Minimierte Streuung durch extrem geringe Oberflächenrauheit

Die kontinuierliche und stetige Entwicklung hin zu höheren Durchsätzen und geringeren Verlusten in Lasersystemen erfordert optische Komponenten mit minimaler Streuung, besonders, wenn hohe Laserleistungen oder kurze Wellenlängen zum Einsatz kommen. Optiken, die dies durch besonders geringe Oberflächenrauheit erreichen, werden häufig als „superpoliert“ bezeichnet. Es existiert kein Industriestandard, der besagt ab welcher Rauheit eine Optik als superpoliert bezeichnet wird.

Edmund Optics® hat einen Prozess entwickelt, mit dem optische Oberflächen auf eine RMS-Oberflächenrauheit von weniger als einem Angström (10^-10 m) für eine Streuung im ppm-Bereich poliert werden können. Superpolierte Optiken sind ideal für empfindliche Laseranwendungen wie Cavity-Ring-Down-Systeme zur Gasanalyse, Laserkreisel und andere Systeme, die Optiken mit geringen Defekten benötigen. Die genauestens kontrollierten Oberflächen werden mit verlustarmen Beschichtungstechnologien wie dem Ionenstrahlsputtern (IBS) beschichtet.

Wie werden Oberflächenrauheiten im Sub-Angström-Bereich gemessen?

Jede Messtechnik besitzt einen eigenen messbaren Ortsfrequenzbereich. Abbildung 1 zeigt die Überlappung der Frequenzbereiche von drei Technologien, die oft für die Messung der Oberflächenrauheit eingesetzt werden: konventionelle Interferometrie, Weißlichtinterferometrie (WLI) und Rasterkraftmikroskopie (AFM).

Abbildung 1: Ortsfrequenzbereiche von üblichen Geräten zeigen Überlappungen.¹

Verschiedene Ortsfrequenzbereiche entsprechen verschiedenen Typen von Oberflächendefekten. Die Frequenzbereiche haben keine klar definierten Grenzen, werden aber allgemein so verstanden, dass sie bestimmte Frequenzteilbereiche abdecken. Ein konventionelles HeNe-Interferometer ist ideal für die Messung niedriger Frequenzbereiche im Zusammenhang mit Zernike-Polynomen, auch als Formfehler bekannt. Es überschneidet sich mit dem mittleren Frequenzbereich der WLI, das Weißlichtinterferometer ist aber dennoch besser für die Messung von feineren Oberflächenfehlern geeignet, auch Welligkeit genannt. In diesem Bereich liegende Fehler erzeugen Streuung und Leistungsabfälle. Sowohl mit der WLI als auch mit der AFM kann die Oberflächenrauheit gemessen werden, die entscheidenden Ortsfrequenzbereiche sind anwendungsabhängig. Anwendungen im visuellen oder langwelligeren Bereich werden typischerweise mit weniger als 2000 Linienpaaren/mm vermessen, in diesem Fall kann die WLI genutzt werden. AFM ist ideal für eine genauere Betrachtung der Oberfläche geeignet und kann notwendig sein, um die hohen Ortsfrequenzen zu messen, die bei UV-Anwendungen benötigt werden.

Der Einsatz von Geräten mit höherem Frequenzbereich hat typischerweise den Nachteil eines kleineren Bildfeldes. AFM kann eingesetzt werden, um Oberflächen im Sub-Angström-Bereich zu vermessen, aufgrund des kleinen Bildfelds und der Empfindlichkeit sollte aber ein Einsatz im Labor einem Einsatz in der Produktion vorgezogen werden. Datenabgleiche zwischen AFM und WLI in Kombination mit Maßnahmen, die eine hohe Leistungsfähigkeit der WLI sicherstellen, haben es Edmund Optics® ermöglicht zu belegen, dass die WLI ein effektives Werkzeug in der Produktion für die Messung der RMS-Oberflächenrauheit von superpolierten Oberflächen im Sub-Angström-Bereich sein kann. Die gesamten Details zur Messung der Oberflächenrauheit im Sub-Angström-Bereich können unseren SPIE Konferenzpublikationen entnommen werden.²

Wie werden superpolierte Optiken hergestellt?

Die traditionelle subtraktive Optikpolitur ist ein iterativer Prozess, bei dem nach und nach feinere Körnungen von Poliermitteln eingesetzt werden, um die Schäden zu beseitigen, die durch frühere Schleif- und Polierschritte erzeugt wurden. Aber unabhängig davon wie fein die Körnung ist, wird es bei der Politur immer Schäden unterhalb der Oberfläche geben. Schäden auf und unterhalb der Oberfläche erhöhen die Oberflächenrauheit und Energieabsorption und führen zu einer erhöhten Energiestreuung, die Wärme und eine geringere Systemeffizienz verursacht. Die Streuung ist proportional zum Quadrat der Oberflächenrauheit.

Der Prozess, der bei Edmund Optics genutzt wird, um superpolierte Optiken zu erzeugen, vermeidet Schäden unterhalb der Oberfläche komplett, weil statt der mechanischen Politur eine chemische Reaktion zwischen Poliermittel, Glas und Polierwerkzeug eingesetzt wird. Mechanische Einwirkung wird nur zur Entfernung von größeren Substratteilen eingesetzt, die chemische Reaktion findet dann in der Beilby-Schicht statt. Während Quarzglas wasserunlöslich ist, ist die Beilby-Schicht eine Quarzschicht, die sich während der Politur bildet und die durch die Diffusion von Hydroxyl-Ionen verändert werden kann. Einmal entstanden, hilft sie das Substrat vor weiteren Veränderungen zu schützen.³

Optiken mit Sub-Angström-Oberflächenrauheit werden durch Eintauch-Politur hergestellt, wobei eine hydratisierte Scheibe mit Poliermittel auf der gleichen Temperatur wie die Optik gehalten wird. Sowohl Temperatur als auch pH-Wert werden genau kontrolliert, um eine chemische Reaktion zu ermöglichen, während die Oberflächenspannung eine Barriere gegen Verunreinigungen bildet.⁴ Die genauen Details zu dem Eintauch-Politurprozess von Edmund Optics können in unseren SPIE Konferenzpublikationen nachgelesen werden.

Superpolierte Optiken von Edmund Optics

Edmund Optics hat gezeigt, dass auf Sub-Angström genaue superpolierte Oberflächen wiederholt bei planen oder sphärischen Optiken aus Quarzglas erzeugt werden können. Der Herstellungsprozess hinterließ auf der Oberfläche keine erkennbare Struktur und die Optiken besaßen keine messbaren Defekte unterhalb der Oberflächen (Tabelle 1).

Tabelle 1: Die Eintauch-Politur reduziert die RMS-Oberflächenrauheit von >7Å to <1Å. Weitere Details können in unseren SPIE Konferenzpublikationen nachgelesen werden.