光学器件面临的挑战

用于光学应用和光子学的熔融石英

光学系统中应用材料和技术的选择取决于该系统所应用的光波长。

熔融石英在紫外波段(>= 193纳米)和远红外波段(1-3.5微米)或其它对光学均匀性要求非常高的波段尤其具有优势。 具体到不同应用,都有最佳的熔融石英材料等级以供选择。 例如,通过选用不同的原料来源(含有矿物或合成化学品的石英)和产生不同OH含量的制造方法,可为紫外传输、红外传输、宽频传输以及在一维、二维或三维的不同均匀性水平等方面优化出每种对应的石英玻璃等级。 对于甚至更短波长的光(极紫外光,EUV),采用透射式光学器件也许不行,因此可能会采用反射式系统(平面或曲面反射镜)。

光学概念、处理和加工的数量实际上是无限的。下面,我们将介绍一些将熔融石英作为首选材料的应用。

航空航天

罗塞塔和菲莱天文项目在熔融石英的帮助下获得成功
罗塞塔和菲莱任务

航空航天领域中的许多应用需要采用高端材料,它们应当能承受恶劣的环境、耐受冲击、可轻量化,并且使用寿命长。

许多飞机和飞船都配备了大量的传感器,它们利用光学器件来探测、跟踪或识别无数的情况。 总体而言,许多应用是地面实验室配置的更小远程变体,这些应用包括遥感技术。对于更长的距离而言,光通过利用光谱仪来分析, 该光可能需要漫射以实现均匀化的照度或去除任何角度依赖性。 许多材料可以充当散光器;这些材料包括塑料、磨砂玻璃或不透明玻璃。

传感器可能需要一个允许紫外到近红外辐射通过的简单可透射窗口 ,或需要某些光学元件(例如透镜或棱镜)。 在此,对于一个具体的波段,了解何种熔融石英等级提供何种透光性能非常重要。 然而,不仅透过率绝对值非常重要,而根据 气泡或杂质的不同尺寸和密度来预计透过率变化可能也会引起大家的兴趣。 判断光学元件的有效通光口径中是否存在任何散光性缺陷或遮蔽非常重要。
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因为传感器处于空气(太空)中,所以技术人员要在飞行期间进行维护非常困难或不切实际。 因此,采用至少可维持飞行期间工作条件的材料至关重要。 对于太空应用,这可能会是数年或超过十年。 尤其是在太空中,材料必须能够承受大量的离子化辐射而其性能不会老化或退化。 对于选择最合适的材料而言,了解多高强度的光和辐射可破坏熔融石英是非常有价值的。
更多的关于熔融石英的性能

如果熔融石英得到正确的处理并且一些通用的设计规则得以采用,那么您会惊讶地发现其具有防震性。

贺利氏材料一直在参与历年来的多个航天项目:

  • 引力探测器B:
    测量地球附近的时空扭曲,从而得出地球内部和周边的应力–能量张量场
  • 欧几里德-NISP:
    太空望远镜,其主要目标是分析暗物质的分布并研究暗能量的特性
  • 罗塞塔任务菲莱着陆器上的Civa摄像系统:
    记录Churyumov-Gerasimenko彗星全景的摄像系统
  • GAIA:
    其任务是制作我们银河系最大、最精确的三维地图
  • EnMAP:
    在全球范围内监测和表征地球环境
  • 伽利略计划:
    全球导航卫星系统
  • 以及多个要求高性能光学器件的其它项目。

天文学

VISTA望远镜
VISTA望远镜(图片提供: G. Hüdepohl (atacamaphoto.com)/欧洲南方天文台)

涉及天体(如星系、恒星、行星、卫星、小行星和彗星)和宇宙进程(如超新星、爆炸、伽玛射线爆发和宇宙微波背景辐射)的观测和研究。 科学家使用地球上的设备和卫星搭载的设备进行研究。

最为人熟知的天文研究用工具是望远镜。 根据其工作的波长范围不同,其采用反射式光学器件(反光镜)或透射式光学器件(透镜/分束器)。 望远镜中的一些关键元件由熔融石英制成。 尤其是当望远镜在可见光到近红外的波段工作时。

望远镜越大,分辨率越佳。 因此,甚至建造了望远镜阵列。 这意味着各个相距数米或数千米的望远镜可以协同工作以生成高分辨率的图像。 在这种情况下,同步图像生成非常重要。 这一般通过采用光纤通信来实现。

科学家们不仅将望远镜用于他们的研究,还利用专门的探测器来检测源自太空的粒子或现象。 另一个例子是引力天文台,其通过非常精确的干涉仪测量引力波。

多年来,贺利氏已经参与了多个天文项目。

  • 激光干涉引力波天文台—2016年2月11日,先进激光干涉引力波天文台宣布探测到引力波。 这些项目采用了Suprasil® 311、3001和312。 这些材料具有低吸收、高机械品质系数并且无气泡和杂质。
  • 维斯塔:
    天文学用可见光和红外监视望远镜,其是用于南半球的4米级大视场观测望远镜,配备了一个近红外相机。 该项目采用了Infrasil® 302,因其在近红外2.1µm K波段的低吸收率。
  • 爱因斯坦引力探测器B:
    该项目需要一个500kg的整体式晶棒,用于望远镜的结构性部件。 Herasil® 1 凭借超低、均匀的热膨胀系数而被选中,这得益于在极低温度下的2D精炼。
  • 月球激光测距:
    在20世纪60年代末,美国宇航局阿波罗宇宙飞船搭载的角锥棱镜反射器阵列被安放在月球表面上。 这些角反射器由Suprasil® 1 制成,由于采用了3D提炼,其具有卓越的辐射耐受性和光学均匀性。 下一代角反射器将会在2018年安放在月球表面上,而贺利氏再次被选为材料供应商

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最终光学测试. Credit: Lawrence Livermore National Laboratory
最终光学测试. Credit: Lawrence Livermore National Laboratory

惯性约束聚变(ICF)
对高能激光器要求最苛刻的应用是惯性约束聚变研究。 在此应用所使用的激光器需要以持续纳秒至飞秒和皮秒的短脉冲工作。 通过采用多波束,这些系统在近红外(NIR)和紫外(UV)波段均获得了高达兆焦耳级的总输出能量。

如今,这些激光系统通常在固态Nd–玻璃激光波长1053nm和三倍频紫外波长351nm处工作。 在核聚变应用中所采用的光学系统需要大型(300–400mm +)熔融石英毛坯,其在P–V衡量的整体折射率变化以及RMS衡量的子口径折射率梯度限值方面均具有低吸收、良好光学均匀性的特点。

高能激光光学器件中的缺陷是一个重要的设计考量。 紫外短脉冲可产生高峰值功率密度,其可损坏或损毁光学元件,尤其是在熔融石英中的畸变部分。 因此,这些光学器件要求熔融石英中不存在小至微米级的气泡和杂质。 所谓“无杂质”材料的要求已经对气泡和杂质都出台了规范,该规范远比DIN和ISO规范严苛并推动贺利氏开发出专门的自动气泡和杂质检视(ABII)工艺,其可保证大型光学毛坯中不存在小至10微米范围的缺陷。

研究和商业应用
更小的高峰值功率钛宝石激光器的不断发展得益于核聚变应用过程中产生的经验。 所需熔融的二氧化硅具有相同的要求:

  • 折射率的均匀性
  • 低吸收
  • 无缺陷

贺利氏品牌特别适合于HE应用,本品牌包括Suprasil® 312(透镜和窗口)和Suprasil® 313或Spectrosil® 2000 (窗口片)。

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激光材料加工

激光器在材料加工中的应用包括切割、焊接和打标。 材料对特定能量的吸收程度取决于材料的波长相关性吸收系数。 激光的波长可根据应处于待加工材料高吸收范围的原则来选择。
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为了将光从激光源输送到期望工作点,需要创建一条光路。 该光路包括光导纤维、透镜、棱镜、反光镜、窗口或这些光学元件的组合。 所采用的材料取决于激光的波长。 例如,对于工作在红外(IR)光谱范围内10.6 µm的CO2 激光器,硒化锌是合适的透射光学器件材料选择。
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非纯熔融石英玻璃(又名光学玻璃)可以在从400nm至2,000nm的可见光谱范围内使用。 对于高功率激光应用,光学玻璃的吸收系数就太高了。 光吸收导致局部生热,这进而会导致光学元件变形或损毁。 在这种情况下以及对于紫外光(UV)和深紫外光(DUV)的应用而言,熔融石英因其低吸收、更高温度稳定性和高抗破坏性的特性而成为合适的材料选择。 根据激光波长,为了获得最佳的结果,必须选择正确的熔融石英等级。
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光纤激光系统

极高能量和高功率的激光器可导致形成所需激光加工焦点用的光学元件产生缺陷。 在所使用的材料中,某些等级的熔融石英具有最低的激光诱导损伤,这大大增加了激光光学器件的可靠性和寿命。

在加工过程中,加工所产生烟雾和碎屑可从加工平面散发出来并可能损坏激光光学器件。 许多激光加工光学器件采用AR(抗反射)涂层窗口作为盖板或窗口片。 这些盘片属于消耗件,它们的性能还影响着整个系统的性能和寿命。
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熔融石英毛坯被用于微光刻工具

随着集成电路的发明(半导体芯片),微光刻成为电子设备制造产业链的关键工序。 在该工序中,通过利用光将光罩(掩模)的微小结构成像到已涂覆光刻胶的晶圆上,从而形成硅或其它半导体材料的内部结构。 在显影后,此光刻胶充当局部改变半导体电子性能所需后续工艺的模板(如掺杂和蚀刻)。 这种晶圆的功能化是在芯片上形成所有电子单元(晶体管、电容、...)的基础。

集成电路持续小型化的发展趋势(摩尔定律)要求掩模以接近理论极限的最小像差极其精确地光学成像至晶圆之上。 高端芯片最微小的结构只有不到所用波长十分之一的宽度。 对此类投影光学器件模块(s. 照片)的光学设计和制造是光学所面临的最大挑战。

除了光学器件的质量,成像波长还发挥着至关重要的作用。 因为随着所需成像结构的最小特征尺寸的变小,光刻所用波长也随之缩短,所以现代半导体芯片的制造采用具有193 nm波长的ArF准分子激光作为光源(深紫外: DUV))。

因为合成熔融石英完美满足无像差深紫外光学系统的上述需求,所以它是用于微光刻光学器件的首选光学材料。 合成熔融石英具有极高的深紫外光透射率和低吸收率,因此不会出现由透镜升温造成的图像缺陷。 它可以按照具有卓越的光学3D均匀性(低的折射率变化)和可忽略的应力双折射等特性的要求来生产。 对光学材料的额外要求是其对紫外线辐射的耐久性。 虽然微光刻步进机所使用的脉冲能量密度相对较低(< 1 mJ/cm²),但只有优化过的熔融石英型号才能在工作约10年的预期寿命中保持其优异的初始性能。
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商用需求非常宽泛,包括用于研发的小量需求以及用于OEM设备用元件的大量需求。 总体制造成本至关重要。 其它因素包括可用性、品质可重复性和材料可靠性。

设计挑战
通常情况下,设计者必须平衡性能(光学性能及其对系统性能的贡献)与总体成本。 这可能是一个复杂的任务,尤其是考虑到不同的熔融石英等级具有各种不同的性能。 为了有助于最佳材料的选择,目前已经证实执行以下步骤会大有裨益:

  • 选择所使用的波长范围
  • 确定主要的光学功能(光透射或光反射)
  • 考虑额外的要求(吸收、杂质、气泡、荧光)

在为了模拟光学性能,设计者需要了解他们所考虑之熔融石英等级的许多性能。 贺利氏测量并公布了许多数据资料,这对此类模拟会有帮助。
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例如: 均匀性对系统性能的影响
折射率的变化会是规格的一个重要方面,但对于某些应用而言它几乎不重要。 这取决于光学元件的功能。 在一般情况下,如果光学元件完成聚焦(光或激光束或图像),那么折射率的变化及其对透射式光学器件之透射波前误差(TWE)或反射光学器件之反射波前误差(RWE)的贡献会是一个重要的设计考虑因素。

如果光学功率或能量在没有波前质量规格要求的情况下透射(例如,功率检测窗口)或反射;那么折射率的变化可能不是一个重要的因素,而可能的吸收则可能会是最重要因素。

正如本简介所展示的那样,没有任何单一的熔融石英等级可同样出色地用于所有应用。 在贺利氏,我们提供许多根据各种不同应用优化过的熔融石英等级。 您可在此查找资料以对目前可提供的等级及其主要特点进行初步了解。 如果您需要协助,请随时联系我们。

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用于熔融石英的圆盘锯

在其以最低的成本尽可能快地提供优质产品的目标下,光学器件制造商面临着许多选择:

  • 什么是合适的材料?
  • 材料以什么形状进入市场?
  • 材料的获取最快需要多久?

选择合适的材料:
一眼看去,熔融石英似乎品质上没什么区别,但其中存在可以影响性能的多种差异。 这些差异可能涉及某些波长范围的透过率、对气泡或杂质的耐受性、对波前畸变的低耐受性,这些只是其中的几个例子。 按照惯例,每种等级的价格各不相同。 技术上最佳的解决方案可能并不具有价格竞争力。 因此,寻找最适合特定应用的材料要根据经验来进行选择。 在贺利氏,我们积累了大量的经验,您可以借鉴这些经验做出正确的选择。

为何材料的形状非常重要:
许多生产光学元件的公司在内部拥有所有工具,可将任意形状材料加工成其它任何形状。 他们可以切割、掏孔、机加工、研磨和抛光。 要搞出一套生产工艺的可能性几乎是无限的。 为了支持快速的生产运转,我们已经开发出一种直接成型供应的材料等级;通常以棒状件的形式供应。 我们认为,这削减了光学抛光加工的时间和成本,因此客户可尽快加工完成产品。 尽管如此,我们也可提供如下形状的原材料:

  • 粗成型的圆形或矩形棒料
  • 切割、研磨或抛光而成的坯料
  • 通过C&C机床加工而成的任意不寻常或特殊形状

快速交付:
交付时间可能是让你从竞争中脱颖而出的因素。 您加工的时间可能很快,但却苦于没有合适的库存材料? 那么,我们货架上的库存料可能是您快速获得材料的解决方案。
请在我们的库存清单上查找您所需要的材料和几何形状。

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用于光学应用的光谱学

光谱学是一个宽泛的光学计量领域,其侧重于通过电磁(EM)辐射对物质进行研究。

如果波长范围位于紫外–可见光–近红外波段(从180nm至3500nm),那么就可采用熔融石英光学元件。 这可以包括各种间接检测方案,比如通过切伦科夫辐射发出的蓝光或闪烁或荧光材料上EM源的发射形式辐射进行核粒子检测。

光谱学中所采用的光学器件要遵循与商用光学器件(反射镜、窗口、透镜和基片)相同的设计要点,尤其要注意的是荧光和吸收。 其深层的原因是,不然没有人能够区分物质和光学器件。

例如,如果在电磁光谱的某些区域有光学器件的吸收,就很难或不可能通过观测得到由所研究的物质产生的任何可能的吸收。 如果光学材料表现出荧光,也会出现类似的影响。 在这种情况下,光学器件可能掩盖所研究物质的任何吸收。

光谱也是一种遥感方法,尤其是在恶劣的环境中,光谱分析可能是非常重要的,这可能包括检测核辐射的存在,同样包括采用核辐射作为检测光能量来源的光谱学。

熔融石英中的杂质或Si-O2化学组成中的化学计量变化也可以是吸收和辐射变暗的来源。 因此整个使用期内的熔融石英的暴露条件和持续时间是重要的考虑因素。

我们相信我们可以帮助您选择适合您应用的最佳熔融石英等级, 欢迎与我们取得联系。

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