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Minimierte Streuung durch extrem geringe Oberflächenrauheit

 

Superpolierte Optiken mit Oberflächenrauheiten unter einem Angström sind ideal für präzise Laseroptik-Anwendungen

 

Extrem verlustarme Optiken dank Beschichtung durch Ionenstrahlsputtern (IBS)

 

Polierparameter wie Temperatur, pH-Wert und Poliermittelzugabe werden genauestens kontrolliert

 

Genaue Messtechnik ist wesentlich, da die Messwerte im Sub-Angström-Bereich nahe am Grundrauschen der Messgeräte liegen

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).

Optik aus Quarzglas vor Superpolitur
  P-V (Å) RMS (Å) Ra (Å)
Durchschnitt 183.42 7.42 5.70
Bereich 2089.92 18.24 11.19
Standardabweichung 186.88 2.91 1.82
Optik aus Quarzglas nach Superpolitur
  P-V (Å) RMS (Å) Ra (Å)
Durchschnitt 14.24 0.91 0.77
Bereich 2.26 0.03 0.21
Standardabweichung 1.14 0.02 0.06
Tabelle 1: Die Eintauch-Politur reduziert die RMS-Oberflächenrauheit von >7Å to <1Å. Weitere Details können in unseren SPIE Konferenzpublikationen nachgelesen werden.

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Polieren und Messen von Oberflächen mit extrem geringer Rauheit

Um mehr über die Herstellung und Messung von superpolierten Optiken mit Subangström-Oberflächenrauheit zu erfahren, sehen Sie unser 45-minütiges On-Demand-Webinar an.

Kontaktieren Sie uns, um Ihre Anwendung und Anforderungen zu besprechen.

Superpolierte Oberflächen sind die ideale Ergänzung zu verlustarmen Beschichtungstechnologien wie Ionenstrahlsputtern (IBS), da die Leistung solcher Beschichtungen, wenn sie fachkundig aufgetragen werden, häufig durch die Rauheit des Glassubstrates begrenzt wird. Kontaktieren Sie uns, um mehr über kundenspezifische superpolierte Optiken zu erfahren, oder sehen Sie sich unten unsere lagerhaltigen Standardprodukte an.

IBS-Laserlinienspiegel

  • IBS-Spiegelbeschichtungen für geringe Verluste und hohe Reflexion
  • Garantierte hohe Laserzerstörschwellen bei der Designwellenlänge bis 15 J/cm2 @ 1064nm
  • Superpolierte Substrate mit Streuung im ppm-Bereich erhältlich

Referenzen

  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

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

FAQ  Kann Edmund Optics auch andere Materialien außer Quarzglas superpolieren?
Ja, RMS-Oberflächenrauheit im Sub-Angström-Bereich konnte auch auf N-BK7, Silizium und Kalziumfluorid erreicht werden.
FAQ  Warum setzt Edmund Optics Weißlichtinterferometrie (WLI) für die Messung der Sub-Angström-Oberflächenrauheit ein, wenn mit Rasterkraftmikroskopie (AFM) die höchsten Ortsfrequenzen gemessen werden können?

Mit AFM können die höheren Ortsfrequenzen gemessen und somit die kleineren Details aufgelöst werden, aber das kleine Bildfeld und die hohe Empfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen eignen sich nicht für Messtechnik in einem Produktionsumfeld. Mit WLI konnte ebenfalls erfolgreich Sub-Angström RMS-Oberflächenrauheit gemessen werden, ohne dass die oben genannten Nachteile auftreten.2

FAQ  Wenn die obere Ortsfrequenz bei Weißlichtinterferometrie bei ungefähr 1800 Linienpaaren/mm liegt und diese Ortsfrequenz 556 nm entspricht, wie kann dann Sub-Angström RMS-Oberflächenrauheit gemessen werden?

Die Wellenlänge 556 nm entspricht einer bestimmten Detailgröße, die das Messgerät mit einer hinreichenden Genauigkeit abbilden kann; dies ist ein Maß für die laterale Auflösung des Geräts. Die RMS-Grenze, die oft im Hinblick auf vertikale Auflösung diskutiert wird, ist weitgehend eine Funktion des Gerätegrundrauschens, das unabhängig von der Detailgröße ist.5

FAQ  Wo kann ich mehr über superpolierte Optiken erfahren?

In unseren SPIE Konferenzpublikationen über Herstellung und Vermessung von superpolierten Oberflächen erfahren Sie mehr über dieses Thema.

Tipps & Downloads

Anwendungshinweise

Technische Informationen und Anwendungsbeispiele, darunter theoretische Grundlagen, Gleichungen, grafische Darstellungen und vieles mehr.

Subsurface Damage
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Metrology for Laser Optics
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Videos

Die informativen Unternehmens- und Schulungsvideos enthalten sowohl einfache Tipps als auch anwendungsbezogene Produktdemonstrationen zur Verdeutlichung der Produktvorteile.

Introduction to Laser Optics Lab 
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Metrology at Edmund Optics: Measuring as a Key Component of Manufacturing 
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Veröffentlichte Artikel

Links zu Artikeln aus Fachzeitschriften, verfasst von unseren Ingenieuren oder mit Beiträgen aus unserem Management- oder Ingenieur-Team.

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

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

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

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

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