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选择激光基底镜片过程中的主要参数解析
来源: | 作者:程冲冲 海科思锐 | 发布时间: 10天前 | 34 次浏览 | 🔊 点击朗读正文 ❚❚ ▶ | 分享到:
      激光镜片是激光器内部和激光传输光路中最常用的器件之一，主要功能是改变激光传输的方向、偏振或者相位等特性。激光镜片通常是通过在基底镜片上镀上一层金属或者介质模实现对激光上述特性的操控。基底镜片和镀膜共同决定了激光镜片最终的性能。为了选择一款合适的激光镜片，首先需要确定的是选择合适的基底镜片。今天我们以世界知名的激光镜片品牌Layertec的常规激光镜片规格参数表作为模板，通过解析参数表中每个参数含义的方式介绍选择激光基底镜片过程中主要参数的含义以及选择依据。

    下面是从Layertec官网随机找了一款激光反射镜片的规格参数表，其中101501是这款镜片的规格型号。.这个参数表既给出了基底镜片的相关参数，又给出了镀膜参数。我们今天主要讨论基底镜片的相关参数。基底镜片的主要参数包括：材料、型状、尺寸、面形精度、光洁度参数等。这些参数不仅影响激光镜片的性能，也和镜片的价格息息相关。

基底镜片的材料

      首要决策是基底材料的选择。对于高透射率的所有波长，材料应无吸收。如果不涉及透射（例如用于金属反射镜），则可以使用低成本材料，如硼硅酸盐浮法玻璃（肖特集团）。就面形公差而言，材料具有低热膨胀系数是有利的。从上门的资料表中可以看出Layertec这款101501镜片所有材料为熔融石英（Fused silica）。以下是常用的激光镜片基底材料，每种材料在透过吸收特性，可实现的面形精度、光洁度，可加工尺寸，热膨胀，以及成本方面都存在一定差异，需要根据最终需求性能和成本等进行选择。

  • Fused Silica: Corning 7980R or equivalent
  • Fused Silica for high power applications in the NIR:

Suprasil 300/3001/3002 / Corning 7979R or equivalent

  • UV Fused Silica (excimer grade): SQ1 E-193 and SQ1 E-248
  • IR Fused Silica: Infrasil 302 or equivalent
  • ULE
  • Zerodur
  • N-BK7 or equivalent
  • CaF2: single crystal, randomly oriented, special orientations

on request, excimer grade (248 nm and 193 nm) on
request

  • Sapphire: single crystal, C-cut
  • YAG: undoped, single crystal, randomly oriented

基底镜片形状

     必须分别指定两个表面的形状。平面、凸面和凹面可以任意组合。楔角（例如30角分）也同样适用，它可以应用于任何类型的表面，无论是平面、凸面还是凹面。对于曲面基底，曲率半径的符号有不同的约定。有时“+”表示凸面，“-”表示凹面。其他用户则参考光的传播方向。在这种情况下，“+”表示“曲率方向与传播方向相同”，“-”表示“曲率方向与传播方向相反”。为避免混淆，请用文字说明是凹面还是凸面，或使用缩写 CC（凹面）或 CX（凸面）。我们的参考案例101501镜片是平凹型状（pl-concave）。

基底镜片尺寸

       主要决策应围绕基底的尺寸，即边长或直径。小直径更有利于生产。因为矢高更低，更容易实现良好的面形公差。虽然在光学设计中常常有不同标注，但LAYERTEC公司将厚度规定为基底的最大厚度，即平凸基底的中心厚度和平凹基底的边缘厚度。相应地，楔形板的厚度是在较厚的一侧进行测量。
      为了获得良好的面形公差，需要考虑直径与厚度的比率。根据经验，厚度至少应为直径的五分之一。当然，其他比例也是可能的，但生产成本和价格会随之增加。

基底镜片公差

     除了尺寸和材料，公差对制造成本和定价至关重要。当然，光学元件必须适合安装，因此直径不应大于规定值。因此，最常见的规格是直径 = X 毫米（+0毫米 / -0.1毫米）。相比之下，厚度通常在正负两个方向上都有自由度。LAYERTEC通常将其公差规定为 ±0.1 毫米。关于楔角、平行度和定心度的规格存在很多混淆。请注意，楔角和平行度描述的是两个光学表面之间的角度，而定心度描述的是光学表面与侧面之间的角度。LAYERTEC标准基底的平行度优于5角分。特制的平行平板其平行度可优于10角秒。标准楔形基底的楔角为0.5°或1°。根据基底尺寸，可以实现更大的楔角。通常，光学表面与侧面之间的90°角精度为20角分。定心是一个额外的光学加工步骤，可将此精度提高到几角分。
      曲面基底可以使用相同的术语来描述。应区分反射镜和透镜。反射镜基底的侧面是平行的。尽管如此，光轴的方向可能相对于侧面是倾斜的。定心后，侧面与光轴平行。
     我们的参考案例101501的直径是12.7mm，公差是-0.1mm，厚度是6.35mm，公差是+/-0.1mm，平行度是5角分。
基底镜片的面形公差
      面形公差通常用干涉仪测量，并以参考波长 λ = 546 nm（除非另有说明）为单位进行规定。为避免混淆，有必要明确区分平面度、光圈数和不规则度。下面将以平面表面为例解释平面度（平坦度）和不规则度。一般来说，每个真实表面或多或少都是弯曲的。想象一个真实表面的波峰和波谷被平行平面所覆盖（见图2）。这些平面之间的距离称为平面度。这个平面度由两部分组成。第一部分是表面的球形弯曲，可以用一个最佳拟合球面来描述。相对于理想平面，此曲率的矢高称为光圈数。这种球形弯曲不会影响反射光束的质量，它只会导致一个有限的焦距。第二部分是与最佳拟合球面的偏差，称为不规则度。这是影响光束质量的最重要数值。
      国际标准 ISO 10110 提供了一种充分的方法来规范面形公差。为了与测量结果具有最佳可比性，所有数值均以干涉条纹的数量表示，1个条纹 = λ/2。根据 ISO 10110，在技术图纸中，面形公差被分配为项目编号 3/。
     示例：一个略微弯曲（λ/4）且规则度好（λ/10）的光学元件，其规格应标注为：3/0.5 (0.2)
    如果光学元件仅用于透射（例如激光窗口），则光圈数和不规则度都无关紧要。如果光学元件在整个通光孔径内具有相同的厚度，则透射光束不受影响。厚度偏差对透射光束的影响以一种类似平面度的方式进行定义，它也用参考波长的部分来测量，称为"透射波前"（项目编号 13/）。例如，图2中的窗口具有λ/4 的平面度，但其透射波前为 λ/10。
    我们的参考案例101501的面形精度为3/-(0.2)，只给出了不规则度为0.2，相当于λ/10，没有给出平面度。

镀膜应力

     基底需要能够承受镀膜应力。镀膜会引起球形变形（对于旋转对称的膜层）。这意味着会产生有限的矢高或光圈数。对于圆形基底，不规则度不受此影响。即使考虑光圈数偏差，正入射光束的质量也不会受到影响。

基底镜片的表面缺陷

     ISO 10110 是描述光学元件的国际标准。根据 ISO 10110，最大允许的表面缺陷可以在技术图纸中作为项目编号 5/ 来规定。它允许对表面缺陷进行数值规范以及可见性规范，后者基于 MIL-O-13830 标准。
    在可见性规范中，必须区分划痕和麻点。划痕的编号指的是最大划痕与参考板上相应划痕相比的可见度。"10" 是该模板上最小的划痕。因此，无法合法地规定比这更好的质量。此外，可见性规范规定的不是直接测量的划痕宽度，而是表观划痕宽度。该数值被解释为十分之一微米或微米。相比之下，麻点的编号可以很容易地确定。其数值等于最大表观麻点直径，以百分之一毫米为单位。每20毫米通光孔径内允许有一个最大尺寸的麻点。
     在数值规范中，等级编号是与缺陷总面积相等的正方形区域的边长（以毫米为单位）。因此，1 × 0.025 描述的表面缺陷面积为 625 μm²。此外，任何长度的划痕都用前缀 L 表示。一条长度超过2毫米、宽度为4微米的长划痕，应规范为 1 × 0.004。
主要基底镜片材料的主要特性：
     德国Layertec介绍：LAYERTEC拥有超过400名员工从事精密光学制造，并配备了45套最先进的镀膜系统。多元化的镀膜工艺使其能够采用溅射和蒸发镀膜技术，处理包括氟化物、氧化物、介质和金属等多种材料，全面覆盖从VUV到NIR的整个波长范围。这些设备的不同产能配置，使Layertec既能满足大客户的批量生产需求，也能以具有竞争力的价格为科研机构提供小批量产品及研发原型器件。
    北京海科思锐光电仪器有限公司作为Layertec公司在中国的正式授权代理商，负责其宣布产品在中国的市场推广、销售以及售后服务。随着中国激光技术的高速发展，北京海科思锐对Layertec激光镜片的销售额保持着年均30%以上的增长速度，已经与众多国内激光器核激光设备企业和科研单位建立了长期的合作关系，成为高端激光镜片最重要的供应商之一。
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