光学材料光学均匀性检测方法分析_图文

1、第5卷第6期2007年12月光学与光电技术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作者简介任寰(1976- , 女, 助理研究员, 主要从事高精度光学元件检验及膜层处理技术的研究。E 2mail :huandxj . cn文章编号:167223392(2007 0620048204光学材料光学均匀性检测方法分析任寰袁静许华陈波汤晓青马可马玉荣杨一(中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 绵阳621900摘要光学均匀性是光学材料的重要

2、指标, 相差。惯性约束聚变(Inertial Confine Fusion ,ICF 进行高精度的检测, 同时兼顾洁净度要求。均匀性的检测, , , 样品的厚度测量偏差及折射系数偏差对结果的影响较小, 。, 对比了不同干, 表明这两种情况下对光学均匀性的处理结果相符, 解决了大口径光学坯件光学均匀性的检测问题。关键词光学均匀性; 波前; 光学材料; 折射系数中图分类号TN247文献标识码A1引言ICF (Inertial Confine Fusion 激光驱动器的研制要求对材料光学均匀性进行高精度的检测, 同时兼顾洁净度要求。目前参照的国家标准中, 对材料光学均匀性的检测提供了三种方法1:平行

3、光管法、全息干涉法、多光束球面干涉法。但受到检测精度、检测口径及洁净度的限制, 上述三种方法并不能满足项目实际需求。目前国外一些光学材料生产厂家已通过斐索干涉仪实现了大口径光学材料的均匀性检测224, 该方法由于结果不受样品两表面反射面形及标准平板面形质量的影响, 可近似看为是一种绝对检测方法, 具有检测准确度高的特点。本文利用现有设备, 对检测方法进行了改进, 并与国外检测数据进行了对比, 对检测过程中的影响因素进行了分析, 同时对比了不同干涉仪光学均匀性的计算结果, 解决了大口径光学坯件光学均匀性的检测问题。2不同检测方法分析2. 1平行光管法平行光管法是一种定性检测方法。采用一对平行光管

4、装置, 一个作为准直光管, 一个作为望远镜, 用望远镜观察放入样品之后的分辨率板的临界分辨率组数(必须4个方向的黑白条带均能分辨开 , 及星点像的变化程度和分布状况, 根据式(1 计算结果并取最大值确定均匀性等级:0=f 120(1 式中, D 为物镜直径, 为样品分辨率, 0是理论分辨率, f 是平行光管焦距, x 为条带宽度。该方法检测材料光学均匀性, 必须使用两块贴置玻璃, 并且要求贴置玻璃的光学均匀性不大于1×10-6, 两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, 为波长。2. 2全息干涉法采用二次曝光全息差分干涉原理, 将被测材料样品的反射干

5、涉条纹和透射干涉条纹记录在同一张全息图上, 从全息图的再现波面计算样品的折射率微差和厚度微差。测试精度达到±1×10-6。这种方法既可实现细磨样品的检测, 也可实现抛光样品的检测。但要求抛光样品平面度等于/2, 局部平面度等于/4, 两通光面平行度为510, 这无疑对样品的前期加工提出了更高的要求, 造成检测加工成本的增加。在对细磨样品均匀性进行检测时, 对贴置玻璃也提出了近乎苛刻的要 第6期任寰等:光学材料光学均匀性检测方法分析求:两工作面的平面度等于/20, 局部平面度等于/30, 平行度为1, 光学均匀性不大于5×10-7。这同时给贴置玻璃质量及检测提出了新

6、的要求。2. 3多光束球面干涉法该方法利用干涉条纹的弯曲量与折射率分布之间的关系, 通过观察样品及贴置玻璃的综合透射干涉条纹的弯曲度及条纹间距, 对均匀性进行计算, 精度可达±2×10-6。这种方法同样对贴置玻璃提出了较高的要求, 要实现较大口径材料样品的检测, 成为影响检测的关键。同时, 足项目需求。在减小检测加工成本的基础上, 提高检测精度, 简化检测程序。为此, 在经过大量调研及实验的基础上, 提出采用现有斐索式干涉仪, 对材料样品进行一定程度的抛光, 在检测样品透射波前畸变及两表面面形误差的同时, 实现光学均匀性的检测。3实验原理实验中在不翻转样品的情况下, 分别对

7、样品透射波前畸变、样品两表面反射面形误差、干涉仪空腔数据进行检测, 通过对比放入样品前后的干涉条纹变化, 得出材料内部均匀性信息, 过程示意如图1所示 。图1光学材料光学均匀性检测过程示意图Fig. 1Schematic diagram of measuringoptical material homogeneity样品光学均匀性按照式(2 计算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分别为样品两表面和反射平板反射面面形误差, M 3为样品透射波前畸变, n 0为样品在检测波长下的折射系数, t 0为样品厚度。可以看出, 该方

8、法检测光学均匀性, 结果不受样品两表面反射面形及标准平板面形质量的影响。4实验结果4. 1与国外数据对比实验中任意选取了一块由德国肖特生产的编号为06122C51B 的熔石英材料, 几何尺寸为345mm ×345mm ×48. 30mm , 两工作表面在出, 并有足够的不平行, 即中, 及典型边角, 为了便于比, 表1为实验测得数据与厂方数据的对比情况。表1实验数据与出厂数据对比T able 1C omparison of experimental data and factory data数据口径实验数据厂方数据<300mm 3. 094×10-63. 0

9、24×10-60. 070×10-6-6-6-6从表中可以看出, 对于该材料的光学均匀性检测, 我方实验数据与厂方检测数据相差量级为10-8, 可认为完全吻合。4. 2不同设备数据对比由于现在各地区使用的干涉仪不尽相同, 都具有独立不同的软件处理平台, 也曾出现对于某些参数指标不同设备处理结果不相同, 甚至是相差悬殊的情况, 实验中采用斐索干涉仪对光学材料均匀性的绝对检测方法, 对大量熔石英样品的光学均匀性进行了检测, 并用不同的软件对数据进行了处理。如图2所示是用两种干涉仪专用软件对同一块熔石英样品进行数据处理后得到的光学均匀性分布情况图, 可以看出, 两副图中轮廓高低分

10、布完全一致。图2不同干涉仪软件分析得到的光学均匀性分析状况Fig. 2Optical homogeneity distribution results withdifferent interferometer software94光学与光电技术第5卷 如图3所示是采用这两种软件对大量数据进行处理的一个统计情况, 得到这两种情况下光学均匀性PV 值最大相差1. 89×10-7, RMS 值最大相差8×10-9。(a (n PV (b 光学均匀性均方根值(n 2RMS 图3典型干涉仪软件对数据处理结果统计Fig. 3Statistics results of typical i

11、nterferometer software5影响因素分析由式(2 可知, 在不存在明显的加工应力及材料内部残留应力的情况下, 同时假定样品面形质量检测可靠, 只有样品的厚度检测误差和样品折射系数偏差会对数据的最终处理结果带来影响。5. 1样品厚度的影响目前对样品的厚度检测用游标卡尺或外径千分尺来实现, 以游标卡尺为例, 其检测准确度可到0. 02mm 。对于大口径样品来说, 不可能对每个地方的厚度都进行检测, 目前通用的方法是在长宽方向各测量几个区域之后取其平均值作为样品的厚度, 这样会引入较大的误差。为了排除两工作表面自干涉的影响, 样品需加工出一定的楔角, 这样造成样品两对边位置厚度相差

12、约0. 5mm 。实验中设定厚度公差为±0. 5mm , 即厚度变化范围为-0. 50. 5mm , 对光学均匀性的结果进行了统计,结果如图4所示。(n 2PV (b 光学均匀性均方根值(n 2RMS 图4样品厚度检测对光学均匀性的影响统计Fig. 4Influence of optical thickness由图4知随着样品厚度在-0. 50. 5mm 范围变化, 其光学均匀性PV 值变化1. 13×10-7,RMS 值变化2. 7×10-9。可以说, 检测过程中厚度的测量偏差对其影响在10-7量级, 较之10-6量级的精度要求而言, 完全可以忽略。5. 2样品

13、折射系数的影响实验中并未对样品在检测波长下的折射系数进行检测, 而是参考光学玻璃手册中的数据。该手册中的折射系数数据是根据G B7962. 11-87无色光学玻璃测试方法折射率精密测试方法测量得到, 其值在-3×10-63×10-6之间。其数据是在20°C ±1°C 的温度下测得的, 和实验时的环境温度有1°C 的差异, 实验中选择样品折射系数公差为±0. 00025, 统计结果如图5所示。(a 光学均匀性峰谷值(n 2PV 05 第6期任寰等: 光学材料光学均匀性检测方法分析(b 光学均匀性均方根值(n 2RMS 图5样品

14、折射系数对光学均匀性的影响统计Fig. 5Influence of optical ref ractive 由图52. 10-8,RMS -。6结论使用大口径干涉仪对材料样品进行光学均匀性检测, 由于结果不受样品两表面反射面形及标准平板面形质量的影响, 可近似看为是一种绝对检测方法, 其检测准确度高, 优于5×10-7。检测过程中样品的厚度测量偏差及折射系数偏差对结果的贡献均是小量, 完全可以忽略; 样品面形的检测准确度是影响最终检测结果的关键因素。影响面形检测的主要原因是测量过程中气流的扰动、温度梯度及振动的存在, 以及样品自身残余应力的影响, 对此需要更深入的研究以确定其影响程度

15、及最佳环境要求。, , 减少了参考文献1G B 7962. 2287无色光学玻璃测试方法, 光学均匀性平行光管测试方法S .北京:中国标准出版社出版, 198725225. 2C Ai , J C Wyant. Measurement of the inhomogeneityof a windowJ.Optical Engineering , 1991, 30(9 :139921404. 3Johannes Schwider ,R Burow , K 2E Elssner , et al , Hom 2ogeneity testing by phase sampling interferome

16、try J.Applied Optics , 1985, 24(18 :305923061. 4郭培基, 余景池, 于泽钊, 等. 光学玻璃光学均匀性高精度测量技术J.光学技术,2001, 27(6 :5282531.Optical H omogeneity Measure Method Analysis 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 Acade

17、my of Engineering Physics , Mianyang 621900, China Abstract Homogeneity is an important parameter of optical material. It can directly influence the wavef ront quality of trans 2mission optical system and change wavef ront aberration. The development of ICF demands high precision measurement of opti

18、cal 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 igno