基于离子束的光学薄膜元件的面形控制方法

技术领域

本发明属于光学薄膜技术领域，涉及高面形精度激光薄膜的制备，具体是一种基于离子束的光学薄膜元件的面形控制方法。

背景技术

光学薄膜几乎是所有光学系统中不可缺少的光学元件，近些年来，随着高功率的激光器的发展，对系统中光学薄膜元件的性能提出了更高的要求。

在激光干涉引力波探测器、激光陀螺等高精密光学系统中，对反射镜性能的要求也都特别高。在这些高精密光学薄膜的制备中，由于高能粒子的堆积会不可避免地引入应力，应力的存在则会使元件面形发生变化，过强的张应力或压应力会使膜层破裂和脱落。残余应力也会影响光学基片表面的平行度，使光学基片表面的面形发生改变，当光波入射到光学元件上时其反射光束的波前产生变形，从而改变系统的能量分布和光学质量。

矢高值(Power，P)是衡量薄膜元件残余应力大小的参数，将元件波前形状视为球面进行拟合，元件表面中心点到最佳拟合球面相应点的距离即为矢高值，是元件宏观形变量的体现。峰谷值(peak-to-valley，PV)表示元件表面最高点与最低点的高度差，反映整体形貌分布及波前总体畸变，值越小元件形变量越小。

现有研究中，一般将离子束技术用于改善基底亚表面缺陷，目前关于改善薄膜应力的方法主要有高温退火法、基底预加工法、背面补偿法等，高温退火法可能会因不同材料之间的热膨胀系数不匹配而导致薄膜分层或断裂，基底预加工法的成本较高适应范围较窄，通过离子束技术将薄膜元件的补偿与刻蚀相结合，利用所给补偿与刻蚀公式可以实现面形的高精度控制，还不会对薄膜元件造成二次污染，通过离子束技术可以使光学薄膜元件达到无残余应力双面平衡状态，满足高功率激光系统的性能要求。

发明内容

本发明的目的在于通过离子束技术修正薄膜面形形变，使光学薄膜元件达到无残余应力双面平衡状态，具体操作过程如下：

步骤1：在空白基底上制备光学薄膜元件；

步骤2：测量光学薄膜元件的面形矢高值P

步骤3：计算该光学薄膜元件背面沉积补偿面的补偿厚度d，公式(1)如下：

d＝k×ΔP+anm (公式1)

式中，ΔP为镀膜后薄膜元件矢高值P

步骤4：在该光学薄膜元件背面沉积形成补偿厚度d的补偿面；

步骤5：测量补偿后光学薄膜元件的面形矢高值P

t＝d×P

其中矢高值(Power，P)与残余应力的关系为：

Es和v

所述步骤1光学薄膜是由SiO

所述步骤1基底材料为熔石英玻璃、ZF4玻璃、K9玻璃、单晶Si等。

所述步骤3在光学元件背面沉积的补偿面为SiO

所述步骤4补偿面的沉积方法为双离子束溅射沉积、离子束辅助沉积、电子束蒸发沉积、原子层沉积、磁控溅射沉积中的一种。

所述步骤5对补偿面刻蚀，刻蚀离子源为考夫曼离子源、霍尔离子源中的一种，离子源工作气体为氩气。

本发明的技术效果为：

提出一种新的面形修正方法，应用离子束技术将膜层的补偿与刻蚀相结合，根据面形测量结果，利用所给公式可得具体修正值，使面形修正更加精确。

附图说明

图1是本发明基于离子束的光学薄膜元件的面形控制方法的流程图

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。

用干涉仪测量空白熔石英玻璃的峰谷值(peak-to-valley，PV)和矢高值(Power，P)，以该熔石英玻璃为基底，SiO

d＝-919.699×ΔP+38.324nm

表1镀膜前后Power(P)值和PV值(λ＝632.8nm)

根据上述公式在基底另一面沉积SiO

再次测量已初步补偿好的高反膜面形矢高值P

表2补偿厚度d及刻蚀厚度t

将样品放进真空室进行SiO

表3面形修正前后Power(P)值和PV值对比