2.4米主镜反射膜膜厚均匀性的优化设计.pdf
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1、 .天 文 研 究 与 技 术 第 卷 第 期 年 月:./.米主镜反射膜膜厚均匀性的优化设计陈鑑辉 伦宝利 秦松年(.中国科学院云南天文台 云南 昆明 .中国科学院天体结构与演化重点实验室 云南 昆明.中国科学院大学 北京)摘要:膜厚均匀性是制备高性能光学薄膜的一项重要指标 为进一步提高 主镜反射膜膜厚均匀性 针对大口径望远镜镀膜设计了膜厚均匀性优化方案 基于真空热蒸发遵循的余弦分布律 结合 型真空镀膜机的几何结构和望远镜镀膜的实际需求 编写膜厚计算程序 模拟膜厚理论分布情况 给出膜厚优化设计方法和优化结果 方法一:在蒸发源内侧合适的位置加入修正挡板 结果表明 挡板的曲率半径安装误差在 以内
2、 膜厚均匀性峰谷()值由不加挡板时的 下降到 该方法具有一定的普适性 但是挡板安装位置要精确控制 方法二:结合反射主镜中间的圆孔结构 设计双圈蒸发源 结果表明 当内外圈蒸发源的中心距分别为 和 且满足外圈蒸发源的数量为内圈的 倍时 膜厚均匀性峰谷值为 该方法是针对中心具有圆孔镜面设计的适用于大多数反射式天文望远镜镀膜关键词:望远镜镀膜 膜厚均匀性 球面夹具 修正挡板中图分类号:文献标识码:文章编号:()膜厚均匀性是指膜层厚度随基板表面位置变化而变化的情况 是制备高性能光学薄膜的一项重要指标 大口径反射式光学望远镜通常采用物理气相沉积的方式镀制金属高反射膜 其中以热蒸发的方式镀铝、镀金最常见 铝
3、膜在可见光波段具有较高的反射率 金膜通常用于红外波段 由于天文望远镜口径较大 通常需要设计专门的镀膜机为主镜镀膜 除了膜层的反射率、膜层质量以外 膜厚均匀性也是制备高性能薄膜必须关注的问题 蒸发镀膜过程中影响膜厚均匀性的因素较多 主要有材料的蒸发特性、镀膜机真空室的结构尺寸、蒸发源排布方式、夹具类型、真空系统和温度等天文望远镜对系统的成像质量要求较高 主镜反射膜膜厚不均匀 会导致进入光学系统平行光的波前发生改变 严重时甚至影响到主镜面型 丽江 光学望远镜反射主镜出厂时单层铝膜的平均反射率为 膜厚均匀性为 后续重新镀膜也基本达到这一指标 对于大口径镀膜 尤其是天文望远镜反射膜 通常需要专门的大口
4、径镀膜机 我们可以通过设计旋转行星夹具、多源蒸发、修正挡板等方法提高膜厚的均匀性 但是 在大口径望远镜镀金属反射膜时 镀膜时间短 望远镜质量大 操作风险高 不适合采用旋转行星夹具 对于大口径望远镜镀膜 通常采用多源蒸发的方法提高膜厚均匀性 望远镜主镜口径 采用 个蒸发源同步蒸发 膜厚均匀性得到较好的控制 文采用 组钨丝蒸发源为 望远镜镀制铝反射膜 当蒸发源个数超过 时镜面横向的膜厚极值已经基本重合 另外修正挡板的方法也常用于提高膜厚均匀性 文采用平面静止挡板透视投影法设计薄膜厚度修正挡板 给出设计和实验结果 文对行星旋转系统中大孔径凹面反射镜和阴影掩模设计厚度均匀分布进行优化设计 得到固定位置
5、阴影掩模 使凹面反射镜(孔径)的膜厚均匀性从 降低到 文对旋转夹具系统修正挡板进行仿真 并给基金项目:“西部青年学者”人才项目()资助.收稿日期:修订日期:作者简介:陈鑑辉 男 硕士研究生 主要研究天文技术与方法.:.通信作者:伦宝利 男 正高级工程师 主要研究天文技术与方法.:.天 文研究与技术 卷出挡板的加工精度 文设计一种扇叶形状的修正挡板 文也采用修正挡板的方法 均获得较好的膜厚均匀性 但是 以上修正挡板适用的基板口径较小 不适用于较大口径的天文望远镜镀膜 目前 国内对于 级以上口径的望远镜镀膜工作 关于控制膜厚均匀性的研究较少 随着反射式天文望远镜口径不断增大 膜厚均匀性的控制难度不
6、断增加 探索更好的、更适合大口径镀膜的膜厚均匀性优化方法十分必要考虑到天文望远镜主镜口径较大 吊装和翻转主镜等操作带来较大风险 通常采用自上而下的蒸发方式 主镜的反射膜朝上 蒸发源置于主镜上方 为了防止热蒸发过程中温度不均匀 导致蒸发材料滴落、喷溅到主镜上 蒸发源的排布位置受到限制 蒸发源到旋转中心的距离只能取 为了进一步降低膜厚不均匀对主镜面型带来的附加影响 必须设计新的方案来提高大口径镀膜的膜厚均匀性 本文结合/型镀膜机 对膜厚分布进行优化设计 展开对大口径望远镜镀膜过程中膜厚均匀性控制方法的研究 给出适用于大口径望远镜镀膜过程中膜厚均匀性的优化设计方案 膜厚的理论分布 球面夹具膜厚分布膜
7、厚的理论计算主要基于 个假设:()镀膜过程中真空环境要求蒸发分子、残余气体在蒸发过程中没有碰撞()蒸发分子在基板表面沉积成致密的薄膜 膜层密度与原材料相同()蒸发源的蒸汽发射特性不随时间发生变化基板表面任意一点薄膜厚度取决于真空室的几何配置、蒸发源蒸汽发射特性及真空度等因素 设蒸发材料的质量、密度、蒸发特性 基于电阻热蒸发膜厚遵循的余弦分布律 基板上任一点薄膜厚度可以表示为()其中 为蒸发源和基板表面面元的连线与面源法线的夹角 为蒸发源和基板表面面元连线与镀膜表面法线的夹角 为蒸发距离 在之前 望远镜镀铝膜的测试中 采用 根据钨丝的形状进行积分 膜厚分布的模拟结果与测试结果基本吻合 因此 本文
8、同样采用 球面夹具示意图如图 钨丝上任意一点 相对于钨丝的中心位置用夹角 表示 基板上任意沉积点 用极坐标(图 球面夹具示意图 以球面基板中心为原点建立三维坐标系 表示蒸发源 表示沉积点 )表示 设基板上表面的中心点为坐标原点 则发射点 坐标可以表示为()()沉积点 的坐标()()蒸发源 的单位法向量()基板上表面任意沉积点 的单位法向量为.()由蒸发源 到沉积点 的向量为 则蒸发距离 则有()()()()期陈鑑辉等:米主镜反射膜膜厚均匀性的优化设计 发射角余弦为 ()沉积角余弦为 ()沉积点 位置的膜厚 可以表示为.()设蒸发高度 蒸发源中心距夹具中心的距离 球面基板的曲率半径 钨丝直径 编
9、写程序 模拟旋转夹具的膜厚分布情况 仿真结果如图 由图 可以看出 沿径向膜逐渐变厚 边缘处略有下降 膜厚呈中心对称分布 蒸发源位置对膜厚均匀性的影响考虑到镀膜机真空室结构限制 蒸发高度只能在 望远镜镀膜采用自上而下的图 球面夹具膜厚分布等高图:基板表面膜厚呈中心对称分布 而且中心和靠近边缘位置膜厚相对较薄 :蒸镀方式 为避免蒸发材料滴落和喷溅到镜面上 实际镀膜 只能取 由于钨丝蒸发源呈中心对称分布 基板表面的膜厚也具有中心对称分布 为了更加直观地看到膜厚分布情况 本文采用沿半径方向的膜厚数据进行分析 编写程序 模拟不同蒸发源位置对膜厚分布的影响 结果如图 图 ()不同蒸发高度 对膜厚分布的影响
10、 随着蒸发高度增加 膜厚均匀性逐渐变好()蒸发源的中心距离 对膜厚分布的影响 当 接近 时 膜厚均匀性较好():():本文采用峰谷()值作为膜厚均匀性的评价指标 ()天 文研究与技术 卷其中 为膜厚峰值 为膜厚谷值 为膜厚平均值如表 不同蒸发高度情况下的膜厚峰谷值 表示蒸发高度 峰谷表示膜厚均匀性 由表 可以看出 在一定的蒸发高度范围内 增加蒸发高度可以获得更好的膜厚均匀性 但是增加程度有限 图 直观展示了随着蒸发高度增加 膜厚均匀性逐渐变好 但是 考虑到大口径望远镜镀膜情况的特殊性/型镀膜机真空室几何尺寸有限以及真空泵的极限真空度等因素不能仅仅依靠增加蒸发高度来获得更优的膜厚均表 不同蒸发高
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