2022年5月3日,马萨诸塞州,麻省理工学院的研究人员开发了一种可以生产高质量的薄镜和硅晶圆的低成本的光学制造方法。这种由研究科学家和主要作者Youwei Yao领导的团队开发的方法以一种消除失真的方式重塑薄板材料，并使研究人员能够更随意地将表面弯曲成高级复杂系统所需的精确和复杂的形状。 依赖于轻量级、高精度光学系统的技术，如太空望远镜、X射线镜和显示面板，在过去几十年中得到了显著发展，但更多的进展受到看似简单的问题的限制。例如，在这些光学系统中具有必要微观结构的镜片和板材的表面可能会因表面涂层材料受应力而变形，从而降低光学质量。对于超轻量级光学系统尤其如此，例如空间光学，传统的光学制造方法难以满足严格的形状要求。 Yao和他的团队设想，他们更薄，更容易变形的表面可以用于更广泛的应用，例如增强现实耳机和更大的望远镜，它们可以以更低的成本被送入太空。
在热氧化层中蚀刻出带有应力校正模式的硅镜。麻省理工学院提供。 “使用应力使光学或半导体表面变形并不是什么新鲜事，但通过应用现代光刻技术，我们可以克服现有方法的许多问题。”Yao说。 该团队的工作建立在亚利桑那大学的助理教授Brandon Chalifoux的研究基础上。Chalifoux与该团队在早期的论文中合作发表了一种数学形式，将表面应力状态与薄板变形联系起来，作为他机械工程博士学位的一部分。 在这种新方法中，Yao开发了一种新颖的应力模式排列，用于精确控制一般应力。用于光学表面的衬底首先在背面涂上由二氧化硅等材料制成的高应力薄膜薄层。新颖的应力模式以平版印刷方式印刷到胶片中，以便研究人员可以在特定区域改变材料的性质。在不同区域选择性地处理薄膜涂层可以控制在表面上施加应力和张力的位置。由于光学表面和镀膜粘附在一起，因此操纵镀膜材料也会相应地重塑光学表面。 “你不是在通过增加压力来制作一个形状，而是通过精心设计的几何结构（如点或线）有选择地消除特定方向的应力，”高级研究科学家兼空间纳米技术实验室（SNL）主任Mark Schattenburg说。“这只是一种特定的方法，可以在镜片中的某个位置减轻目标的应力，然后这个位置就可以弯曲材料。 自2017年以来，SNL团队与NASA戈达德太空飞行中心（GSFC）合作开发了一种工艺，以纠正由涂层应力引起的X射线望远镜的形状失真。该研究起源于为NASA的Lynx下一代X射线望远镜任务概念建造X射线镜的项目，该项目需要数以万计的高精度镜片。由于聚焦X射线的任务，反射镜必须非常薄才能有效地收集X射线。然而，镜片在变薄时会迅速失去刚度，很容易被其反射涂层的应力扭曲。 “自2001年以来，我在GSFC的团队一直在制造和镀膜薄X射线反射镜，”GSFC X射线光学组组长William Zhang说。“随着技术进步，X射线镜的质量在过去几十年中不断提高，涂层引起的变形已成为一个日益严重的问题。” Yao和他的团队开发了一种光刻应力图案化方法，成功地结合了几种不同的技术，在应用于该小组制作的X射线镜时，可以出色地去除失真。 在取得初步成功后，该团队决定将该工艺扩展到更广泛的应用，例如镜片和薄基板的自由成型，但他们遇到了一个障碍。 “不幸的是，为GSFC开发的过程只能精确控制单一类型的表面应力，即所谓的等双轴应力，”Chalifoux说。“等双轴应力状态只能实现碗状的表面局部弯曲，这不能纠正薯片或鞍形变形。要实现曲面弯曲的任意控制，需要控制所谓曲面应力张量中所有项。 为了实现对应力张量的完全控制，Yao和他的团队进一步开发了这项技术，最终发明了他们所谓的应力张量介结构（STMs），这是排列在薄基板背面的准周期细胞，由叠加在应力涂层上的光栅组成。 “通过在每个单元单元中旋转光栅的方向并改变所选区域的面积分数，应力张量场的所有三个分量都可以通过简单的图案化过程同时控制，”Yao说。 该团队花了两年多的时间开发这个概念。 “我们在这个过程中遇到了一系列困难，”Schattenburg 说。“纳米精度硅晶圆的自由形状整形需要计量、力学和制造的协同作用。通过将实验室在表面测量和微加工方面数十年的经验与研究生开发的薄板建模和优化工具相结合，我们能够展示一种通用的基板形状控制方法，该方法不仅限于碗状表面弯曲。” 这种方法使该团队能够开发新的应用，而不仅仅是纠正涂层扭曲的X射线镜的初始任务。“当使用传统方法形成薄板时，很难精确，因为大多数方法会产生寄生或残余应力，导致加工后二次变形和回弹，”西北大学机械工程教授曹健说，“但STM应力弯曲方法非常稳定，这对于光学相关应用特别有用。 Yao和他的同事们希望将来能够动态地控制应力张量。 “用于自适应光学技术的薄镜的压电驱动已经开发多年，但大多数方法只能控制应力的一个组成部分，”Yao说，“如果我们能够在薄的压电驱动板上对STM进行图案化，我们将能够将这些技术从光学扩展到有趣的应用，例如微电子和软机器人技术。” 该研究发表在Optica（www.doi.org/10.1364/OPTICA.445379）上。 |
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