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    秦皇岛本征晶体科技有限公司 晶体原料制备、晶体生长、元件初加工、精加工、镀膜和器件产业链闭环
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    硫化锌(ZnS)平凸柱面透镜

    产品简介

        硫化锌(ZnS)是一种宽禁带(3.72 eV)II-VI族半导体材料,在近红外(1~3μm)、中红外(3~5μm)、远红外(8~12μm)等多个光谱波段具有较高的光学透过率,具有适中的机械性能、热学性能和化学稳定性,是一类重要的光电子功能材料。多光谱波段透过型ZnS体材料在整流罩、红外透镜、红外窗口等领域具有广泛应用。

          柱面镜主要应用于改变成像尺寸大小的设计要求。例如把一个点光斑转换成一条线斑,或者在不改变像宽度的情况下改变像的高度。

           本征晶体公司可提供尺寸2-300mm,厚度0.12-60mm(精度可达20-10,1/10L@633nm)的硫化锌柱面透镜, 拥有胶盘抛光、高速抛光、环形抛光和CNC抛光4大工艺,拥有ZYGO,AFM,反射和透射偏心仪,15秒测角仪,紫外胶合定心系统,非接触式激光测厚仪,2D成像仪和球径仪,保证数据的准确性

    注:光学产品多为定制加工,具体尺寸规格请咨询客服。


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    产品简介

    柱面镜

    材料数据硫化锌镀膜类型镀膜材料新版材料介绍材料集合模板


    生长车间生长车间13文字切割1130铣磨车间4抛光车间标题22444镀膜车间标题114非球车间12干涉仪34

    标题原尺寸中英文-恢复的-恢复的-恢复的

        平凸柱面镜只在一个方向聚焦而另一个方向没有聚焦功能,和平凸透镜的外形尺寸相似,但它圆柱的一部份可代替球面,柱面透镜能把点光转换成线光,且可用作产生激光的线性激光发生器。这种透镜以同一尺寸放大所以它能拉伸成像,因此它能把光调焦成一个细缝或是聚光成一个线性扫描探测器。由于在倾斜和楔形方面有严格公差,和标准柱面透镜相比,高品质成像透镜将产生直线或是更好成像。

        柱面镜主要应用于改变成像尺寸大小的设计要求。例如把一个点光斑转换成一条线斑,或者在不改变像宽度的情况下改变像的高度。可应用在线性探测器照明,条形码扫描,全息照明,光信息处理,计算机,激光发射。光学柱面镜在强激光系统和同步辐射光束线中也有着广泛的应用,同时,对柱面镜零件的要求也越来越高,尤其在大功率激光谐振腔的腔片和长距离线干涉仪等高精度测试仪器和装置中。

    柱面透镜组成:

        一个柱面和一个平面组成

        1.正柱面透镜

        2.负柱面透镜

    00


    柱面透镜的轴与主子午线

        1.柱面在与轴平行的方向上是平面

        2.柱面在与轴垂直的方向上是圆形的,弯度最大

        3.这两个方向称为柱面的两条主子午线方向。



    11

    主子午线:

        轴向子午线:与轴平行的子午线,在柱面上是平的,没有弯度。

        屈光力子午线:与轴垂直的子午线,在柱面上的圆形的,弯度最大。

    22

    柱面透镜光学特性

        1.光线通过轴向子午线 (图中垂直方向)不会出现聚散度的改变。

        2.光线通过屈光力子午线(图中水平方向)会出现聚散度的改变。

    截图20220817160212

    注:凡与柱镜轴成直角方向的平行投射光线,其屈折作用视凸柱镜或凹柱镜而异。

           光线通过柱面透镜,将形成一条焦线

           焦线与轴向平行

    33

    柱镜中间方向的屈光力

        在柱镜轴向与垂轴方向之间任意方向的屈光力计算公式:

    image

        θ为所求的子午线方向与柱镜轴的夹角

    44

    柱面透镜的表示方法

    光学十字

        表示:

        柱面透镜的两条主子午线在水平和垂直方向上

        垂直方向为轴向,屈光力为零

        水平方向屈光力最大,为+3.00D

    55

    66

    硫化锌介绍

    硫化锌红外光学材料

            目前,光学材料的种类多达几十种:无色光学玻璃和有色光学玻璃,红外光学材料,光学晶体,光学石英玻璃,人造光学石英晶体,微晶玻璃,光学塑料,光学纤维,航空有机玻璃,乳白漫射玻璃以及有关液体材料等。

    8

        其中红外材料是其中最常见的一种。红外光学材料主要有硫化锌、金刚石、单晶锗、硅、砷化镓、氟化镁和蓝宝石等,CVD ZnS是除金刚石外,唯一透射波段覆盖可见光到长波红外,全波段乃至微波波段的红外光学材料, 是目前最重要的长波红外窗口材料(既可用作高分辨率红外热像系统的窗口和透镜,也可用作“三光合 一”光窗、近红外激光/双色红外复合光窗等先进军事用途。

            在光学行业中,硫化锌是一种光学化学惰性材料,具有纯度高,不溶于水,密度适中,易于加工等特点。广泛应用于红外窗口,整流罩和红外光学元件的制作。

        CVD ZnS作为窗口、透镜或者整流罩的主要作用有两方面,一是透射信号,包括目标的红外辐射和自身 发出的主动激光信号,二是抵抗环境中的气动冲击、沙蚀、雨蚀等破坏效应,保护其后的光学元件。


    光学晶体选用

    K9(N-BK7):

    K9(H-K9L,N-BK7)是最常用的光学材料,从可见到近红外(350-2000nm)具有优异的透过率,在望远镜、激光等领域有广泛应用。H-K9L(N-BK7)是制备高质量光学元件最常用的光学玻璃,当不需要紫外熔融石英的额外优点(在紫外波段具有很好的透过率和较低的热膨胀系数)时,一般会选择H-K9L。

    紫外熔融石英:

        紫外熔融石英(JGS1,F_SILICA)从紫外到近红外波段(185-2100nm)都有很高的透过率,在深紫外区域具有很高透过率,使其广泛应用于紫外激光中。此外,与H-K9L(N-BK7)相比,紫外级熔融石英具有更好的均匀性和更低的热膨胀系数,使其特别适合应用于紫外到近红外波段,高功率激光和成像领域。

    氟化钙:

        由于氟化钙(CaF2)在波长180nm-8um之内的透射率很高(尤其在350nm-7um波段透过率超过90%),折射率低(对于180 nm到8.0um的工作波长范围,其折射率变化范围为1.35到1.51)因此即使不镀膜也有较高的透射。它经常被用做分光计的窗口片以及镜头上,也可用在热成像系统中。另外,由于它有较高的激光损伤阈值,在准分子激光器中有很好的应用。氟化钙与氟化钡、氟化镁等同类物质相比具有更高的硬度。

    氟化钡:

        氟化钡材料从200nm-11um区域内透射率很高。尽管此特性与氟化钙相似,但氟化钡在10.0um 以后仍有更好的透过,而氟化钙却是直线下降的;而且氟化钡能耐更强的高能辐射。然而,氟化钡缺点是抗水性能较差。当接触到水后,在500℃时性能发生明显退化,但在干燥的环境中,它可用于高达800℃的应用。同时氟化钡有着优良的闪烁性能,可以制成红外和紫外等各类光学元件。应当注意:当操作由氟化钡制作的光学元件时,必须始终佩戴手套,并在处理完以后彻底清洗双手。

    氟化镁:

        氟化镁在许多紫外和红外应用中备受欢迎,是200nm-6um波长范围内应用的理想选择。与其它材料相比,氟化镁在深紫外和远红外波长范围尤其耐用。氟化镁是一种强力的材料,可用于抵抗化学腐蚀、激光损伤、机械冲击和热冲击。其材质比氟化钙晶体硬,但与熔融石英比较相对较软,并且具有轻微的水解。它的努氏硬度为415,折射率为1.38。

    硒化锌:

        硒化锌在600nm-16um波段内具有很高透过率,常用于热成像、红外成像、以及医疗系统等方面。而且由于硒化锌吸收率低,特别适用于大功率CO2激光器中。应当注意:硒化锌材料相对较软(努氏硬度为120),容易擦花,建议不要用于严酷环境。在手持、以及清洁时要加倍小心,捏持或擦拭时用力要均匀,最好带上手套或橡胶指套,以防玷污。不能用镊子或其它工具夹持。

    硅:

        硅适合用于1.2-8um区域的近红外波段。因为硅材料具有密度小的特点(其密度是锗材料或硒化锌材料的一半),在一些对重量要求敏感的场合尤为适用,特别在3-5um波段的应用。硅的努氏硬度为1150,比锗硬,没有锗易碎。然而,由于它在9um处有强的吸收带,因此并不适合用于二氧化碳激光器的透射应用。

    锗:

        锗适合用2-16um区域的近红外波段,很适合用于红外激光。由于锗具有高折射率、表面最小曲率和色差小的特性,在低功率成像系统中,通常不需要修正。但是锗受温度影响较为严重,透过率随温度的升高而降低,因此,只能在100℃以下应用。在设计对重量有严格要求的系统的时候要考虑锗的密度(5.33g/cm3)。锗平凸透镜采用精密金刚石车床车削表面,这一特征使其非常适合于多种红外线应用,包括热成像系统、红外线分光镜、遥测技术和前视红外(FLIR)领域中。

    CVD 硫化锌:

        CVD ZnS是除金刚石外,唯一透射波段覆盖可见光到长波红外,全波段乃至微波波段的红外光学材料, 是目前最重要的长波红外窗口材料(既可用作高分辨率红外热像系统的窗口和透镜,也可用作“三光合 一”光窗、近红外激光/双色红外复合光窗等先进军事用途。

    波段划分

    可见光 

        指能引起视觉的电磁波。可见光的波长范围在0.77~0.39微米之间。波长不同的电磁波,引起人眼的颜色感觉不同。0.77~0.622微米,感觉为红色;0.622~0.597微米,橙色;0.597~0.577微米,黄色;0.577~0.492微米,绿色;0.492~0.455微米,蓝靛色;0.455~0.39微米,紫色。 

    红外光谱(infrared spectra)

        指以波长或波数为横坐标以强度或其他随波长变化的性质为纵坐标所得到的反映红外射线与物质相互作用的谱图。按红外射线的波长范围,可粗略地分为近红外光谱(波段为0.8~2.5微米)、中红外光谱(2.5~25微米)和远红外光谱(25~1000微米)。对物质自发发射或受激发射的红外射线进行分光,可得到红外发射光谱,物质的红外发射光谱主要决定于物质的温度和化学组成;对被物质所吸收的红外射线进行分光,可得到红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱,它是一种分子光谱。分子的红外吸收光谱属于带状光谱。原子也有红外发射和吸收光谱,但都是线状光谱。 

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    紫外光谱 

        紫外光谱是分子中某些价电子吸收了一定波长的电磁波,由低能级跃近到高能级而产生的一种光谱,也称之为电子光谱。目前使用的紫外光谱仪波长范围是200~800nm。其基本原理是用不同波长的近紫外光(200~400nm)依次照一定浓度的被测样品溶液时,就会发现部分波长的光被吸收。如果以波长λ为横坐标(单位nm),吸收度 (absorbance)A为纵坐标作图,即得到紫外光谱(ultra violet spectra,简称UV)。

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    光洁度说明

    表面光洁度的定义及检测

        表面光洁度、表面粗糙度和表面平整度是三个容易相互混淆的概念。表面光洁度从严格意义上来说是表面粗糙度的另一称法,但这两者的概念还是有所区别。表面光洁度是基于人的视觉所提出来的概念,而表面粗糙度是由于元件在加工的过程中刀具与元件表面摩擦或高频振动在光学元件表面形成微观几何形状来定义的。由于光学元件表面粗糙度计算比较复杂,因此,借助光源使用肉眼观察光学元件的光洁度更直观的来检测光学质量。

        随着精密激光技术的不断发展,对表面光洁度的要求越来越高。尤其在高功率激光系统中,光学元件的表面质量是限制其进一步发展的重要因素之一。光学元件表面质量的好坏会直接影响整个光学系统的性能,想要使光学仪器设备能更高效地工作,不仅要在加工时注意光学元件的表面质量,还要做好对成品元件的检测工作,因此如何更好地检测光学镜片光洁度将成为重要指标之一。

    检测

    一、表面光洁度检验方法

        1、中国标准规定,检验时应以黑色屏幕为背景,光源为36V、60W~108W的普通白炽灯泡,在透射光或反射光下用4×~10×放大镜观察。

        2、俄国标准规定,检验时光源为60W~100W的普通白炽灯泡,在透射光或反射光下观察。检验像面附近的光学表面时应采用不小于6×放大镜,检验Ⅰ~Ⅲ级的光学表面时应采用不大于6×放大镜,检验低于Ⅳ级的光学表面时不采用放大镜。

        3、美军标准规定,方法1:检验时以磨砂玻璃为背景观察零件,光源为40W的日光灯,放在玻璃后面3cm

    处。玻璃正面放2根以上的无光泽横条与玻璃接触;横条约占玻璃面积一半;方法2:40γ的日光灯的灯光透过磨砂玻璃后再透过零件,借助零件表面散射光观察疵病。观察时应以黑色为背景。

    二、表面光洁度的定义及判定方法

        表面缺陷标准:根据美国军方标准《MIL-O-13830B》,用两组数字表示表面缺陷大小。例如40-20,前者限制划痕大小,后者限制麻点大小。道子、亮路、伤、擦痕都统称为划痕。斑点、坑点、点子 都称为麻点。规定长与宽的比大于4:1的为划痕;长与宽的比小于4:1的为麻点。

    图1


        当元件的不同区域表面光洁度要求不一样时,计算等效直径应以区域进行,即表面质量要求高的内区域其等效直径以内区域为准(如有效孔径的区域);表面质量要求低的外区域计算为整体元件的等效直径。

    表面粗糙度对零件的影响主要表现在以下几个方面:

        1、影响耐磨性。表面越粗糙,配合表面间的有效接触面积越小,压强越大,摩擦阻力越大,磨损就越快。

        2、影响配合的稳定性。对间隙配合来说,表面越粗糙,就越易磨损,使工作过程中间隙逐渐增大;对过盈配合来说,由于装配时将微观凸峰挤平,减小了实际有效过盈,降低了连接强度。

        3、影响疲劳强度。粗糙零件的表面存在较大的波谷,它们像尖角缺口和裂纹一样,对应力集中很敏感,从而影响零件的疲劳强度。

    光圈

        光圈,PV,rms,这几个词在光学加工中经常遇到,但不同的人有不同的理解,甚至同一个公司的人都难以达成一致的理解.

        一般评价表面面形主要有三种,光圈 局部光圈;干涉仪计算得到的 pv rms; 还有就是ISO10110-5里面的一些指标

    检测2

    光圈理解为参考和被测之间的半径差:

        样板法时不管是平面样板还是球面样板,如果成圈了,那么个圈(一个条纹间隔)代表0.5个波长面形,如果干涉仪测时,如果成圈,那么分两种情况,测平面时可以从单幅干涉图得到光圈,但测球面时,是无法测到光圈的,就是说,干涉仪测球面时是测不出光圈的,要想得到球面的半径差,需要配以测长装置。因为干涉仪的标准球面镜只提供标准球面波,而这个球面波是任意半径的,而样板法标准球面,提供一个半径固定的标准球面。

    上面说的是N

        第二就是像散差了,他表示光学表面和参考表面之间两个互相垂直方向上光圈数不等所对应的偏差,两个方向的N相减,还要看光圈的符号

        比如,椭圆形状像散时,两个方向N符号是相同的,马鞍形状像散时,两个方向N符号是相反的

    局部光圈 

        就是局部不规则度 所对应的局部偏差。主要看局部条纹偏移量和理想条纹间隔之间的比值。

        干涉仪一般测量后得到的是PV值和rms值,pv值对应的是波面 峰值和谷值之间的差,或者认为和塌边和翘边指和,而局部光圈呢,是塌边和翘边之间的最大值。单单用pv值来评价有时候很不客观。rms是一种统计量,主要是看波面的变化缓慢,rms值反映波面可能更客观。

        ISO 10110-5里面把干涉仪得到的波面分成 sag 和 IRR(不规则度),IRR有分为旋转对称和非旋转对称。其中对于平面来讲,sag对应于半径差,和光圈有点像,也对应于power值(只是接近),IRR 就是扣除sag后的波面,和局部光圈有点像。上面说了干涉仪测不出球面光学元件的光圈,所以干涉仪测球面只能得到IRR,要想得到sag可以通过配以测长装置,或者用球径仪测,然后输入参考半径和比较半径,就可以算出。

        PV镜片表面上凸凹不平的最高点和最低点的差值,而irregularity是局部光圈吧,我们考量某镜片的局部光圈数是同一条干涉条纹不规则部分偏离规则部分的比值,但它不一定是最高点和最低点的差值,肯定小于等于!

        光圈不满一个时,大概可分为两种,一种是光圈变成直线了,我们习惯称其为零个光圈.

        另一种是成弧线的,我们习惯称其为半个光圈.

        光圈:镜片和样板放在一起的时候会形成干涉条纹,成圆环形。圆环的个数既是光圈数。

        PV:镜片表面上最高点和最低点的差值。RMS:镜片表面上那些坑坑包包差值的平均值。

    制备方式

        过去硫化锌(ZnS)多晶体块材料常采用热压(HP)法,但其红外透过率低,并且在9.8μm处有吸收峰。采用化学气相沉积(CVD)法制备硫化锌(ZnS)可以克服上缺点,并制备出大尺寸的硫化锌(ZnS)多晶体块材料。

    化学气相沉积(CVD):

    1. 通过化学反应的方式,利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源,在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术。

    2. 简单来说就是两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内,然后他们相互之间发生化学反应,形成一种新的材料,沉积到基片表面上。

    3. 从气相中析出的固体的形态主要有:在固体表面上生成薄膜、晶须和晶粒,在气体中生成粒子。

    CVD技术要求:

    1. 反应剂在室温或不太高的温度下最好是气态或有较高的蒸气压而易于挥发成蒸汽的液态或固态物质,且有很高的纯度;

    2. 通过沉积反应易于生成所需要的材料沉积物,而其他副产物均易挥发而留在气相排出或易于分离;

    3. 反应易于控制。

    CVD技术特点:

    1. 沉积反应如在气固界面上发生,则沉积物将按照原有固态基底(又称衬底)的形状包覆一层薄膜。

    2. 涂层的化学成分可以随气相组成的改变而改变,从而获得梯度沉积物或得到混合镀层。

    3. 采用某种基底材料,沉积物达到一定厚度以后又容易与基底分离,这样就可以得到各种特定形状的游离沉积物器具。

    4. CVD技术中可以沉积生成晶体或细粉状物质(如纳米超细粉末)。

    5. CVD工艺是在较低压力和温度下进行的,不仅用来增密炭基材料,还可增强材料断裂强度和抗震性能。


    镀膜工艺

    光学镀膜概念及原理

        镀膜是用物理或化学的方法在材料表面镀上一层透明的电解质膜,或镀一层金属膜,目的是改变材料表面的反射和透射特性,达到减少或增加光的反射、分束、分色、滤光、偏振等要求。常用的镀膜法有真空镀膜(物理镀膜的一种)和化学镀膜。光学零件表面镀膜后,光在膜层层上多次反射和透射,形成多光束干涉,控制膜层的折射率和厚度,可以得到不同的强度分布,这是干涉镀膜的基本原理。

    镀膜

    光学薄膜分类:

        增透膜:硅、锗、硫化锌、硒化锌等基底较多,氟化物较为少见。

        单波长、双波长、宽带

        反射膜:分介质与金属反射膜,金属反射膜一般为镀金加保护层。

        半反射、单波长、双波长、宽带

        硬碳膜 :也叫DLC膜,一般镀在硅、锗、硫系玻璃外表面,做保护/增透作用, 产品另一侧一般要求镀增透膜。 

        分光膜 :有些要求特定入射角情况下,可见光波段反射,红外波段透过,多用于光谱分析中。

        45度分光片、双色分束、偏振分束片&棱镜

        滤光膜:宽带、窄带

        激光晶体膜:YAG/YV04/KTP/LBO/BBO/LIND03

        紫外膜-增透:193/248/266/308/340/355,铝反射180-400nm 

        红外膜:CO210.6UM/YAG2940NM/SI&GE&ZNSE&ZNS

    增透膜波长选择表

    增透膜

    标准可见光增透膜曲线

    3333

    标准红外光增透膜曲线

    222截图20220708140017

    高反射膜

    金属镜(Metallic Mirror)

        成本较低,反射波段较宽。

        一般用于反射率要求不是特别高,但是波段很宽的应用。

        因为存在部分吸收,因此限制了其在激光领域的应用。

    全介质反射镜(Dielectric HR coatings )

        成本较高,反射波段较窄。

        反射率可以做到很高。

        反射波段范围有限,如加大反射波段范围,膜层镀制难度将提高。

        膜层较厚,应力较大,存在膜层脱落风险。

    截图20220708140358截图20220708140407

    镀膜基片

        指在什么材质上镀膜。基底往往是使用环境和用途决定。常见的镀膜基底选择? 如气体分析保护金多用氟化钙基底,普通反射镜用浮法玻璃,激光腔镜用硅基底,红外滤光片多用硅锗,可见及近红外多是玻璃,无氧铜多是镍和金等。

        氟化钙,氟化钡,氟化镁,蓝宝石,锗,硅,硫化锌,硒化锌,硫系玻璃,N-BK7,熔融石英等

    镀膜材料

        附着在基底上的起到透射,反射,分光等作用的材料,可能是光学材料如硫化锌、氟化镁等,也可能是金属,如铝金等。目前成熟大批量光学镀膜材料多是颗粒状或是药片状,也有整块晶体镀膜靶材;金属镀膜材料多是丝及块状;基底,用途,和镀膜指标决定用什么镀膜材料

    镀膜工序和设备

    清洗设备:

        超声波清洗机:指清洗和烘干一体化的,可直接装盘镀膜。同时这个机器必须在洁净空间使用;

    光学镜片的超声波清洗技术

        在光学冷加工中,镜片的清洗主要是指镜片抛光后残余抛光液、黏结剂、保护性材料的清洗;镜片磨边后磨边油、玻璃粉的清洗;镜片镀膜前手指印、口水以及各种附着物的清洗。

        传统的清洗方法是利用擦拭材料(纱布、无尘纸)配合化学试剂(汽油、乙醇、丙酮、乙醚)采取浸泡、擦拭等手段进行手工清擦。

    这种方法费时费力,清洁度差,显然不适应现代规模化的光学冷加工行业。这迫使人们寻找一种机械化的清洗手段来代替。于是超声波清洗技术逐步进入光学冷加工行业并大显身手,进一步推动了光学冷加工业的发展。

        超声波清洗技术的基本原理,大致可以认为是利用超声场产生的巨大作用力,在洗涤介质的配合下,促使物质发生一系列物理、化学变化以达到清洗目的的方法。

        当高于音波(28~40khz)的高频振动传给清洗介质后,液体介质在高频振动下产生近乎真空的空腔泡,空腔泡在相互间的碰撞、合并、消亡的过程中,可使液体局部瞬间产生几千大气压的压强,如此大的压强使得周围的物质发生一系列物理、化学变化。

    工艺流程:

      镀膜流程

    等离子增强化学气相沉积 (PECVD):

        是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离,在局部形成等离子体,而等离子体化学活性很强,很容易发生反应,在基片上沉积出所期望的薄膜。因为利用了等离子的活性来促进化学反应,PECVD可以在较低的温度下实现

    粒子辅助


    等离子辅助气相沉积

        目前DLC膜常用制备方法。采用射频技术(RF-PACVD)将通入的气体(丁烷、氩气)离化,在极板自偏压(负)的吸引下,带正电的粒子向基板撞击,沉积在基板表面。

    原理图

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