Введение к работе
Актуальность темы
Лазерные зеркала широко распространенный оптический элемент, к которому предъявляются высокие требования. От оптических характеристик лазерных зеркал зависит добротность квантовых генераторов.
Современные лазерные зеркала имеют коэффициент отражения на уровне 99,98%. Достижение таких параметров лазерных зеркал диктует высокие технические требования к подложкам этих зеркал. Подложки должны обладать супергладкой рабочей поверхностью, шероховатость которой порядка 1 А. При этом отклонение поверхности подложки от заданной формы (плоскости или сферы с большим радиусом кривизны от 2 м и более) не должна превышать половины длины волны лазера. Другими важными параметрами подложек лазерных зеркал являются величина отклонения центра кривизны подложки от ее геометрического центра, так называемая «децентровка», оптическая чистота полированной поверхности подложек.
Таким образом, подложки лазерных зеркал являются специфическими оптическими изделиями, которые должны обладать уникальными оптическими характеристиками. Для достижения таких характеристик требуется разработка комплекса специальных средств измерений, которые будут использоваться при отработке технологии изготовления, промышленном производстве и контроле качества подложек лазерных зеркал. Эти средства измерений основаны на интерферометрии и оптической микроскопии.
В настоящее время для целей контроля оптики используются импортные приборы, дорогостоящие и сложные в обращении. Массовое производство лазерных зеркал требует разработки отечественных средств измерений, позволяющих в процессе их производства контролировать геометрические параметры с высокой точностью и минимальными затратами времени и средств.
4 Таким образом, в настоящей работе решается актуальная задача разработки, исследования отечественного измерительного оборудования для комплексного контроля параметров подложек лазерных зеркал.
Цель работы
Целью настоящей работы является разработка методов комплексного оптического контроля параметров подложек лазерных зеркал и создание ряда приборов для совершенствования технологии их изготовления.
Линейка оптических приборов включает следующие измерительные приборы:
интерференционный микроскоп для контроля параметров шероховатости подложек лазерных зеркал (далее просто подложек);
интерферометр для измерения радиуса кривизны и децентровки подложек;
оптический микроскоп для контроля качества рабочей поверхности подложек.
Основные задачи исследования
Цель предопределила основные задачи, решаемые в диссертационной работе:
-
Анализ существующих оптических методов измерения шероховатости в нанометровом диапазоне.
-
Разработка и создание автоматизированного интерференционного микроскопа для измерения шероховатости в нанометровом диапазоне.
-
Теоретическое и экспериментальное исследование метрологических характеристик автоматизированного интерференционного микроскопа.
-
Анализ существующих интерференционных методов измерения формы отражающих поверхностей.
-
Разработка и создание автоматизированного интерференционного профилометра для измерения формы поверхности подложек.
-
Разработка алгоритма и программного обеспечения для измерения радиуса кривизны и децентровки поверхности подложек лазерных зеркал.
-
Разработка метода компенсации отклонений от сферичности с целью повышения чувствительности лазерного гироскопа.
-
Анализ существующих методов измерения оптической чистоты поверхности.
-
Разработка и создание автоматизированного микроскопа для измерения оптической чистоты поверхности подложек.
-
Модернизация темнопольного микроскопа для реализации многоракурсной системы освещения объекта.
-
Применение разработанного комплекса оптических приборов для совершенствования технологии изготовления супергладких поверхностей.
Научная новизна
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
-
На основе численного моделирования метода фазовых шагов доказано, что при реконструкции изображений плоскости для уменьшения средне-квадратического отклонения (СКО) от плоскости до 0.24 нм в диапазоне 100 градаций и до 0.11 нм в диапазоне 235 градаций яркости интерферограмм необходимо проводить совместное усреднение по 10-ти интерферограммам и 10-ти фазовым изображениям.
-
Предложена и реализована оптическая система изменения оптической длины опорного канала автоматизированного интерференционного микроскопа, при которой достигается продольное разрешение микроскопа порядка 0.1 нм методом фазовых шагов.
-
Создан отечественный автоматизированный интерференционный микроскоп МИА -1М, который позволяет измерять параметр Ra шероховатой поверхности с СКО не более 0.25 нм.
6 4. Разработан и создан автоматизированный интерферометр ПИК-ЗОМ с вертикальной компоновкой оптических элементов, который позволяет проводить измерения профиля поверхности подложек с неопределенностью, не превышающей 1/150 длины волны используемого излучения.
Практическая ценность и использование результатов работы
Разработанные методы комплексного оптического контроля параметров подложек лазерных зеркал и созданная линейка приборов использованы для отработки технологий многодетальной полировки подложек зеркал лазерных гироскопов на приборостроительном заводе ОАО «РПЗ».
Разработанный в рамках выполненной работы метод измерения параметров нанометровой шероховатости и созданный на его основе программно-аппаратный комплекс реализованы в микроскопе интерференционном автоматизированном МИА - 1М. Впервые получена возможность исследования на отечественном приборе супергладкой поверхности с разрешением по глубине не хуже 0.25 нм. Данное средство измерения прошло государственные испытания и зарегистрировано под номером № 48171-11 в Государственном реестре средств измерений.
Разработанный метод измерения кривизны поверхности и ее децентровки и созданный на его основе программно - аппаратный комплекс реализованы в профилометре интерференционном компьютерном ПИК - 30. Данное средство измерения прошло государственные испытания и зарегистрировано под номером №30003-08 в Государственном реестре средств измерений.
Вклад автора
1. При непосредственном участии автора разработаны метод измерений параметров наношероховатости и фазосдвигающее устройство его реализующее.
-
При непосредственном участии автора создан программно-аппаратный комплекс для измерений формы и децентровки поверхности и разработана методика измерений.
-
При участии автора создан программно-аппаратный комплекс измерения чистоты оптической поверхности и спроектирована многоракурсная система освещения для темнопольного объектива.
-
Автором разработана технология изготовления подложек лазерных зеркал и проведены сравнительные исследования супергладких поверхностей.
-
Автором разработан метод компенсации отклонений от сферичности с целью повышения чувствительности лазерного гироскопа.
Апробация работы
Основные материалы, представленные в диссертации, были доложены и обсуждены на научно-технических конференциях: «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», ВНИИОФИ, 2008 г.; «Голография в России и за рубежом. Наука и практика», 2008 г., 2009 г.; «ГОЛОЭКСПО. Голография, наука и практика», 2011 г., 2012 г., 2013 г. Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 10 научных работ, в том числе 2 статьи в издании «Оптический журнал», 1 статья в журнале «Оптика спектроскопия», 1 статья в журнале «Измерительная техника», 1 статья в журнале «Метрология», 1 статья в журнале «Мир голографии», и 4 тезисов докладов на научно-технических конференциях.
Структура и объем работы
Диссертационная работа изложена на 146 страницах машинописного текста; состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Работа иллюстрирована 74 рисунками, 15 таблицами. Список литературы включает в себя 62 источника информации.
8 Основные положения, выносимые на защиту
-
Проведенное математическое моделирование процесса реконструкции фазовых изображений на автоматизированном интерференционном микроскопе МИА-1М показало, что для уменьшения среднеквадратического отклонения от плоскости до величины 0,1 нм достаточно проводить усреднение по 10-ти интерферограммам и 10-ти фазовым изображениям и учитывать вклад шероховатости опорного и эталонного зеркал.
-
Для изменения оптической длины опорного канала интерференционного микроскопа МИА-1М при реализации метода фазовых шагов необходимо смещать жестко связанные зеркало и микрообъектив, что позволяет достичь разрешение по глубине не хуже 0,25 нм при исследовании супергладкой поверхности.
-
Схема интерферометра Майкельсона с вертикальной компоновкой оптических элементов и вращающимся диффузором позволяет уменьшить вибрационные и когерентные шумы и проводить измерения отклонений от плоскости и от сферической поверхности с радиусами кривизны от 2000 мм и более со среднеквадратической погрешностью 5 нм.
-
Использование темнопольного объектива с коммутирующей группой светодиодов «белого» света дает возможность повысить информативность и контрастность изображений микродефектов на прозрачных подложках зеркал для их автоматического подсчета.
