ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ПЛЕНОЧНОГО ОТРАЖАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ SiO2–ZrO2–P2O5–CaO ДЛЯ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ИНТЕРФЕРОМЕТРА

Научные исследования нуждаются в высокоточных, информативных и достоверных измерениях, роль которых с каждым днем стремительно растет, осуществляются современными интерференционными приборами и комплексами [1, 2]. Для решения ряда сложных задач измерения: контроль оптических поверхностей прецизионной оптики, микроканалов аналитических чипов; исследование поверхностей, полученных воздушно-капельным способом, и т.д. — эти методы и средства единственно возможны [3, 4]. Исследуя направления исследований интерференционных приборов и комплексов, можно с уверенностью констатировать, что область их применения значительно расширилась в связи с разработками новых источников света (полупроводниковых диодов, работающих на разных длинах волн и имеющих разные мощности), современных оптических элементов (микрообъективов ZnSe, кварцевого стекла КУ, кристаллов LiF, отражательных элементов на основе SiO 2 –H 2 O– ZrO 2 , SiO 2 –ZrO 2 –P 2 O 5 –CaO, светоделителей и т.д.), программного обеспечения [5].

С развитием электроники и микроэлектроники, а также компьютерных технологий интерференционные измерения вышли на более высокий уровень. Повысилась чувствительность измерений, увеличился диапазон измерений величин, измерения стали более информативными, достоверными и надежными [6, 7]. Анализируя научно- техническую литературу, исследователи отмечают тот факт, что отечественные автоматизированные интерферометрические комплексы и цифровые интерферометры практически исключили причины, снижающие контраст и искажения формы интерференционных полос [8, 9]. Несмотря на определенные успехи этих приборов и комплексов, остается рассмотрение инженерных вопросов их теории, таких как обоснование требований к оптическим и механическим блокам интерферометров различного назначения, к точности установки этих блоков в заданные положения, юстировки оптических систем и, конечно, выявление, прогнозирование источников погрешностей измерения [10, 11].

В научных работах за последние пять лет по интерференции света и ее применению приводится информация о цифровых интерферометрах (внешний вид) и полученных результатах, но не освещаются в полной мере упомянутые выше вопросы и соответственно нет достаточно полных ответов. Не приводятся упоминания о материале и технических характеристиках источников белого света, полупроводниковых светодиодах, работающих на разных длинах волн, иногда даже не приводятся оптические схемы приборов, а об отражательных элементах оптических схем информация малоинформативная или ее вообще нет.

Также ничего не говорится о возможностях интерференционных приборов и комплексов в сочетании с современными фотоцифровыми устройствами и аппаратно-цифровыми блоками, новейшим программным обеспечением, позволяющим представлять результаты эксперимента в удобном виде для инженерных и научных работников, занятых эксплуатацией этих приборов.

В данной работе освещены вопросы исследования микрорельефа поверхности элемента оптической системы интерференционным методом [12, 13]. Для контроля высокополированного элемента это — единственный высокоточный прибор, который реагирует на сотые доли длины волны излучения.

Развитие интерференционного инструментария определило спрос на оптические системы и элементы нового поколения. В интерференционных приборах и комплексах стали применять новые схемные решения и материалы, которые позволили увеличить чувствительность и точность измерений на порядок по сравнению с классикой. У некоторых приборов и комплексов точность на уровне 1/100–1/200 λ; где λ — длина волны оптического излучения [14–19].

В настоящее время исследователи огромное внимание уделяют дифракционной интерферометрии. Поэтому может представлять интерес исследование поверхности пленочного отражателя на основе SiO2–ZrO2–P2O5–CaO для опорной ветви интерферометра Майкельсона экспериментальным лазерным безэталонным интерферометром с опорным волновым фронтом, сформированным путем дифракции лазерного пучка на микрометрическом отверстии.

Цель работы состояла в исследовании поверхности отражательной пленки, используемой в зеркале интерферометра экспериментальной дифракционной интерференционной установки.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Провести измерения поверхности пленочного отражателя на основе пленки SiO 2 –ZrO 2 –P 2 O 5 – CaO, предоставленной одним из отечественных производителей оптических материалов, использованного в опорной ветви интерферометра Май-кельсона. Измерения провести на экспериментальной дифракционной интерференционной установке.

ОБЪЕКТ И МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследовалась поверхность отражательной пленки на основе SiO 2 –ZrO 2 –P 2 O 5 –CaO. Образец имел следующие геометрические размеры: диаметр 5 мм, толщина по оси 500 мкм.

Для измерения поверхности использовалась лазерная экспериментальная дифракционная интерференционная установка для измерения гладких поверхностей объектов (рис. 1; Приложение, рис. П).

Рис. 1. Оптическая схема экспериментальной установки.

1 — источник излучения; 2 — зеркала; 3 — расширитель излучения;

4 — отверстие в зеркале; 5 — зеркало; 6 — объект; 7 — объектив коллиматора; 8 — линза; 9 — зеркало; 10 — объектив с диафрагмой;

11 — светоделитель; 12 — линза; 13 — линза Бертрана; 14 — окуляр;

15 , 16 — поляризационные пластины; 17 — проекционная линза; 18 — фотокамера; 19 — плоскость регистрации; 20 — плоскость изображения

Установкой возможно проводить контроль поверхности вогнутых, выпуклых, плоских элементов высокоточных оптико-электронных систем и комплексов различного назначения. Информация о поверхности исследуемого образца извлекается с помощью специального программного обеспечения.

На рис. 1 приведена оптическая схема установки.

Излучение концентрируется на отверстии в зеркале. Световое пятно имеет диаметр 1 мкм. Далее формируется волновой фронт в объектном плече. В результате сложения этой волны с рабочей возникает интерференция в совмещенных световых пучках.

Технические характеристики:

• –    погрешность — λ /50;

• –    апертура поверхностей, не более — 0.1;

• –    апертура объектива — 0.1;

• –    пределы перемещения интерференционной головки по 3 осям, мм — ± 10;

• –    фотоприемный блок — фотокамера "Canon";

• –    источник когерентного света — лазер ЛГ-79-1;

• –    длина волны излучения, мкм — 0.63.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

На экспериментальной установке была получена интерферограмма поверхности пленочного отражателя на основе SiO 2 –ZrO 2 –P 2 O 5 –CaO, используемого в отражающих зеркалах для опорной ветви интерферометра Майкельсона. Интерференционная картина, полученная от исследуемой поверхности, показана на рис. 2. Для восстановления микрорельефа поверхности использовалась компьютерная программа обработки записанной интерференции.

Для получения качественной интерференционной картины необходимо исключить помехи, правильно определить полосы и, применяя математический аппарат полиномов Цернике, получить достоверную картину отклонения волнового фронта или поверхности. Выявить размах (peak-to-valley, R ) и среднеквадратическое отклонение (RMS, σ ) в микрометрах.

Для отражающей пленки:

R = 0.83545 мкм, σ = 0.10334 мкм.

Экспериментальные результаты доказали, что пленочный отражатель на основе SiO 2 –ZrO 2 –P 2 O 5 – CaO — высокого качества. И применение этих отражателей в зеркалах оптических систем двухлучевых, многолучевых интерферометрических приборов и комплексов перспективно и актуально.

Помимо определения качества поверхности исследуемого материала, в работе исследована от-

Рис. 2. Интерферограмма плоской поверхности отражательной пленки.

ражательная способность, где использовался другой пакет специализированных программ. Одна из программ позволяла извлечь информацию о коэффициенте отражения при движении исследуемой поверхности в направлении OX и OY . Поверхность с помощью микрометрического столика ориентировали по отношению к лазерному излучению по нормали, при этом измерялось расстояние до поверхности при перемещении объекта относительно зондирующего пятна.

Объект размещался на рабочей плоскости микрометрического столика, и движение осуществлялось с шагом 50 мкм, производилось 10 измерений по каждому направлению.

На рис. 3 показан эксперимент, где распределение коэффициента отражения находилось на уровне 99.6–99.9 %, ни провалов, ни всплесков не наблюдалось. А это означает, что отражательная поверхность высокого качества.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение разного программного обеспечения дало возможность выявить основные характеристики поверхности. Эксперимент важен, т.к. многие экспериментаторы представляют отражатели на других химических соединениях, предлагая их брать за основу.

б

R.%

Рис. 3. Распределение коэффициента отражения.

а — по координате x ; б — по координате y

y , мкм

Полученные экспериментальные результаты измерений испытуемой поверхности показали, что данный материал не хуже представленных ранее.

Данная работа может заинтересовать производителей оптико-электронных приборов и комплексов.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рис. П. Внешний вид измерительной установки.