福晶小课堂 | 氟化钙单晶：深紫外光学的关键材料

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在200 nm附近的深紫外波段，能够满足精密光路使用要求的光学基材十分有限。氟化钙（CaF?）单晶凭借其从深紫外到红外波段的优异透光性、低折射率及高激光损伤阈值，成为深紫外精密检测、微纳加工及高功率准分子激光系统的优选材料。本文将系统阐述CaF?独特的性能优势、精密加工中的核心难点，以及福晶科技如何依托成熟的加工工艺，实现200 nm以上波段的高精度光学制造。

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深紫外光学优质基材：氟化钙（CaF?）单晶的独特性能优势

在深紫外波段，CaF?单晶综合性能表现优异。随着精密制造工艺不断向更细微尺度发展，设备越来越多地采用短波长深紫外激光。该波段光子能量极高，普通光学玻璃会产生强烈吸收；熔石英在长期高能深紫外辐照下易诱生色心，限制使用寿命。

CaF?单晶展现出多项卓越特性：

超宽本征透过区间（125 nm–10 μm）；

镀膜后可实现高透过率：增透处理后元件透过率可达99.8%以上；

低折射率、高阿贝数（约95），色散微弱，便于光学系统色差校正；

深紫外波段具备较高激光损伤阈值，耐受高功率激光冲击；

光学各向同性，无双折射，降低光学系统设计难度。

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材料的两面性：优异光学性能与加工难点并存

尽管光学性能出色，CaF?的物理与化学属性为精密加工带来严峻挑战：

莫氏硬度仅约4，质地偏软，加工过程表面易产生划痕；

热膨胀系数达18×10-6/K，温度波动下易产生热应力，诱发面型畸变甚至裂纹；

晶体存在解理面，受力不当易沿解理面崩边开裂，对晶体定向、切割路径与装夹方式要求极高；

常温环境化学性质稳定，无明显潮解性；但在高温、水汽共存条件下可发生水解，损害光学表面；

化学环境敏感：酸性环境会提高CaF?溶解度，加工过程中若接触酸性抛光液或清洗剂，易引发表面微蚀刻；抛光液与清洗剂的pH值、酸碱组分均需严格筛选，防止晶体表面产生腐蚀缺陷。

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关键应用领域概述

CaF?单晶已广泛应用于以下高科技场景：

精密制造系统：用于深紫外微纳加工和检测设备的透镜与棱镜

激光装置：高功率深紫外激光器配套光学元件

精密仪器：复消色差显微镜物镜、紫外-可见光谱仪棱镜

红外光学：3–5 μm中红外波段透镜与窗口

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高精度加工的技术难点

CaF?单晶材质偏软、脆性高、热膨胀敏感，采用传统加工方式易产生表面损伤、内部应力集聚、温变诱发形变等缺陷，同时加工过程中还需管控化学腐蚀风险。实现纳米面型精度与亚纳米级表面粗糙度，需要整合超精密加工、无损检测、洁净环境管控等成套先进工艺。

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福晶科技的技术突破与加工体系

针对上述挑战，福晶科技构建了从“优质晶体甄选-精密加工-镀膜-检测”全流程的完整技术体系，专为200 nm以上深紫外光学应用量身打造。

材料层面，深紫外波段对光学基材本征品质要求极高。我们建立了严苛的晶体筛选与评估体系，通过界定晶体品质等级、设定关键指标阈值、高精度晶体定向等管控手段，确保基材在深紫外波段具备优良的光学性能。

在加工端，我们以化学机械抛光（CMP）获得超光滑表面，搭配磁流变抛光（MRF）、离子束抛光（IBF）组成复合超精密工艺链路，实现元件纳米级面型精度与亚纳米级超光滑表面，有效抑制表面微结构带来的深紫外散射损耗。

在检测与镀膜端，我们拥有成熟的深紫外专用镀膜工艺，并搭配全套精密检测设备，包括ZYGO干涉仪、深紫外分光光度计、激光损伤阈值测量系统等，依托全流程数据闭环质控体系，稳定提供适配200 nm以上深紫外波段、兼具高精度与高可靠性的CaF?光学元件。

图1 IBF离子束抛光

图2 Zygo干涉仪

加工能力指标汇总

表 1 福晶科技 CaF2加工关键参数

关键工艺控制指标：

尺寸公差：高精度级可达±0.015mm（窗口）/±0.02mm（透镜）

高精度级平行度指标：平行窗口平行度3″、平行反射镜平行度30″

高精度级角精度：棱镜±5″

透镜偏心控制（偏心角，高精度级）：可达1′

注：上述为可实现指标，元件单一指标可达到对应水平；若图纸多项严苛指标叠加，综合加工可行性需结合具体图纸评估。

我们已建立覆盖CaF?光学元件全制程的精密制造体系，具备200nm级精度的稳定量产与快速交付能力。需要指出的是，CaF?元件的最终性能是材料等级、晶体取向、加工工艺与设计指标耦合作用的结果，任何单一环节的偏差都可能导致系统级性能损失。若您的应用涉及多指标严苛耦合，我们的应用工程师将从材料等级与工艺路线两端，为您做可行性评估与定制化方案匹配。

真正的技术突破源于真实场景的反馈。期待与您深入交流——无论是现有图纸评估、技术探讨，还是面向未来的联合研发定制，都欢迎随时联系。

参考文献

[1] 段安锋，范翊，刘景和，等.CaF?晶体及加工技术研究［J］，长春理工大学学报（自然科学版），2007.

[2] 宗慧雯，赵江山，宋兴亮，等. 氟化钙晶体深紫外激光辐照损伤特性研究进展［J］. 激光与光电子学进展，2019.

[3] 王斌，王晓莉，候越云，等.紫外氟化钙晶体的生长技术［J］.人工晶体学报，2025.

[4] 董永军，周国清，杨卫桥，等. 氟化钙（CaF?）晶体研发进展［J］. 激光与光电子学进展，2003.

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