光学涂层对于增强光学系统的透射、反射或偏振特性至关重要(图1)。然而,每当涂层沉积在光学系统上时,它都会在表面上施加一定程度的应力。这种应力会使光学表面变形,导致反射或透射光的波前误差。在许多应用中,这种影响可以忽略不计,可以在光学器件的背面添加一层补偿涂层来抵消某些影响,但涂层引起的表面变形在精密激光光学系统中可能是一个重要问题。

许多现代光学镀膜技术,如磁控溅射和离子束溅射,都利用高能材料沉积。虽然这些技术可以形成具有独特优势的涂层,但它们会在涂层和基材中产生大量的应力。真正了解涂层类型之间的差异以及涂层应力如何影响您的应用程序是确保高精度激光应用程序达到预期性能的关键。

图2。这种对涂层引起的应力影响的夸张描述显示了光学表面是如何向上或向下弯曲的。这种行为的建模关系如公式1、2和3所示。

为什么要关心涂层引起的应力?

施加到涂层光学表面上的应力可以导致表面平坦度的问题,影响涂层光学器件的透射或反射波前误差(图2)。取决于所用的涂料,这种应力可以是压缩的(导致表面向上弯曲它们的边缘)或拉伸(导致表面从边缘向下弯曲)。相对于拉伸膜应力,压缩应力是优选的,因为拉伸膜应力可以导致薄膜本身破裂,但如果表面显着变形,两种类型可能导致问题。1

当光学器件较薄或特别宽时,这些效应更为显著。较厚的光学元件直径较小,更不易变形。光学器件背面的补偿涂层已被证明可以减少高达90%的表面变形,但在某些情况下,光学器件的每个表面都需要不同的涂层在这种情况下,涂层将传递不同程度的应力,而且不会相互补偿。

在高灵敏度应用中,应用补偿涂层后的残余变形仍然足以显著降低系统性能。当光学的表面形状被高度控制时(例如λ/20的表面被指定),涂层引起的表面变形更加明显。在精度较低的部件(如λ/4曲面规格的部件),涂层应力引起的变形可能可以忽略不计。

建模涂层诱导的应力和变形

由涂层引起的应力产生的表面变形量取决于光学表面形状和尺寸、基材材料性能和涂层类型这些关系可用于创建工具,评估涂层前后表面形状的变化,以及涂层是否会对系统性能产生显著影响。涂层后的平面光学的最终曲率半径(R)可以用以下方法近似:

E年代是基底弹性模量(PA),Ec为涂层弹性模量(Pa),t年代为基质厚度(µm),tc涂层厚度(µm), ν年代是底物泊松比(无单位),νc为涂层泊松比(无单位)。这说明了不同涂层组成的涂层材料对应力和变形的影响程度。式1假设应力诱导变形为球形,涂层材料的力学性能由体积值平均,且涂层只应用于一个表面。

表1。涂层应力和其他关键参数在常用涂层技术之间存在差异,使得特定情况下的理想涂层技术高度依赖于应用(E-Beam IAD:离子辅助电子束蒸发沉积,IBS:离子束溅射,APS:高级等离子沉积,PARMS:等离子体辅助反应磁控溅射

由涂层引起的应力产生的曲率半径可用于确定涂层后的表面平整度(科幻小说2,以波或μ m为单位。2

科幻小说1为涂层前的表面平整度(波状或μ m), D为基材直径(μ m)。假设R显著大于d,则涂层起始平整度与涂层后平整度的变化百分比为:

较小的科幻小说1为,平面度变化百分比越高,对末端系统的影响就越明显。确切地说,平面度的变化百分比在不同的应用程序中是可以接受的,但一般的经验法则是,20%或更高的变化百分比被认为是失败的。2用于绘制此行为的工具通常从历史数据中抽取以近似不同涂层类型的材料特性。由于这些模拟依赖于如此多的假设,因此了解如何了解如何通过涂层影响表面图,但它们的确切值可能与真实的结果略有不同。

涂装技术的不同

不同的涂层工艺在涂层沉积过程中产生不同的应力。涉及高能材料沉积的技术,如磁控溅射和离子束溅射,往往会产生最大的应力,从而导致变形。表1比较了常见光学镀膜技术的关键特性,镀膜应力在第一行突出显示。

图3。离子束溅射(IBS)可以产生一些光谱性能最好的光学涂层,但该技术的高能材料沉积导致涂层应力比其他技术更多。

在表1所示的四种技术中,离子束溅射可以获得最高的光谱性能,因此常用于高反射率激光反射镜。然而,这种技术也提供了大部分的涂层应力,因此所示的应力诱导变形模型最适用于离子束溅射光学(图3)。这些组件也往往具有最紧密的表面形状规格,进一步增加了理解这些部件由涂层引起的应力引起的变形的重要性。对于使用电子束蒸发沉积等低应力涂层技术的光学涂层,涂层应力的影响可能可以忽略不计。

对于需要高能材料沉积涂层的高精度应用,了解涂层应力如何影响表面形状和系统性能至关重要。上面所示的方程和基于这些关系的在线计算器是理解这些影响是否会在应用程序中产生显著影响的良好起点。为您的应用量身定制更详细的分析,请与您的光学元件供应商联系。他们应该有历史数据,这将有助于更好地确定涂层应力对特定光学系统的影响。

参考

  1. Oliver, J. B., spulding, J., & Charles, B.(2019)。通过沉积不均匀的矫正涂层进行应力补偿.光学精密工程,29(5),531 - 534。
  2. (2020).涂层对平面度计算器的影响.埃德蒙光学。

本文由Edmund Optics (Barrington, NJ)的首席技术营销工程师Cory Boone撰写。欲了解更多信息,请与布恩先生联系此电子邮件地址正受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用JavaScript才能查看它。,或者访问在这里


Photonics&Imaging Technology杂志

本文首先出现在9月,2021年问题光子学与成像技术杂志。

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