将其切成空白,具有大致正确的形状。 数控机床通常用于切割。 或者,可以使用预成型的模制坯料。

边缘通常配有倒角,通常通过研磨或铣削制成,通常在进行最终研磨和抛光之前。

然后通过研磨生成最终的表面形状,并通过抛光过程优化表面质量。 外部部件(例如圆柱罩)通常保持研磨。

最后,需要清洁基材以去除任何加工残留物,并进行最终检查以进行质量控制。 这通常涉及使用Twyman-Green干涉仪。

基板制造可以在应用镜面涂层的同一工厂或其他地方完成。

光学平面也可以用作具有特别高平坦度的镜面基板。

镜面基板的特性

虽然镜子的实际功能是由镜面涂层执行的,但镜面基板的各种特性(如下所述)在实践中可能具有相关性。

尺寸

最常见的是使用圆柱形的基板,除了一些可能的表面曲率(见下文)。 典型直径为 1 英寸(≈25.4 毫米)或半英寸(≈12.7 毫米),以及类似的公制尺寸,如 25.0 毫米和 12.5 毫米。 原则上,即使是较小的尺寸对于大多数激光器也足够了,但特别是在实验设置中,使用较大的尺寸可能更方便,例如,在不移动镜架的情况下可以更自由地选择反射位置。 还提供各种其他直径值,例如 4 mm 或 50 mm 或更大的直径值。 甚至更大的镜子是为一些特殊应用而制造的 - 例如,用于光学望远镜的直径为几米。

直径为 25 mm 的普通激光反射镜基板的厚度通常为几毫米 – 例如 6 mm。 较薄的基板暂时更难以稳定的方式安装,例如,使用来自径向方向的几个螺钉的标准方法。 此外,当受到一些机械力时,它们会弯曲得更多。

除了标称尺寸之外,一些机械公差也很重要。 例如,在某些情况下,端面的高度平行度或具有明确定义的楔角至关重要。 通常,镜子直径应精确在±0.1毫米以内。 输出耦合器反射镜的楔形通常很重要,尽管楔角的确切大小通常并不重要。 当然,严格的公差会大大增加生产成本和价格。

曲率半径

虽然许多镜子具有平坦的表面,但通常需要具有曲面的镜子;凹曲率导致光束聚焦,而凸曲率导致散焦镜。 对于法向入射,有效焦距为曲率半径的一半;关于焦距的文章讲述了非正常发生率的变化。 背面通常是平坦的,但也可以获得凹凸基板。

对于曲面,指定的厚度通常适用于基板的最大厚度 - 例如,在凸曲率的情况下,适用于中心厚度。

对于强曲率,例如曲率半径远低于10 mm,可能很难生产高质量的镜面镀膜。 然而,一些专家可以制作半径为 1 毫米左右的优质镜子。 然后还需要小型非标准基板。

特殊形状

一些应用需要具有特殊形状的镜面基板,例如前表面呈椭圆形而不是圆形,或具有抛物线曲率。 人们有时还需要一面带孔的镜子,通过它可以传输一些辐射。

特殊形状基板的生产通常从标准形状的基板开始,并对其应用一些额外的加工步骤,例如切割某些零件或钻孔。

材料

根据要求,镜面基板使用各种材料。 常用的基板材料是硼硅酸盐玻璃,如BK7或熔融石英,因为它们以合理的成本提供高质量,并且在整个可见光范围内具有良好的光学质量,并在一定程度上进入红外线。 其他可能的选择是其他皇冠和燧石玻璃,零热膨胀玻璃陶瓷(例如Zerodur),蓝宝石和人造钻石。 在某些情况下,例如对于红外光学器件,需要特殊的晶体材料,如氟化钙(CaF2)或氟化镁(MgF2).

对于高反射镜,基板材料的光学特性通常无关紧要。 然后可以考虑以下几点:

许多属性可能与应用程序相关;因此,在不同情况下使用不同的材料。

  • 材料应该是坚硬的,非常坚硬(高刚度)。 请注意,当施加镜面涂层时,可能会产生一些相当大的机械力,因为涂层材料通常不会具有与基材完全相同的热膨胀系数。 基材硬度不应太强,以避免在达到所需表面质量时出现问题。 典型的光学玻璃在这方面是好的。
  • 在某些情况下,热膨胀系数的某些匹配可能是相关的 - 例如关于基材和应用的涂层。 可能还有其他细节会影响涂层如何粘附在镜面上。
  • 对于用于高功率激光器谐振器的反射镜,需要良好的热光学性能,即高导热性和低热膨胀系数。 否则,镜面表面的一些加热通过镜面涂层的残余吸收可能导致明显的表面变形,从而引起一种热透镜,通常包括大量的像差。 人们有时会使用零热膨胀材料,然而在导热性方面通常并不理想。 当然,还应尽量减少涂层的残留吸收。
  • 当然,高化学稳定性是可取的——例如,对湿度不敏感。 这是大多数镜面基板给出的,但在红外光学的背景下可能是一个问题,需要使用非常特殊的材料。

对于部分反射镜或二向色镜,其中光线必须通过基板传输,光学特性也很重要:

  • 通常,人们需要高透射率才能不损失任何光,并且对于高功率操作,还需要避免显着加热。
  • 材料还应具有光学均匀性,以避免任何光束变形。

基板的背面通常也应进行高质量的抛光,并且可能需要自己的涂层(例如减反射涂层)。

表面质量

大多数镜面基板具有标准的光学质量,例如具有λ/10的表面平整度(在某些给定的测试波长下)和10-5的划痕-凹痕图。

基板的平整度可以用干涉仪测量,半径与精确的光学平面相比有效。

表面形状公差通常使用干涉仪测量,例如使用绿光的Twyman-Green干涉仪和用作参考表面的精确光学平面。 平面度用两个平行假想平面之间的距离来量化,其中一个与曲面的最高点相切,另一个与最低点相切。 不完美的平整度可能只是由一定程度的曲率(这会导致一些聚焦,但没有明显的光束畸变)和/或表面不规则性造成的。 可以通过将球形拟合到实际基板表面形状并量化差异来定义表面不规则性。 详细信息在 ISO 10110 等行业标准中定义。

关于镜子的文章包含有关表面质量的其他详细信息。

对于非常大的镜面基板,例如天文望远镜的要求,要实现严格的表面形状公差和始终如一的高表面质量更加困难。 另请注意,基板本身的重量很容易引起一些弯曲,如果这不能通过非常仔细和受控的安装来补偿。

基板的标准光学质量足以满足大多数目的。 然而,它们是具有更高表面质量的超抛光光学元件,可满足某些特殊应用的要求,例如当需要极端反射率或涉及非常短的波长时。

基础光学

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