激光陀螺基片散射收集系统的设计与分析

　　0　引言

　　研制高性能的激光陀螺,对其反射镜表面提出了相当苛刻的要求,研究其表面损耗情况并精确检测是非常关键的.反射镜的光学损耗包括吸收损耗和散射损耗,吸收损耗跟薄膜及基片的材料有关,而散射损耗则与表面粗糙度有直接的对应关系.若要求反射镜的散射损耗小,首先是镀膜前的基片表面超光滑(表面均方根粗糙度为亚纳米级甚至亚埃级)[1-2],因此在基片加工及镀膜工艺中,基片表面质量的检测是重要的检测项目.

　　采用光散射法直接测试超光滑石英基片时,有四个问题是不可避免的[3]:1)由于石英基片表面的反射率较小,因此基片的表面散射强度也很低;2)在石英基片的上、下表面之间可能形成多次反射,而且多次反射在空间上是分离的;3)石英基片的体散射对测试结果有一定贡献;4)散射场是由前、后表面散射场共同组成的.对于第一个问题,可以通过尽可能压制系统的背景光水平从而提高系统的最低分辨水平来解决;而对于透明基片的后表面反射及散射问题,由于入射光点在后表面和前表面有较大的分离(在横向上有约2.7 mm的间隔),相对来说比较容易去除,因此最难处理的就是基片的体散射对测试结果的影响.尽管石英的体散射比较小,但是对于高准确度激光陀螺应用的基片来说,其体散射量级已经超过了表面散射的量级,因此如果不想办法尽可能去除的话,它将极大地影响石英基片散射测试系统的最低分辨能力.通常,消除石英基片的体散射的方法是在基片表面镀上一层Al膜后再进行测量,但这样不仅可能会增加表面散射,同时也破坏了表面性状,不适用于激光陀螺应用.

　　积分散射法作为检测薄膜和不透明表面质量的手段已经被广泛采用,国际标准化组织(International Organization for Standardization,ISO)甚至制定了积分散射测试标准[4-5].但是,运用散射光进行透明基片的测试,一直鲜有报道[6-7].仅有的几篇报道也主要集中在对基片表面散射的理论研究.1988年,Dirk-Roger Schmitt运用积分散射的方法对激光陀螺用基片表面进行了检测[1].试验中,他采用了特殊结构对后表面散射进行了去除,但没有考虑体散射的影响,因此当BK7基片表面均方根粗糙度低到0.12 nm时,散射测量结果与zygo 5500型外差光学轮廓仪的测量结果相差甚远,主要是由于体散射对测试结果有较大的贡献.1994年,德国的Oliver Kienzle从理论上详细分析了基片表面散射的分布和特征,并从理论上推导了利用积分散射对基片表面散射进行测试的方法[3].在此基础上,设计制作了分辨极限为0.1 ppm的积分散射仪,并对基片表面散射进行了测试.在其理论推导和实验检测过程中,没有考虑体散射对测试结果的影响.以上两种仪器都是采用积分球作为散射光的收集器件,它的好处是收集角度范围大,而且积分散射仪有相应的规范可供参考,但由于积分球的特定结构,决定了它很难有效去除基片体散射对其测试结果的影响.对于激光陀螺用基片来说,由于基片表面非常光滑,通常其表面均方根粗糙度(Root Mean Square,RMS)只有0.1 nm,甚至更低,因此通常体散射比表面散射更强,如果不对体散射进行有效去除的话,就会导致由于体散射的影响而不能准确判断表面散射的大小.