當(dāng)今光學(xué)加工方面教育教學(xué)研究

金玉亮

摘? 要：為了在光學(xué)加工過(guò)程中提高紫外增透能力，我們開發(fā)了一種有效的制造工藝。在紫外光范圍內(nèi)透射增強(qiáng)顯著。透鏡表面的局部測(cè)量顯示，對(duì)于紫外光而言，其反射率大大降低，而這種現(xiàn)象在整個(gè)透鏡上都是均勻的。由此可見，本研究在提高光學(xué)加工中的紫外增透具有很好的適用性。

關(guān)鍵詞：光學(xué)加工，紫外，增透，工藝

抗反射表面是許多光學(xué)應(yīng)用的基本要求。它們可以在許多光學(xué)產(chǎn)品中被找到，包括眼鏡鏡片和照相機(jī)物鏡，以及高度專業(yè)化的光學(xué)和實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。抗反射表面采用兩種主要技術(shù)：干涉涂層^[1]和抗反射結(jié)構(gòu)，也稱為motheye結(jié)構(gòu)^[2]。涂層使用相消干涉來(lái)減少光的反射。為了獲得更寬的光譜性能和角度接收度，必須在光學(xué)表面上沉積多層疊層。與抗反射涂層相比，ARS^[3]表現(xiàn)出一些重要的優(yōu)點(diǎn)。它們作用于寬光譜范圍，并且由于其單片結(jié)構(gòu)而對(duì)高功率密度的光穩(wěn)定。盡管這些結(jié)構(gòu)不具備涂層的機(jī)械穩(wěn)定性，但ARS在各種光學(xué)的應(yīng)用中越來(lái)越受到關(guān)注。

一、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

我們開發(fā)了一種自下而上的技術(shù)，不需要任何掩模步驟，只需一個(gè)工藝步驟就能在熔融石英中生成ARS。在蝕刻過(guò)程中，掩模由蝕刻化學(xué)物質(zhì)本身產(chǎn)生，即所謂的自掩模。因此，出現(xiàn)了完全隨機(jī)分布的納米結(jié)構(gòu)。它們表現(xiàn)出顯著的抗反射性能，通過(guò)改變蝕刻條件，我們能夠控制結(jié)構(gòu)的抗反射性能，在紫外光、可見光和紅外光范圍內(nèi)具有最大的透射率，如圖1所示。由于具有自掩模特性，并且不需要任何光刻制造步驟，我們不僅可以在平面上制造ARS，而且還可以在二元光柵和透鏡等結(jié)構(gòu)表面和曲面上制造ARS。

使用平凸透鏡，由熔融石英制成，直徑25.0mm，焦距37.0mm，棱角45°。在清洗鏡片后，凸面用我們的干蝕刻工藝處理，在這些表面上形成ARS，其目標(biāo)最大透射率在350nm至450nm波長(zhǎng)之間。在等離子體蝕刻過(guò)程中，通過(guò)自掩模在透鏡表面形成ARS。蝕刻之后，鏡片就可以使用了。我們使用掃描電子顯微鏡（SEM）圖像、波前分析（干涉測(cè)量）以及透射和反射測(cè)量來(lái)對(duì)透鏡進(jìn)行表征。

二、 仿真分析

波前測(cè)量用于檢查在蝕刻過(guò)程中透鏡形狀的變形。在這些測(cè)量中，透鏡在蝕刻前后進(jìn)行了表征。經(jīng)過(guò)蝕刻減法處理后，平均總?cè)コ繛?50nm。圖1顯示蝕刻后峰谷的最大表面變化約為100nm。這是因?yàn)橥哥R曲面上的蝕刻速率略有不同。但這對(duì)ARS的形成和形狀的影響相當(dāng)小。此外，透鏡的遠(yuǎn)場(chǎng)性能不會(huì)受到100nm輪廓變化的負(fù)面影響。

我們進(jìn)行了兩種測(cè)量，首先，使用自制的測(cè)量裝置確定了透鏡幾乎整個(gè)孔徑的光譜透射率。通過(guò)將ARS鏡片與未經(jīng)處理的鏡片進(jìn)行比較，可以確定它們的相對(duì)透射率。

三、 測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在所選波長(zhǎng)區(qū)間中，透射率增加了約3%，這與3.6%的理論值非常接近。該值是通過(guò)考慮熔融石英單一界面上的垂直入射來(lái)計(jì)算的。透鏡上的表面反射被局部確定。透鏡在沒(méi)有散焦的情況下安裝在反射光顯微鏡上。我們使用了氘白光光源和分束器，并用光柵光譜儀測(cè)量了透鏡的反射。圖5顯示，透鏡表面的局部反射顯著減少，尤其是在紫外光范圍內(nèi)。即使在42°的高入射角下，反射仍低于0.6%和1.5%。在300nm波長(zhǎng)下，我們?cè)谡麄€(gè)角譜上測(cè)得的反射率低于0.1%。然而，對(duì)于非常短的波長(zhǎng)，由于反射測(cè)量中不包括散射比例，因此我們不能排除發(fā)生散射的情況。但是由于這些短波長(zhǎng)的透射率仍在大幅增加，所以散射比例不可能很高。此外，我們還分析了透鏡上反射行為的均勻性。本研究中，反射是在25°的恒定方位角下測(cè)量的，同時(shí)沿極軸旋轉(zhuǎn)透鏡。

四、 結(jié)論

本文開發(fā)的自下而上的制造流程在一個(gè)單個(gè)的流程步驟中通過(guò)自組織創(chuàng)建了這些ARS。通過(guò)改變我們的制造條件，我們可以控制結(jié)構(gòu)的抗反射性能，從而使其適應(yīng)特定的應(yīng)用。

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