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表面粗糙度优于0.1nm的高损伤阈值超光滑光学元件抛光技术

作者:兰光光学浏览次数: 日期:2016年9月2日 22:54

  摘要:兰光光学研制的超光滑光学元面形精度PV达到1/20λ@632.8nm,原子力显微镜检测表面粗糙度Rq达到0.0968nm,优异的超光滑表面;光洁度达到0级,平行度达到的5”,可应用于软X射线光学系统、高能激光系统或高精度陀螺、功能光电器件和信息及微电子等领域。

随着现代光学技术的发展,光学系统对光学元件的面形精度、表面粗糙度、激光损伤阈值等技术要求日益提高,而传统的古典抛光方法已不能满足需求。古典抛光使用结构简单的摆动式抛光机、沥青抛光模和常用的抛光液加工的光学元件的面形精度可以做到很高,但其比较依赖于操作者的经验,表面粗糙度可达到1nm,与表面粗糙度优于0.1nm还有很大的差距,同时通过古典抛光加工的光学元件表面存在抛光水解层,抛光水解层含有抛光过程嵌入的纳米颗粒、残留应力和可塑性划痕等缺陷,还覆盖了光学元件在研磨、抛光等过程产生的表面/亚表面裂纹,这些缺陷的存在降低了激光损伤阈值和使用寿命。目前新型的超光滑表面抛光技术有多种,如基于古典抛光技术创新,改进抛光模层材料、抛光粉以及抛光液供给方式的抛光技术,如浴法抛光、浮法抛光、水合抛光,另外还有采用非接触抛光原理的抛光技术,如离子束抛光、射流抛光和激光抛光等,还有采用磁场效应辅助抛光技术,如磁流变抛光、磁流体抛光等。通过新型超光滑抛光技术能得到的光学元件具有很高的面形精度、极低的亚表面损伤和很好的表面粗糙度,但存在制造设备昂贵、成本高、操作要求高、效率低等问题。

针对目前超光滑表面加工技术存在的缺陷,我公司成立了超光滑光学元件工艺研究室,专门对表面粗糙度优于0.1nm的高损伤阈值超光滑光学元件的研发与制作进行立项研究,在已有研究的基础上,结合我公司研发团队多年的科技研发成果基础进行研发创新的项目。

技术改进:

1、优化粗磨→精磨→HF酸刻蚀→粗抛→HF酸刻蚀→精抛→HF酸刻蚀→弹性发射抛光的工艺流程,通过精确控制各工艺参数降低光学元件亚表面裂纹深度;

2、设计制作一种适用于超光滑抛光的叠层抛光模,降低光学元件抛光产生的表面/亚表面裂纹深度,降低表面粗糙度,提高面形精度;

3、设计制作一种用于光学元件研磨抛光的工装,该工装采用无粘结上盘的夹持方式,卸盘后光学元件无面形变化,可节省加工时间和保证工件的平行度和光洁度;

4、设计制作一种用于抛光磨料研磨活化的装置,使抛光磨料粒度更小、分布更加均匀,并使抛光磨料在进入抛光前就得到活化,解决现有抛光磨料粒度分布不均、易发生团聚结块的问题,降低光学元件表面/亚表面裂纹深度,降低光学元件表面粗糙度,得到超光滑表面;

5、设计制作一种弹性发射抛光设备,对光学元件表面进行原子级尺寸去除抛光,实现表面粗糙度优于0.1nm的高损伤阈值超光滑光学元件制作。

关键技术:

(1)优化粗磨→精磨→HF酸刻蚀→粗抛→HF酸刻蚀→精抛→HF酸刻蚀→弹性发射抛光的工艺流程,通过精确控制各工艺参数降低光学元件亚表面裂纹深度

优化传统的超光滑抛光采用的粗磨→精磨→粗抛→精抛工艺流程,通过控制主轴转速、摆轴转速、压力、研磨或抛光液浓度、加工时间等工艺参数精确控制去除量、面形精度,以降低光学元件亚表面裂纹深度,并且在精磨、粗抛和精抛工序之后增加了HF酸刻蚀工序,能进一步有效去除、钝化光学元件表面/表面裂纹或抛光水解层,该部分去除、钝化光学元件表面/表面裂纹或抛光水解层的工艺已申请实用新型专利:一种超微亚表面缺陷光学元件及其制造方法,超微亚表面缺陷光学元件技术指标达到:表面粗糙度优于0.3nm的、超微亚表面损伤、面形精度优于0.1λ。在超微亚表面缺陷光学元件基础上,增加了弹性发射抛光工序,实现超光滑表面原子级尺寸去除,得到表面粗糙度优于0.1nm的、超微亚表面损伤的、面形精度优于0.1λ的超光滑表面。

 

一种超微亚表面缺陷光学元件的制造方法的流程图

 

(2)设计制作一种结构为抛光模基板-82#抛光沥青-64#抛光沥青的叠层抛光模,解决光学元件精抛过程面形精度、表面/亚表面裂纹和表面粗糙度不能同时兼顾的问题

叠层抛光模结构示意图

1-64#抛光沥青层,2-82#抛光沥青层,3-抛光模基板

抛光模硬度大,抛光面形精度高,但表面/亚表面裂纹和表面粗糙度差,而抛光模太软又容易使抛光面形精度降低,设计制作一种结构为抛光模基板-82#抛光沥青-64#抛光沥青的叠层抛光模,一层薄的软的64#抛光沥青覆盖在厚的硬的82#抛光沥青上,而82#抛光沥青又覆盖在机械强度大密度小的铝合金材质的抛光模基板上,可同时保证光学元件的面形精度、表面/亚表面裂纹和表面粗糙度指标的达到最优化。

(3)设计制作一种用于光学元件研磨抛光的工装,该工装采用无粘结上盘的夹持方式,卸盘后光学元件无面形变化,可节省加工时间和保证工件的平行度和光洁度

现有的研磨抛光机可采用工件盘在上,研磨抛光盘在下或者工件盘在下,研磨抛光盘在上两种工位,操作者在研磨抛光过程中,需要根据工件的状况改变工位,但现有工装在改变工位时需要更换接头,增加了加工时间,另外更换接头还增加了工件受到磕碰损坏的几率。另外,现有光学元件研磨抛光工件上盘采用黄蜡或者火漆粘结上盘的方式,在卸盘后工件会发生面形改变,降低了光学元件的面形精度。

对于上述技术缺陷,本项目提出一种用于光学元件研磨抛光的工装,已申请实用新型专利:用于光学元件研磨抛光的工装,该工装包括:两用接头、基板、垫板、挡板、侧面垫片;其中,所述两用接头中心设有螺纹盲孔,螺纹盲孔底部中心设有半球形凹孔;所述两用接头外侧设有沉头孔,用于连接所述基板,使所述两用接头固定在所述基板中心;所述基板边缘设有缺口,所述基板边缘设有螺纹孔,用于连接所述挡板;所述垫板通过环氧树脂粘结在所述基板上;所述挡板中部设有螺纹孔,带有蝶形螺丝;所述侧面垫片为方形橡胶片。

一种用于光学元件研磨抛光的工装的优点是:其采用两用接头的结构克服了改变工位时需要更换接头的困难,同时实现可在盘上测量去除量和平行度,节省了加工时间,减少了光学元件受到磕碰损坏的几率;另外,其采用夹持的方式固定光学元件,无胶结上盘,避免了胶结上盘的应力影响,下盘后光学元件的面形无变化,提高了光学元件研磨抛光的精度。

 

用于光学元件研磨抛光的工装的剖面结构示意图

用于光学元件研磨抛光的工装的俯视图

 

图中标记说明:1-两用接头,2-基板,3-垫板,4-挡板,5-侧面垫片,101-螺纹盲孔,102-半球形凹孔,103-沉头孔,201-缺口,202-基板螺纹孔,401-挡板螺纹孔,402-蝶形螺丝。

(4)设计制作一种用于抛光磨料研磨活化的装置,使抛光磨料细化、匀化和活化,降低光学元件表面/亚表面裂纹深度,降低光学元件表面粗糙度

设计制作一种用于抛光磨料研磨活化的装置,使抛光磨料粒度更小、分布更加均匀,并使抛光磨料在进入抛光前就得到活化,解决现有抛光磨料粒度分布不均、易发生团聚结块的问题;

一种用于抛光磨料研磨活化的装置示意图

图中标记说明:1-储液罐,101-搅拌器,2-输液管,3-上盘,301-进液孔,4-下盘,5-驱动电机,6-集液槽,7-出液管,8-机台,9-三级过滤池,901-一级过滤网,902-二级过滤网,10-输送管,11-隔离罩。

一种用于抛光磨料研磨活化的装置的工作过程:将纯水和抛光粉按一定比例一起加入储液罐中,储液罐中设置有搅拌器可将纯水和抛光粉充分混合和防止沉淀,抛光液通过输液管输送到抛光磨料研磨装置的上盘的进液孔上,抛光液通过进液孔到达上盘与下盘的研磨区,驱动电机驱动上盘转动,对抛光磨料进行精密研磨,研磨后的抛光磨料流到集液槽,经过出液管输送到三级过滤池中,再经过一级过滤网、二级过滤网,得到研磨过的细化、匀化和活化的抛光液,经过输送管输送到抛光设备使用,抛光磨料研磨活化的装置被隔离罩隔离在百级洁净恒温恒湿环境中。经过研磨活化后的抛光磨料用于精抛和弹性发射抛光阶段。

(5)设计制作一种弹性发射抛光设备,对光学元件表面进行原子级尺寸去除抛光,实现表面粗糙度优于0.1nm的高损伤阈值超光滑光学元件制作

设计制作一种弹性发射抛光设备,实现原子级尺寸加工,加工原理是:微细磨料粒子在流动液体的带动下撞击工件,与工件表面原子在狭小的空间内接触并产生一种原子结合力,当工件表面原子核次表面原子的结合力小于接触面原子的间的结合力时,目标原子才能被去除,其加工面积深度近似原子尺寸,可以得到完美几何表面,表面无损伤、无残留应力,超光滑表面粗糙度的均方根优于0.1nm。

 

弹性发射抛光的实现方式如图所示,将工件和聚氨酯轮浸泡在抛光液中,通过调节聚氨酯轮调节架,调节聚氨酯轮与工件间隙至合适,聚氨酯轮自转,聚氨酯轮与工件之间的间隙形成流体动压润滑现象,从而带动抛光磨料微粒撞击工件表面;聚氨酯抛光轮的长度超过工件口径的一半,工件自转,使弹性发射抛光工件表面更加均匀,效率更高。

一种弹性发射抛光设备结构示意图

图中标记说明:1-聚氨酯轮,2-工装,3-工件,4-从动轮,5-主动轮,6-皮带,7-电机,8-主轴,9-集液槽,10-输送管,11-放液阀门,12-排液管,13-机台,14-抛光液液面,15-调节架,16抛光液槽。

2、技术创新性及主要技术指标

(1)发明一种超微损伤光学元件制造方法,并在此基础上进行超光滑光学元件加工,通过对粗磨、精磨、粗抛和精抛等前工序的工艺参数精确控制去除量、面形精度,以降低光学元件亚表面裂纹深度,并且在精磨、粗抛和精抛工序之后增加了HF酸刻蚀工序,进一步去除、钝化光学元件表面/表面裂纹或抛光水解层,在此基础上增加了弹性发射抛光工序,实现超光滑表面原子级尺寸加工。

(2)设计制作一种结构为抛光模基板-82#抛光沥青-64#抛光沥青的叠层抛光模,解决光学元件精抛过程面形精度、表面/亚表面裂纹和表面粗糙度不能同时兼顾的问题

(3)发明一种用于光学元件研磨抛光的工装,该工装采用无粘结上盘的夹持方式,卸盘后光学元件无面形变化;采用两用接头结构,可节省改变加工工位时更换接头的时间;工装的基板预留空间可在盘测量工件的厚度和边厚差,保证工件的平行度和光洁度。

(4)设计制作一种用于抛光磨料研磨活化的装置,对现有抛光磨料进行研磨,使抛光磨料粒度更小、分布更加均匀,并使抛光磨料在进入抛光前就得到活化,解决现有抛光磨料粒度分布不均、易发生团聚结块的问题,降低光学元件表面/亚表面裂纹深度,降低光学元件表面粗糙度,提升超光滑表面加工效率。

(5)设计制作一种弹性发射抛光设备,采用长型聚氨酯轮自转和工件自转的方式,对光学元件表面进行原子级尺寸去除抛光,实现表面粗糙度优于0.1nm的高损伤阈值超光滑光学元件制作

(6)产品样片规格为φ25×6mm,材料为JGS1熔石英,面形精度PV优于0.1λ@632.8nm,表面无划痕、麻点,表面粗糙度优于0.1nm RMS,平行度优于5”。

(7)产品在氢氟酸清洗5分钟,表面无划痕麻点,满足高激光损伤阈值光学元件使用要求。

 

总体技术路线

研制结果:

原子力显微镜检测表面粗糙度Rq:0.0968nm

干涉仪检测面形PV:0.052λ

     检测结果显示:超光滑光学元件面形精度PV达到1/20λ@632.8nm,原子力显微镜检测超光滑表面粗糙度Rq达到0.0968nm;光洁度达到0级,平行度达到的5”,可应用于软X射线光学系统、高能激光系统或高精度陀螺功能光电器件和信息及微电子等领域。

所属类别: 行业资讯

该资讯的关键词为:表面粗糙度优于0.1nm  超光滑  高损伤阈值  抛光磨料活化  弹性发射抛光  超光滑表面