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隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展和激光應(yīng)用的不斷拓寬，為了在激光系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更低的損耗，需要減小系統(tǒng)內(nèi)光學(xué)元件的散射。研究表明光學(xué)元件的散射與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關(guān)鍵。
表面粗糙度是指被加工表面具有的較小間距和微小峰谷的不平度。其兩波峰或兩波谷之間的距離（波距）很小（在1mm以下），用肉眼是難以區(qū)別的，因此它屬于微觀幾何形狀誤差，表面粗糙度越小，則表面越光滑[1] 。所以我們通常將超低表面粗糙度光學(xué)元件的表面稱為“超光滑表面”。一般采用Ra（輪廓算術(shù)平均偏差）來衡量表面粗糙程度，其表示在取樣長(zhǎng)度內(nèi)輪廓偏距絕對(duì)值的算術(shù)平均值。
在精密光學(xué)加工領(lǐng)域，我們一般把表面粗糙度Ra＜1nm的表面定義為超光滑表面。為了更好的理解，我們可以做個(gè)類比：把光學(xué)玻璃鏡片產(chǎn)品放大約一百萬倍，那么就猶如4000米長(zhǎng)的飛機(jī)場(chǎng)跑道上不允許有一粒沙子大小的坑洼或凸起。
為什么需要超光滑表面？
目前超光滑表面光學(xué)元件除了可以應(yīng)用于短波長(zhǎng)激光系統(tǒng)和為高精度離子束濺射（IBS）鍍膜涂層提供基片之外還有以下兩個(gè)極具爆發(fā)性的應(yīng)用領(lǐng)域：
（1）隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)前景的明朗，用于精確定位運(yùn)動(dòng)中汽車方位的激光陀螺儀的市場(chǎng)需求巨大。為了減少光線散射對(duì)激光陀螺儀精度的影響，就需要確保激光陀螺儀光學(xué)零件具備超光滑表面。
（2）光學(xué)元件的激光損傷是制約高功率激光系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵問題，而大量研究表明，影響光學(xué)元件的激光損傷閾值的核心瓶頸即是光學(xué)元件的表面粗糙度。隨著“萬瓦級(jí)”激光器的普及，0.1納米級(jí)超光滑表面加工技術(shù)已成為各大光學(xué)元件廠商競(jìng)相追逐的高地。
超光滑表面是如何檢測(cè)的？
由于超光滑表面的表面粗糙度數(shù)值極小，所以常規(guī)的金剛石探針接觸掃描法精度已無法滿足要求；高靈敏度的原子力顯微鏡（AFM）由于取樣視場(chǎng)太小，適用于實(shí)驗(yàn)室，而非工業(yè)生產(chǎn)檢驗(yàn)，所以目前檢測(cè)光學(xué)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測(cè)量光程差，獲得比傳統(tǒng)HeNe激光器干涉儀更精細(xì)的表面誤差水平，以此來測(cè)定超光滑表面的表面粗糙度數(shù)值。經(jīng)準(zhǔn)直后的光源經(jīng)過分光棱鏡后分成兩束，一束光經(jīng)被測(cè)表面反射回來，另一束光經(jīng)參考鏡反射。PZT驅(qū)動(dòng)參考鏡在垂直方向均勻、緩慢、連續(xù)運(yùn)動(dòng)，改變參考光路與測(cè)量光路的光程差。垂直掃描過程中，CCD順序獲取一系列的白光干涉圖，通過三維形貌恢復(fù)算法計(jì)算并定位出每個(gè)像素點(diǎn)的零光程差位置，即可得到相應(yīng)的高度信息，從而恢復(fù)出待測(cè)件的表面三維形貌，通過分析軟件讀取出所需要表面粗糙度Ra值。
福晶科技擁有基于白光干涉（WLI）檢測(cè)技術(shù)的Zygo Newview8300白光干涉儀，從而確保了產(chǎn)品表面粗糙度檢測(cè)精度的穩(wěn)定可靠；同時(shí)福晶科技也可以根據(jù)客戶要求提供超光滑表面產(chǎn)品的原子力顯微鏡（AFM）測(cè)試報(bào)告。
超光滑表面是如何加工出來的？
由于傳統(tǒng)的拋光加工是一種利用磨料的磨削作用去除表面層的過程，為獲得更高精度的表面粗糙度就需要用到更精細(xì)的磨料。但研究表明當(dāng)光學(xué)元件表面粗糙度Ra達(dá)到1nm級(jí)別之后，無論用多么細(xì)的磨料，松散的研磨拋光都會(huì)導(dǎo)致光學(xué)元件表面產(chǎn)生某種程度的亞表面損傷，從而阻礙光學(xué)元件表面粗糙度進(jìn)一步的改善提升。熔石英光學(xué)元件不溶于水，但在拋光過程中會(huì)形成一層非晶態(tài)的SiO2層，我們稱之為貝爾比層。一旦形成了這種結(jié)構(gòu)，它就能保護(hù)熔石英表面不受磨料切削導(dǎo)致亞表面損傷[5]。
利用這個(gè)特點(diǎn)，福晶科技經(jīng)過多年深入研究，開發(fā)出了一種能批量化生產(chǎn)超光滑表面元件的工藝，通過嚴(yán)格控制拋光液的溫度和pH值，熔石英光學(xué)元件表面在拋光加工中形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的貝爾比層，同時(shí)精確利用化學(xué)反應(yīng)，加工出的光學(xué)元件表面粗糙度Ra可達(dá)到0.1nm級(jí)別。
參考文獻(xiàn)：
[1] 崔文廣.《基于激光散斑的表面粗糙度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)》[D].安徽新華學(xué)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.
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