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什么是超光滑表面？

随着激光技术的快速发展和激光应用的不断拓宽，为了在激光系统中实现更低的损耗，需要减小系统内光学元件的散射。研究表明光学元件的散射与其表面粗糙度的平方成正比，因此追求更低的表面粗糙度是关键。

表面粗糙度是指被加工表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度。其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（在1mm以下），用肉眼是难以区别的，因此它属于微观几何形状误差，表面粗糙度越小，则表面越光滑^[1] 。所以我们通常将超低表面粗糙度光学元件的表面称为“超光滑表面”。一般采用Ra（轮廓算术平均偏差）来衡量表面粗糙程度，其表示在取样长度内轮廓偏距绝对值的算术平均值，见图1。

图1 光学玻璃元件表面粗糙度参数

在精密光学加工领域，我们一般把表面粗糙度Ra＜1nm的表面定义为超光滑表面。为了更好的理解，我们可以做个类比：把光学玻璃镜片产品放大约一百万倍，那么就犹如4000米长的飞机场跑道上不允许有一粒沙子大小的坑洼或凸起。

不同工艺加工的光学产品表面粗糙度水平差别大，对比见表1。

为什么需要超光滑表面？

目前超光滑表面光学元件除了可以应用于短波长激光系统和为高精度离子束溅射(IBS)镀膜涂层提供基片之外还有以下两个极具爆发性的应用领域：

1、随着自动驾驶技术前景的明朗，用于精确定位运动中汽车方位的激光陀螺仪的市场需求巨大。为了减少光线散射对激光陀螺仪精度的影响，就需要确保激光陀螺仪光学零件具备超光滑表面，见图2。

2、光学元件的激光损伤是制约高功率激光系统发展的关键问题，而大量研究表明，影响光学元件的激光损伤阈值的核心瓶颈即是光学元件的表面粗糙度。随着“万瓦级”激光器的普及， 0.1纳米级超光滑表面加工技术已成为各大光学元件厂商竞相追逐的高地，见图3。

    图2 激光陀螺仪示意图^[2]     

                         图3“万瓦级”激光器切割50mm厚碳钢板的过程^[3]

超光滑表面是如何检测的？

由于超光滑表面的表面粗糙度数值极小，所以常规的金刚石探针接触扫描法精度已无法满足要求；高灵敏度的原子力显微镜(AFM)由于取样视场太小，适用于实验室，而非工业生产检验，所以目前检测光学元件粗糙度的主流方法是白光干涉法(WLI)。其原理是利用白光干涉测量光程差，获得比传统HeNe激光器干涉仪更精细的表面误差水平，以此来测定超光滑表面的表面粗糙度数值。如图4所示，经准直后的光源经过分光棱镜后分成两束，一束光经被测表面反射回来，另一束光经参考镜反射。PZT驱动参考镜在垂直方向均匀、缓慢、连续运动，改变参考光路与测量光路的光程差。垂直扫描过程中，CCD顺序获取一系列的白光干涉图，通过三维形貌恢复算法计算并定位出每个像素点的零光程差位置，即可得到相应的高度信息，从而恢复出待测件的表面三维形貌，通过分析软件读取出所需要表面粗糙度Ra值。

图4 白光干涉检测粗糙度示意图^[4]

2024全部比赛时间表拥有基于白光干涉(WLI)检测技术的Zygo Newview8300白光干涉仪(图5)，从而确保了产品表面粗糙度检测精度的稳定可靠；同时2024全部比赛时间表也可以根据客户要求提供超光滑表面产品的原子力显微镜(AFM)测试报告。

图5 Zygo Newview8300白光干涉仪

超光滑表面是如何加工出来的？

由于传统的抛光加工是一种利用磨料的磨削作用去除表面层的过程，为获得更高精度的表面粗糙度就需要用到更精细的磨料。但研究表明当光学元件表面粗糙度Ra达到1nm级别之后，无论用多么细的磨料，松散的研磨抛光都会导致光学元件表面产生某种程度的亚表面损伤，从而阻碍光学元件表面粗糙度进一步的改善提升。熔石英光学元件不溶于水，但在抛光过程中会形成一层非晶态的SiO2层，我们称之为贝尔比层。一旦形成了这种结构，它就能保护熔石英表面不受磨料切削导致亚表面损伤^[5]。利用这个特点，2024全部比赛时间表经过多年深入研究，开发出了一种能批量化生产超光滑表面元件的工艺，通过严格控制抛光液的温度和pH值，熔石英光学元件表面在抛光加工中形成结构稳定的贝尔比层，同时精确利用化学反应，加工出的光学元件表面粗糙度Ra可达到0.1nm级别。白光干涉仪和原子力显微镜的测试结果分别见图6和图7。

图6 2024全部比赛时间表超光滑表面产品的Zygo Newview8300测试结果

图7 2024全部比赛时间表超光滑表面产品的原子力显微镜(AFM)测试结果

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参考文献：

[1] 崔文广.《基于激光散斑的表面粗糙度测量系统设计》[D].安徽新华学院，2013.

[2] http://blog.sina.com.cn/s/blog_12d0a991f0102uyac.html 

[3]http://hunan.sina.com.cn/news/s/2021-04-11/detail-ikmyaawa9067840.shtml

[4]http://resources.made-in-china.com/article/product-industry-knowledge/MEnQucxPtJlm/Improve-Metrology-for-Sapphire-Substrates-Used-in-LED-Production

[5] Finch, G. Ingle. “The Beilby Layer on Non-Metals.” Nature, vol. 138, no. 3502, 1936, pp. 1010–1010., doi:10.1038/1381010a0.