Optiques superpolies

Cette note d’application correspond aux sections 10.1, 10.2 et 10.3 du Guide des Ressources en Optique Laser.

L’ambition de parvenir à une meilleure transmission et à une perte moindre dans les systèmes laser entraîne un besoin de composants optiques de dispersion minimale, en particulier pour les applications impliquant de courtes longueurs d’onde ou des lasers haute puissance. Les optiques minimisant la dispersion grâce à une rugosité de surface ultrafaible sont généralement appelées « superpolies ». Bien qu’il n’existe pas de norme industrielle définissant la rugosité pour qualifier un composant optique de superpoli, Edmund Optics® a établi un processus de polissage de surfaces optiques selon une rugosité de surface quadratique moyenne (RMS) de moins d’un angström (10^-10m) de dispersion de niveau de parties par million. Ces surfaces de faible perte de niveau sous-angström sont idéales pour les applications laser de précision, notamment les systèmes à cavité optique et gyroscopes laser.

Les optiques superpolies viennent également compléter les technologies de traitement de faible perte comme le système de traitement par pulvérisation ionique. Les performances spectracles de ces traitements, lorsqu’ils sont déposés de manière suffisamment habile, sont le plus souvent limitées par la rugosité de leurs substrats.

Mesure de la rugosité de surface sous-angström

Chaque appareil utilisé en métrologie présente sa propre gamme de fréquences spatiales mesurable unique. La Figure 1 présente les gammes de fréquences spatiales se recoupant concernant trois appareils différents communément utilisés pour mesurer les erreurs de surface : interférométrie conventionnelle, interférométrie à lumière blanche (ou WLI pour White Light Interferometry) et microscopie à force atomique (ou AFM pour atomic force microscopy).

Figure 1 : Gammes de fréquences spatiales mesurables de diverses technologies de métrologie, révélant des possibilités de chevauchement¹

Les différentes gammes de fréquences spatiales sont classées selon différentes catégories d’erreurs de surface. Ces groupes ne correspondent pas à des limites de fréquence clairement définies, mais sont largement acceptés pour couvrir certaines gammes générales. Un interféromètre HeNe conventionnel convient parfaitement à la mesure des erreurs de figure, c’est-à-dire les erreurs de fréquences spatiales inférieures associées aux polynômes de Zernike typiques. La gamme de fréquences spatiales d’interféromètres conventionnels chevauche légèrement la gamme de fréquences spatiales moyennes de la WLI, mais cette dernière est encore mieux adaptée pour mesurer ce niveau plus fin d’erreurs de surface, connu sous le nom d’ondulation. Dans cette plage d’ondulation, les erreurs commencent à contribuer à la dispersion et à la dégradation des performances. La WLI et l’AFM peuvent toutes deux mesurer la rugosité ou des erreurs de fréquences spatiales supérieures, mais ce sont les exigences de l’application qui déterminent l’instrument le plus adapté. Les applications de spectre visible ou infrarouge sont généralement mesurées en dessous de 2 000 cycles/mm, auquel cas la WLI constitue la méthode de métrologie idéale. L’AFM est optimale pour examiner la surface d’une optique de plus près et peut être nécessaire pour mesurer les hautes fréquences spatiales requises pour les applications UV.

L’utilisation de systèmes avec une gamme de fréquences spatiales plus élevées se fait généralement au détriment d’un champ de vision plus petit. L’AFM peut être utilisée pour mesurer directement les surfaces sous-angström, mais son champ de vision limité et sa sensibilité élevée en font une méthode mieux adaptée à une utilisation en laboratoire plutôt qu’aux environnements de production. La corrélation des données entre l’AFM et la WLI, ainsi que les mesures visant à garantir une performance maximale de la WLI, ont permis à Edmund Optics® de démontrer que la WLI peut être un outil efficace pour mesurer la rugosité de surface RMS sous-angström dans un contexte de production.²

Fabrication d’optiques superpolies

Le polissage optique conventionnel est un processus soustractif et itératif dans lequel des grains d’abrasifs de plus en plus fins sont utilisés pour éliminer les dommages sur une surface optique causés par les étapes précédentes de meulage et de polissage. Quelle que soit la finesse du grain utilisé, les dommages subis par la surface sont le résultat naturel d’un polissage au moyen d’abrasifs libres. Les sites endommagés sur la surface optique et en dessous augmentent la rugosité de surface, l’absorption d’énergie et la dispersion, ce qui génère de la chaleur et diminue l’efficacité du système. La dispersion est proportionnelle au carré de la rugosité de surface.

Cependant, le procédé utilisé chez Edmund Optics pour superpolir les optiques élimine complètement les dommages sous la surface en passant d’un processus de polissage purement mécanique à des réactions chimiques entre la boue, le verre et le revêtement de polissage. L’action mécanique est utilisée uniquement pour éliminer des particules de la surface, car des réactions se produisent dans la couche de Beilby. Alors que le verre de silice est insoluble dans l’eau, la couche Beilby est une couche de silice formée pendant le polissage qui est modifiée par la diffusion d’ions hydroxyle qui, une fois formés, servent à protéger le substrat contre d’autres changements.³

Le polissage par immersion est utilisé pour créer des optiques superpolies présentant une rugosité de surface inférieure à l’angström. Un tissu hydraté avec une boue est maintenu à la même température que le substrat. La température et le niveau de pH sont strictement contrôlés pour faciliter une réaction chimique, tandis que la tension superficielle forme une barrière contre les contaminants.⁴