1、第5卷第6期2007年12月光學(xué)與光電技術(shù)OPTICS &OP TO EL ECTRON IC TECHNOLO GYVol. 5, No. 6December , 2007收稿日期2007205210; 收到修改稿日期2007207202作者簡(jiǎn)介任寰(1976- , 女, 助理研究員, 主要從事高精度光學(xué)元件檢驗(yàn)及膜層處理技術(shù)的研究。E 2mail :huandxj . cn文章編號(hào):167223392(2007 0620048204光學(xué)材料光學(xué)均勻性檢測(cè)方法分析任寰袁靜許華陳波湯曉青馬可馬玉榮楊一(中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心, 綿陽(yáng)621900摘要光學(xué)均勻性是光學(xué)材料的重要指標(biāo),

2、相差。慣性約束聚變(Inertial Confine Fusion ,ICF 進(jìn)行高精度的檢測(cè), 同時(shí)兼顧潔凈度要求。均勻性的檢測(cè), , , 樣品的厚度測(cè)量偏差及折射系數(shù)偏差對(duì)結(jié)果的影響較小, 。, 對(duì)比了不同干, 表明這兩種情況下對(duì)光學(xué)均勻性的處理結(jié)果相符, 解決了大口徑光學(xué)坯件光學(xué)均勻性的檢測(cè)問題。關(guān)鍵詞光學(xué)均勻性; 波前; 光學(xué)材料; 折射系數(shù)中圖分類號(hào)TN247文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A1引言ICF (Inertial Confine Fusion 激光驅(qū)動(dòng)器的研制要求對(duì)材料光學(xué)均勻性進(jìn)行高精度的檢測(cè), 同時(shí)兼顧潔凈度要求。目前參照的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中, 對(duì)材料光學(xué)均勻性的檢測(cè)提供了三種方法1:平行光管法、

3、全息干涉法、多光束球面干涉法。但受到檢測(cè)精度、檢測(cè)口徑及潔凈度的限制, 上述三種方法并不能滿足項(xiàng)目實(shí)際需求。目前國(guó)外一些光學(xué)材料生產(chǎn)廠家已通過斐索干涉儀實(shí)現(xiàn)了大口徑光學(xué)材料的均勻性檢測(cè)224, 該方法由于結(jié)果不受樣品兩表面反射面形及標(biāo)準(zhǔn)平板面形質(zhì)量的影響, 可近似看為是一種絕對(duì)檢測(cè)方法, 具有檢測(cè)準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)。本文利用現(xiàn)有設(shè)備, 對(duì)檢測(cè)方法進(jìn)行了改進(jìn), 并與國(guó)外檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比, 對(duì)檢測(cè)過程中的影響因素進(jìn)行了分析, 同時(shí)對(duì)比了不同干涉儀光學(xué)均勻性的計(jì)算結(jié)果, 解決了大口徑光學(xué)坯件光學(xué)均勻性的檢測(cè)問題。2不同檢測(cè)方法分析2. 1平行光管法平行光管法是一種定性檢測(cè)方法。采用一對(duì)平行光管裝置,

4、一個(gè)作為準(zhǔn)直光管, 一個(gè)作為望遠(yuǎn)鏡, 用望遠(yuǎn)鏡觀察放入樣品之后的分辨率板的臨界分辨率組數(shù)(必須4個(gè)方向的黑白條帶均能分辨開 , 及星點(diǎn)像的變化程度和分布狀況, 根據(jù)式(1 計(jì)算結(jié)果并取最大值確定均勻性等級(jí):0=f 120(1 式中, D 為物鏡直徑, 為樣品分辨率, 0是理論分辨率, f 是平行光管焦距, x 為條帶寬度。該方法檢測(cè)材料光學(xué)均勻性, 必須使用兩塊貼置玻璃, 并且要求貼置玻璃的光學(xué)均勻性不大于110-6, 兩工作面的平行度不大于20, 平面度不大于/4, 局部平面度不大于/20, 為波長(zhǎng)。2. 2全息干涉法采用二次曝光全息差分干涉原理, 將被測(cè)材料樣品的反射干涉條紋和透射干涉條紋

5、記錄在同一張全息圖上, 從全息圖的再現(xiàn)波面計(jì)算樣品的折射率微差和厚度微差。測(cè)試精度達(dá)到110-6。這種方法既可實(shí)現(xiàn)細(xì)磨樣品的檢測(cè), 也可實(shí)現(xiàn)拋光樣品的檢測(cè)。但要求拋光樣品平面度等于/2, 局部平面度等于/4, 兩通光面平行度為510, 這無疑對(duì)樣品的前期加工提出了更高的要求, 造成檢測(cè)加工成本的增加。在對(duì)細(xì)磨樣品均勻性進(jìn)行檢測(cè)時(shí), 對(duì)貼置玻璃也提出了近乎苛刻的要 第6期任寰等:光學(xué)材料光學(xué)均勻性檢測(cè)方法分析求:兩工作面的平面度等于/20, 局部平面度等于/30, 平行度為1, 光學(xué)均勻性不大于510-7。這同時(shí)給貼置玻璃質(zhì)量及檢測(cè)提出了新的要求。2. 3多光束球面干涉法該方法利用干涉條紋的彎曲

6、量與折射率分布之間的關(guān)系, 通過觀察樣品及貼置玻璃的綜合透射干涉條紋的彎曲度及條紋間距, 對(duì)均勻性進(jìn)行計(jì)算, 精度可達(dá)210-6。這種方法同樣對(duì)貼置玻璃提出了較高的要求, 要實(shí)現(xiàn)較大口徑材料樣品的檢測(cè), 成為影響檢測(cè)的關(guān)鍵。同時(shí), 足項(xiàng)目需求。在減小檢測(cè)加工成本的基礎(chǔ)上, 提高檢測(cè)精度, 簡(jiǎn)化檢測(cè)程序。為此, 在經(jīng)過大量調(diào)研及實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 提出采用現(xiàn)有斐索式干涉儀, 對(duì)材料樣品進(jìn)行一定程度的拋光, 在檢測(cè)樣品透射波前畸變及兩表面面形誤差的同時(shí), 實(shí)現(xiàn)光學(xué)均勻性的檢測(cè)。3實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)中在不翻轉(zhuǎn)樣品的情況下, 分別對(duì)樣品透射波前畸變、樣品兩表面反射面形誤差、干涉儀空腔數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè), 通過對(duì)比放入

7、樣品前后的干涉條紋變化, 得出材料內(nèi)部均勻性信息, 過程示意如圖1所示 。圖1光學(xué)材料光學(xué)均勻性檢測(cè)過程示意圖Fig. 1Schematic diagram of measuringoptical material homogeneity樣品光學(xué)均勻性按照式(2 計(jì)算6:n =t 0(n 0-1 (M 1-M 2 +n 0(M 3-M 4 (2式中, M 1、M 2、M 4分別為樣品兩表面和反射平板反射面面形誤差, M 3為樣品透射波前畸變, n 0為樣品在檢測(cè)波長(zhǎng)下的折射系數(shù), t 0為樣品厚度?？梢钥闯? 該方法檢測(cè)光學(xué)均勻性, 結(jié)果不受樣品兩表面反射面形及標(biāo)準(zhǔn)平板面形質(zhì)量的影響。4實(shí)驗(yàn)結(jié)

8、果4. 1與國(guó)外數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)中任意選取了一塊由德國(guó)肖特生產(chǎn)的編號(hào)為06122C51B 的熔石英材料, 幾何尺寸為345mm 345mm 48. 30mm , 兩工作表面在出, 并有足夠的不平行, 即中, 及典型邊角, 為了便于比, 表1為實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)與廠方數(shù)據(jù)的對(duì)比情況。表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與出廠數(shù)據(jù)對(duì)比T able 1C omparison of experimental data and factory data數(shù)據(jù)口徑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)廠方數(shù)據(jù)300mm 3. 09410-63. 02410-60. 07010-6-6-6-6從表中可以看出, 對(duì)于該材料的光學(xué)均勻性檢測(cè), 我方實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與廠方檢測(cè)數(shù)據(jù)相差量

9、級(jí)為10-8, 可認(rèn)為完全吻合。4. 2不同設(shè)備數(shù)據(jù)對(duì)比由于現(xiàn)在各地區(qū)使用的干涉儀不盡相同, 都具有獨(dú)立不同的軟件處理平臺(tái), 也曾出現(xiàn)對(duì)于某些參數(shù)指標(biāo)不同設(shè)備處理結(jié)果不相同, 甚至是相差懸殊的情況, 實(shí)驗(yàn)中采用斐索干涉儀對(duì)光學(xué)材料均勻性的絕對(duì)檢測(cè)方法, 對(duì)大量熔石英樣品的光學(xué)均勻性進(jìn)行了檢測(cè), 并用不同的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。如圖2所示是用兩種干涉儀專用軟件對(duì)同一塊熔石英樣品進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得到的光學(xué)均勻性分布情況圖, 可以看出, 兩副圖中輪廓高低分布完全一致。圖2不同干涉儀軟件分析得到的光學(xué)均勻性分析狀況Fig. 2Optical homogeneity distribution result

10、s withdifferent interferometer software94光學(xué)與光電技術(shù)第5卷 如圖3所示是采用這兩種軟件對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的一個(gè)統(tǒng)計(jì)情況, 得到這兩種情況下光學(xué)均勻性PV 值最大相差1. 8910-7, RMS 值最大相差810-9。(a (n PV (b 光學(xué)均勻性均方根值(n 2RMS 圖3典型干涉儀軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理結(jié)果統(tǒng)計(jì)Fig. 3Statistics results of typical interferometer software5影響因素分析由式(2 可知, 在不存在明顯的加工應(yīng)力及材料內(nèi)部殘留應(yīng)力的情況下, 同時(shí)假定樣品面形質(zhì)量檢測(cè)可靠, 只有樣品的厚

11、度檢測(cè)誤差和樣品折射系數(shù)偏差會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的最終處理結(jié)果帶來影響。5. 1樣品厚度的影響目前對(duì)樣品的厚度檢測(cè)用游標(biāo)卡尺或外徑千分尺來實(shí)現(xiàn), 以游標(biāo)卡尺為例, 其檢測(cè)準(zhǔn)確度可到0. 02mm 。對(duì)于大口徑樣品來說, 不可能對(duì)每個(gè)地方的厚度都進(jìn)行檢測(cè), 目前通用的方法是在長(zhǎng)寬方向各測(cè)量幾個(gè)區(qū)域之后取其平均值作為樣品的厚度, 這樣會(huì)引入較大的誤差。為了排除兩工作表面自干涉的影響, 樣品需加工出一定的楔角, 這樣造成樣品兩對(duì)邊位置厚度相差約0. 5mm 。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定厚度公差為0. 5mm , 即厚度變化范圍為-0. 50. 5mm , 對(duì)光學(xué)均勻性的結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖4所示。(n 2PV (b 光學(xué)均

12、勻性均方根值(n 2RMS 圖4樣品厚度檢測(cè)對(duì)光學(xué)均勻性的影響統(tǒng)計(jì)Fig. 4Influence of optical thickness由圖4知隨著樣品厚度在-0. 50. 5mm 范圍變化, 其光學(xué)均勻性PV 值變化1. 1310-7,RMS 值變化2. 710-9?？梢哉f, 檢測(cè)過程中厚度的測(cè)量偏差對(duì)其影響在10-7量級(jí), 較之10-6量級(jí)的精度要求而言, 完全可以忽略。5. 2樣品折射系數(shù)的影響實(shí)驗(yàn)中并未對(duì)樣品在檢測(cè)波長(zhǎng)下的折射系數(shù)進(jìn)行檢測(cè), 而是參考光學(xué)玻璃手冊(cè)中的數(shù)據(jù)。該手冊(cè)中的折射系數(shù)數(shù)據(jù)是根據(jù)G B7962. 11-87無色光學(xué)玻璃測(cè)試方法折射率精密測(cè)試方法測(cè)量得到, 其值在-

13、310-6310-6之間。其數(shù)據(jù)是在20C 1C 的溫度下測(cè)得的, 和實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度有1C 的差異, 實(shí)驗(yàn)中選擇樣品折射系數(shù)公差為0. 00025, 統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。(a 光學(xué)均勻性峰谷值(n 2PV 05 第6期任寰等: 光學(xué)材料光學(xué)均勻性檢測(cè)方法分析(b 光學(xué)均勻性均方根值(n 2RMS 圖5樣品折射系數(shù)對(duì)光學(xué)均勻性的影響統(tǒng)計(jì)Fig. 5Influence of optical ref ractive 由圖52. 10-8,RMS -。6結(jié)論使用大口徑干涉儀對(duì)材料樣品進(jìn)行光學(xué)均勻性檢測(cè), 由于結(jié)果不受樣品兩表面反射面形及標(biāo)準(zhǔn)平板面形質(zhì)量的影響, 可近似看為是一種絕對(duì)檢測(cè)方法, 其檢測(cè)

14、準(zhǔn)確度高, 優(yōu)于510-7。檢測(cè)過程中樣品的厚度測(cè)量偏差及折射系數(shù)偏差對(duì)結(jié)果的貢獻(xiàn)均是小量, 完全可以忽略; 樣品面形的檢測(cè)準(zhǔn)確度是影響最終檢測(cè)結(jié)果的關(guān)鍵因素。影響面形檢測(cè)的主要原因是測(cè)量過程中氣流的擾動(dòng)、溫度梯度及振動(dòng)的存在, 以及樣品自身殘余應(yīng)力的影響, 對(duì)此需要更深入的研究以確定其影響程度及最佳環(huán)境要求。, , 減少了參考文獻(xiàn)1G B 7962. 2287無色光學(xué)玻璃測(cè)試方法, 光學(xué)均勻性平行光管測(cè)試方法S .北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版, 198725225. 2C Ai , J C Wyant. Measurement of the inhomogeneityof a windowJ.O

15、ptical Engineering , 1991, 30(9 :139921404. 3Johannes Schwider ,R Burow , K 2E Elssner , et al , Hom 2ogeneity testing by phase sampling interferometry J.Applied Optics , 1985, 24(18 :305923061. 4郭培基, 余景池, 于澤釗, 等. 光學(xué)玻璃光學(xué)均勻性高精度測(cè)量技術(shù)J.光學(xué)技術(shù),2001, 27(6 :5282531.Optical H omogeneity Measure Method Analysi

16、s of Optical MaterialR EN Huan YUAN Jing XU Hua C H EN Bo TAN G Xiao 2qing MA Ke MA Yu 2rong YAN G Y i(Research Center of Laser Fusion , China Academy of Engineering Physics , Mianyang 621900, China Abstract Homogeneity is an important parameter of optical material. It can directly influence the wav

17、ef ront quality of trans 2mission optical system and change wavef ront aberration. The development of ICF demands high precision measurement of optical homogeneity and clean surface. The optical homogeneity of large optical material is measured by Fizeau interferome 2ter. The experimental data are compared with the data overseas. The influence factors are including measuring error of the thickness and ref ractive index. The experimental results show that the deviations of the thickness and the refractive index can be ignored. Lot