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,任何时候涂层都沉积在光学器件上,它将一些压力施加到表面上。这种应力可以变形光学表面并导致反射或透射光的波前误差。在许多应用中,这种效果可忽略不计,并且可以将补偿涂层添加到光学器的后表面中以抵消一些这些效果,但是涂层引起的表面变形可以是精确激光光学系统中的一个重要问题。

许多现代光学涂层技术,例如磁控溅射和离子束溅射,利用高能材料沉积。虽然这些技术可以形成具有独特优点的涂层,但它们可以在涂层和基材中产生大量的应力。真正了解涂料类型之间的差异以及涂层应力如何影响您的应用对于确保高精度激光应用实现所需性能至关重要。

图2.夸大的涂层诱导应力的效果的夸张描绘显示光学表面如何向上或向下弯曲。用于建模此行为的关系在等式1,2和3中给出。

为什么关心涂层诱导的应力?

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

当光学器件薄和/或特别宽时,这些效果更为显着。较厚的光学器件具有较小的直径更能抵抗变形。光学器材背面的补偿涂层已被证明可降低高达90%的表面变形,但在某些情况下,在这种情况下,在光学元件的每个表面上需要不同的涂层。涂层将赋予不同水平的应力并且不会互相赔偿。

在高度敏感的应用中,施加补偿涂层后的剩余变形仍然足以显着降低系统性能。当光学器件的表面图高度控制时(例如指定λ/ 20表面)时,涂层引起的表面变形更明显。在较低的精密组分(例如具有λ/ 4表面图规范的那些)中,从涂层应力变形可能是可忽略的。

建模涂层诱导的应力和变形

由涂层诱导的应力产生的表面变形量取决于光学,衬底材料性能和涂层的表面图和尺寸.2这些关系可用于创建估计前后表面图中的变化的工具涂上光学器件,以及是否对系统性能有明显的影响。涂布后的扁平光学器的所得曲率半径(R)可以近似:

E.S.是基底弹性模量(PA),E.C是涂层弹性模量(PA),T.S.是基板厚度(μm),T.C是涂层厚度(μm),νS.是基板泊松的比率(无单位),和νC是涂层泊松的比率(无单位)。这表明构成不同涂层的涂层材料会影响应力和变形水平。等式1假设应力诱导的变形是球形的,涂层材料的机械性能从体值的平均值,并且涂层仅施加到一个表面。

表1.涂层应力和其他关键参数在普通涂层技术之间有所不同,使理想的涂层技术用于给定的情况高度应用依赖性(电子束IAD:离子辅助电子束蒸发沉积,IBS:离子束溅射,APS:先进的等离子体沉积,并Parms:等离子辅助反应磁控溅射)

然后可以使用由涂层诱导的应力产生的曲率半径来确定涂层后的表面平坦度(SF.2)以波浪或μm的单位。2

SF.1是涂覆(波或μm)和d之前的表面平坦度是基板直径(μm)。假设R被认为明显大于D.可以通过以下给出涂层后的平坦度和平坦度之间的变化百分比:

SF.1是,平坦度的百分比变化越高,而且它更值为显着,它将在最终系统中产生差异。究竟是可接受的平整度的百分比变化从应用到应用程序的范围广泛变化,但是一般的拇指规则是20%或更高的百分比变化被认为是失败。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。

涂层技术如何不同

不同的涂层技术在涂层沉积期间赋予不同量的应力。涉及高能材料沉积的技术,例如磁控溅射和离子束溅射,往往会导致最大的应力,因此变形。表1比较了普通光学涂层技术的关键特性,在第一行中突出显示涂层应力。

图3.离子束溅射(IBS)可以用一些最佳光谱性能产生光学涂层,但该技术的高能量材料沉积导致比其他技术更多的涂层应力。

离子束溅射可以在表1中所示的四种技术中实现最高的光谱性能,因此它通常用于高反射激光镜。然而,该技术还赋予最大的涂层应力,因此所示的应力诱导的变形模型是最适用于离子束溅射光学器件(图3)。这些组件还倾向于具有最紧密的表面图规范,进一步增加了了解从涂层诱导的应力对这些组分的变形的重要性。对于使用较低涂层应力技术涂覆的光学器件,如电子束蒸发沉积,涂层应力的影响可能是可忽略的。

对于需要高能材料沉积涂层的高精度应用,了解涂层应力如何冲击表面图和系统性能至关重要。基于这些关系的上面显示的方程和在线计算器是一个很好的理解起始场所,如果这些效果会导致应用程序的显着影响。有关应用程序量身定制的更详细的分析,请与您的光学元件供应商联系。它们应该具有历史数据,这将有助于更好地确定特定光学涂层应力的影响。

参考

  1. 奥利弗,J.B。,Spaulding,J.,&Charles,B。(2019)。沉积不均匀矫形涂层的应力补偿。应用光学,59(5),54-57。
  2. (2020)。涂层对平坦计算器的影响。Edmund光学器件。

本文是由Cory Boone,铅技术营销工程师,Edmund Optics(Barrington,NJ)编写的。有关更多信息,请联系布蒙先生此电子邮件地址受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用Javascript来查看它。或者访问这里


Photonics&Imaging Technology杂志

本文首先出现在9月,2021年问题光子和成像技术杂志。

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