以超低表面粗糙度盡可能減少散射

由於雷射系統持續不斷追求更高光通量及降低損耗，因此需要盡可能減少散射的光學元件，特別是在使用高功率雷射或短波長的情況下。透過超低表面粗糙度達成以上目標的光學元件，通常稱為「超精密拋光」。目前並沒有產業標準規定超精密拋光光學元件的粗糙度，不過愛特蒙特光學®已開發製程，可拋光光學元件表面，讓 RMS 表面粗糙度降低至 1 埃 (10^-10 m) 以下，達到百萬分點等級的散射效能。超精密拋光光學元件是敏感雷射應用的理想選擇，例如適合氣體分析及雷射陀螺儀的孔腔內共振衰減系統，以及其他需要低瑕疵光學元件的系統。這類表面受到高度控制，能夠補足離子束濺鍍 (IBS) 等低損耗鍍膜技術的不足之處。

要如何量測埃以下的表面粗糙度？

每種度量裝置都有自己可測量的空間頻率範圍。圖 1 顯示測量表面粗糙度常用技術重疊的空間頻率範圍：傳統干涉計量、白光干涉 (WLI) 及原子力顯微鏡 (AFM)。

圖 1：常見裝置的空間頻率範圍，可顯示彼此在功能方面的重疊之處。¹

不同的空間頻率範圍，可對應不同類型的表面誤差。這些頻率群組並沒有明確定義的邊界，不過一般都瞭解其中涵蓋特定的頻率範圍。傳統 HeNe 干涉儀顯然適合量測與一般 Zernike 多項式有關的低空間頻率，也就是所謂的面形誤差。HeNe 干涉儀的測量範圍，與 WLI 的中度空間頻率範圍略有重疊，不過 WLI 更適合量測更精細的表面誤差，也就是所謂的波紋。在此範圍中，誤差開始會形成散射及效能退化等情形。WFI 及 AFM 都可量測粗糙度，不過重要的空間頻率群組則視應用而定。視覺及波長較長的應用一般測量時低於 2,000 週期/mm，因此可使用 WLI。AFM 則適合用於更深入檢驗表面，並可能是測量 UV 應用所需高空間頻率的必要選擇。

如果選擇空間頻率範圍較高的儀器，就必須承受視野較小的問題。AFM 可用於直接量測埃以下粗糙度的表面，不過由於視野較小及敏感度的問題，因此更適合在實驗室使用，而不是在生產環境中測量粗糙度。AFM 與 WLI 之間的資料關聯性，以及確保 WLI 達到最佳效能的各項步驟，讓愛特蒙特光學®得以驗證 WLI 能夠成為有效工具，在生產環境中量測超精密拋光表面埃以下的 RMS 表面粗糙度。有關埃以下表面粗糙度度量的完整詳細資料，請參閱 SPIE 會議論文²

超精密拋光光學元件如何製造？

傳統的消除式光學元件拋光是一種反覆製程，其中使用粗細度越來越細的磨料，移除先前研磨及拋光步驟造成的損傷。但不論使用多細的磨料，游離的研磨拋光都會自然造成次表面損傷。位在表面及其之下的損傷將會增加表面粗糙度及能量吸收，導致提升能量散射，同時產生熱及降低系統效率。散射與表面粗糙度平方成比例關係。

不過愛特蒙特光學製作超精密拋光光學元件的製程，則完全消除了次表面損傷，其中將重點由機械拋光製程轉移至拋光液、玻璃及拋光磨料之間的化學反應。機械僅用於移除基材元素，作為在比耳拜 (Beilby) 層之中發生的反應。石英玻璃不溶於水，比耳拜層則是在拋光期間形成的石英層，會因為氫氧離子的擴散作用而改變；比耳拜層形成後，就可保護基材避免進一步變化。³

表面粗糙度在埃(Å)以下的光學元件，是以沉浸式拋光技術製造，其中會將含水磨料及研磨液維持在與光學元件相同的溫度。兩者的溫度及酸鹼值都受到嚴密控制，以促進化學反應，同時表面張力則形成屏障避免污染物。⁴ 如需愛特蒙特光學所開發的沉浸式拋光製程完整詳細資料，請參閱另一份 SPIE 會議論文。

愛特蒙特光學的超精密拋光光學元件

愛特蒙特光學證明可在以熔融石英製造的平面及球面光學元件上，重複實現埃(Å)以下的超精密拋光表面。這類表面沒有製造製程留下的可見結構，也沒有可量測的次表面損傷(表 1)。

表 1： 沉浸式拋光證實可將 RMS 表面粗糙度由 >7Å 降低為 <1Å。更多詳細資料請參閱 SPIE 會議論文。