化學(xué)刻蝕的光學(xué)元件面形修復(fù)_圖文

1、第卷第期年月光學(xué)精密工程文章編號(hào)（）一一化學(xué)刻蝕的光學(xué)元件面形修復(fù)項(xiàng)震，侯晶，聶傳繼，許喬，張清華，王健，李瑞潔（浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州；成都精密光學(xué)工程研究中心，四川成都）摘要：采用化學(xué)加工方法對(duì)光學(xué)元器件進(jìn)行面形加工，可以避免傳統(tǒng)的拋光工藝帶來(lái)的亞表面缺陷和表面污染。實(shí)驗(yàn)中利用界面效應(yīng)有效控制化學(xué)液的駐留時(shí)間和駐留面積，并通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)編程控制加工，進(jìn)行了面形修復(fù)實(shí)驗(yàn)，利用輪廓儀測(cè)量了加工前后的表面粗糙度。結(jié)果表明，采用拼接小去除量多次加工的方法，有效地降低了面形誤差，面形值由（一）減少到，粗糙度基本維持不變。利用此實(shí)驗(yàn)裝置使基片面形得到修復(fù)，避免了傳統(tǒng)加工方式帶來(lái)

2、的亞表面缺陷等問(wèn)題，有利于強(qiáng)激光系統(tǒng)的使用。關(guān)鍵詞：光學(xué)元器件；化學(xué)刻蝕；面形修復(fù)；界面效應(yīng)；粗糙度中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：，”，（乜拋口刪。廠塒切工，甜已咒尬孢，矗巧咒碗伽打，咒矗“，（流九；咒“咒夕咒咒咒口矗以，矗，“，們盤）：，入（入一）入，：；收稿日期：；修訂日期：一基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目；“基金”（）萬(wàn)方數(shù)據(jù)光學(xué)精密工程第卷引言目前，光學(xué)元件的面形加工技術(shù)主要有：傳統(tǒng)光學(xué)元件加工技術(shù)，旋轉(zhuǎn)拋光盤的小工具數(shù)控拋光技術(shù)，利用磁場(chǎng)來(lái)改變散粒磨料粘度的磁流變拋光技術(shù)（，）和離子束拋光技術(shù)（）。影響高精度光學(xué)元件加工的復(fù)雜因素較多，如何提高光學(xué)制造技術(shù)的可控性，降低制造成本成為國(guó)際

3、先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)發(fā)展的核心。上述拋光技術(shù)在實(shí)用化中存在著一些原理上的限制，例如，這些拋光技術(shù)均依賴于需校準(zhǔn)材料的去除率，其加工過(guò)程必然是一迭代過(guò)程（將工件取下測(cè)量，再加工，直到達(dá)到要求的精度），批量化成本較高；散粒磨料小工具拋光技術(shù)在加工過(guò)程中由于存在局部的機(jī)械應(yīng)力，因而無(wú)法加工超薄的元件，而且容易形成無(wú)法去除的亞表面缺陷以及表面的污染層；離子束拋光需要配備大型的真空罩，設(shè)備成本很高。利用化學(xué)方法對(duì)光學(xué)元件的面形加工是光學(xué)加工技術(shù)的新嘗試。本方法主要是借助于“干燥”的基本思想，采用可揮發(fā)的乙醇類蒸汽噴射光學(xué)表面，由于乙醇揮發(fā)形成的溫度梯度（即表面張力梯度）迅速使液膜表面產(chǎn)生收縮，從而達(dá)到干燥表

4、面的目的。目前，這種干燥技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)中。美國(guó)也開展了基于效應(yīng)的衍射光學(xué)元件刻蝕加工技術(shù)研究，主要是利用乙醇揮發(fā)形成的表面張力梯度來(lái)控制腐蝕液在熔石英表面的刻蝕區(qū)域和刻蝕速度。本文利用并借鑒小工具數(shù)控拋光的基本工藝思想，提出了采用化學(xué)刻蝕“磨頭”對(duì)元件進(jìn)行加工，目前取得了一定的進(jìn)展。光學(xué)元件的化學(xué)加工原理利用酸性刻蝕液體（氫氟酸、氟化氨和水的混合溶液）對(duì)光學(xué)材料溶鰓，可以去除元件表面“多余”的材料，在去除過(guò)程中可運(yùn)用界面效應(yīng)來(lái)控制刻蝕液的形狀、大小和刻蝕液體的移動(dòng)，定量控制去除量的大小。界面效應(yīng)的基本思想是采用有機(jī)溶劑蒸汽噴射光學(xué)表面，由于表面張力梯度的存在（即萬(wàn) 方數(shù)據(jù)表面張力

5、梯度），致使液膜表面產(chǎn)生收縮，從而實(shí)現(xiàn)非加工區(qū)域的“干燥”，保證了刻蝕時(shí)不留有殘液等。此效應(yīng)為化學(xué)刻蝕加工順利進(jìn)行提供了科學(xué)依據(jù)，圖為效應(yīng)的原理示意圖，被溶解的光學(xué)材料隨著刻蝕液的回流被帶走。圖界面效應(yīng)圖。數(shù)控化學(xué)刻蝕方法是基于界面效應(yīng)，通過(guò)特定的有機(jī)溶劑使得刻蝕液的表面張力形成梯度變化，達(dá)到控制刻蝕液在光學(xué)元件表面駐留面積和駐留時(shí)間的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)基片表面的定量拋光（刻蝕）。實(shí)驗(yàn)裝置為控制刻蝕液在光學(xué)元件表面駐留面積和駐留時(shí)間，本文依據(jù)效應(yīng)設(shè)計(jì)制作了實(shí)驗(yàn)裝置，包括：基片支架、刻蝕頭、移動(dòng)平臺(tái)、刻蝕液供給系統(tǒng)和主機(jī)控制系統(tǒng)等幾個(gè)部分。其工作原理是：（）根據(jù)干涉儀的檢測(cè)結(jié)果，獲得基片的初始面形數(shù)據(jù)

6、；（）將基片定位于基片支架上，酸刻蝕液通過(guò)泵泵入刻蝕頭，經(jīng)由噴嘴與基片下表面相接觸進(jìn)行化學(xué)腐蝕；（）刻蝕液噴嘴周圍充滿了易揮發(fā)的有機(jī)溶液，保證了效應(yīng)的產(chǎn)生，達(dá)到了約束刻蝕的目的；（）通過(guò)計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)的三維移動(dòng)，對(duì)刻蝕的路徑進(jìn)行設(shè)定，并根據(jù)基片面形數(shù)據(jù)計(jì)算各位置的去除量，再綜合刻蝕液（氫氟酸、氟化氨和水的混合溶液）濃度、工作時(shí)的環(huán)境溫度參數(shù)，編程設(shè)定平臺(tái)不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)速度，完成整個(gè)表面的刻蝕加工。通過(guò)對(duì)數(shù)控拋光機(jī)床和刻蝕頭裝置的整合（如圖），保證刻蝕頭在移動(dòng)精度、基片裝第期項(xiàng)震，等：化學(xué)刻蝕的光學(xué)元件面形修復(fù)夾和編程能力上滿足實(shí)驗(yàn)要求。圖實(shí)驗(yàn)裝置圖實(shí)驗(yàn)情況刻蝕函數(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中利用的刻蝕溶液是氫氟

7、酸、氟化氨和水的混合溶液，工作溫度在時(shí)課題組作了刻蝕函數(shù)曲線來(lái)指導(dǎo)面形的加工實(shí)驗(yàn)，并提供數(shù)據(jù)支持。通過(guò)變換刻蝕裝置的移動(dòng)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)不同深度的刻蝕控制，圖是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，刻蝕深度分別是、和。圖加工函數(shù)曲線！面形修復(fù)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的目的是利用實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)光學(xué)元件面形進(jìn)行化學(xué)刻蝕加工，使原始面形得到改善。實(shí)驗(yàn)采用直徑的熔石英基片作為加工對(duì)象，刻蝕溶液采用的氫氟酸、的氟化氨和水溶液，在下進(jìn)行加工?；某跏挤瓷涿嫘握`差（值）為，入（入一），如圖，屬于中間高邊緣低的表面情況。運(yùn)用控制程序讀入干涉儀軟件得到的面形數(shù)據(jù)，計(jì)算去除萬(wàn)方數(shù)據(jù)量，并根據(jù)去除量、刻蝕液濃度及溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定平臺(tái)移動(dòng)速度，完成機(jī)床的移動(dòng)軌

8、跡和速度的編程。試驗(yàn)后的面形誤差值為入，如圖所示，值減少了半個(gè)波長(zhǎng)左右，去除深度和試驗(yàn)前的計(jì)算基本吻合，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求。，：，一九天九九圖實(shí)驗(yàn)前基片面型圖尺九九九丸圖實(shí)驗(yàn)后的基片面型圖表面缺陷分析與實(shí)驗(yàn)方法的改善直徑的熔石英基片加工完成后，其面形值降低了半個(gè)波長(zhǎng)，提高了面形精度，但也帶來(lái)了一些問(wèn)題。由于加工時(shí)，刻蝕的邊緣液體厚度較薄、揮發(fā)較快，相對(duì)中間部分其刻蝕時(shí)間相對(duì)較短，從刻蝕液的中間部分到邊緣刻蝕深度呈漸變過(guò)渡，從而在元件表面出現(xiàn)刻蝕痕跡，其深度由各個(gè)位置的刻蝕速率決定。在激光的運(yùn)用中這些痕跡對(duì)光學(xué)元件將會(huì)產(chǎn)生調(diào)制現(xiàn)象口并降低元件的損傷閾值，因此必須避免由于特定的加工軌跡所帶來(lái)的痕跡。通

9、過(guò)對(duì)刻蝕加工痕跡寬度的控制，采用多路徑拼接的方式對(duì)元件進(jìn)行多次、小去除量加工的方法可以有效地避免、減輕痕跡的產(chǎn)生。由于機(jī)床的移動(dòng)精度較高，在加工程序中可以設(shè)定刻 蝕頭的移動(dòng)，使得前次加工的路徑邊緣與這次加光學(xué)精密工程第卷工的路徑邊緣剛好重合或在允許的范圍內(nèi)，采用刻蝕頭的快速運(yùn)動(dòng)（即采用較小的刻蝕去除量）和多次不同路線的組合，來(lái)有效地抑制加工痕跡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖、。圖實(shí)驗(yàn)前基片的面形圖幺，、冬八義、妯、爿入吖、×、廠羅圖刻蝕頭加工路徑圖一鼉謄驗(yàn)后的面影圖圖中采用直徑的熔石英基片，加工的初始面形為入，加工后的面形為入，面形得到了改善，并且基片上刻蝕頭的痕跡也得到了明顯改善。粗糙度對(duì)比情況利

10、用效應(yīng)的化學(xué)刻蝕方法能夠?qū)崿F(xiàn)基片可控的定量去除，面形也得到了一定程度的改善，而對(duì)刻蝕前后的表面粗糙度變化所進(jìn)萬(wàn)方數(shù)據(jù)行的定量研究，能夠?qū)涛g加工所帶來(lái)的局部面形起伏影響進(jìn)行評(píng)估口。圖是運(yùn)用（）輪廓儀對(duì)熔石英基片在刻蝕前后粗糙度的檢測(cè)，結(jié)果表明粗糙度變化較小。由檢測(cè)結(jié)果可知刻蝕前的粗糙度值（）是，刻蝕后的粗糙度值（）是，這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明對(duì)熔石英基片在一定范圍下的數(shù)控刻蝕，粗糙度變化較小，基本維持在刻蝕前的數(shù)值上。（）刻蝕前（）（）刻蝕后（）圖刻蝕前后粗糙度值結(jié)論。基于界面效應(yīng)的化學(xué)刻蝕，可控）的移動(dòng)速度、刻蝕區(qū)域的控）減少到入。利用輪廓儀性較強(qiáng)，可對(duì)不同加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，例如對(duì)刻蝕頭（制、刻蝕液的溶

11、度等等，在程序設(shè)計(jì)中容易實(shí)現(xiàn)，修改參數(shù)也較方便。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)編程控制加工，進(jìn)行了面形修復(fù)實(shí)驗(yàn)，面形值由入（入一測(cè)量了加工前后的表面粗糙度，粗糙度基本維持 不變。此外，刻蝕加工方法是一種純化學(xué)的刻蝕第期項(xiàng)震，等：化學(xué)刻蝕的光學(xué)元件面形修復(fù)機(jī)制，基片“污染”較少，可以有效地避免傳統(tǒng)加工地抑制。針對(duì)目前較為困難的薄基片和中等口徑中引進(jìn)的拋光原料的雜質(zhì)和加工過(guò)程中產(chǎn)生的亞的高精度、無(wú)污染的面形修補(bǔ)，化學(xué)蝕刻工藝有很表面缺陷，有利于提高光學(xué)元件在強(qiáng)激光中的元好的應(yīng)用前景和研究?jī)r(jià)值。件閾值，對(duì)基片加工后的表面應(yīng)力變形也能很好參考文獻(xiàn)：王健，陳賢華，李潔，等數(shù)控拋光加工應(yīng)用于波前校正光學(xué)精密工程，

12、（）：，“（功規(guī)船，（）：（），。，以“，：任寰，卓志云，蔣曉東，等波前功率譜密度函數(shù)評(píng)價(jià)方法探討強(qiáng)激光與粒子束，（）：，（），例押如“，（）：郭培基一種大數(shù)值子孔徑小非球面檢測(cè)用補(bǔ)償器設(shè)計(jì)光學(xué)精密工程，（）：（）“，咒，（）：（）陳世哲，胡濤，劉國(guó)棟，等基于光柵的快速精確圖像拼接光學(xué)精密工程，（）：，。，已口挖，（）：（）馬冬梅，孫軍月，張波，等高精度大口徑平面鏡面形角差法測(cè)試探究光學(xué)精密工程，（增）：，“，挖。，（）：。（）高春甫，鄔敏粗糙表面精度測(cè)量系統(tǒng)的研究光學(xué)精密工程，（）：，竹，（）：（）作者簡(jiǎn)介：項(xiàng)震（），男，浙江大學(xué)副教授，浙江大學(xué)光電子研究所副所長(zhǎng)。主要研究方向?yàn)楣鈱W(xué)檢測(cè)、激

13、光技術(shù)等。侯晶（一），男，黑龍江哈爾濱人，主要從事先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)的研究。：萬(wàn)方數(shù)據(jù)化學(xué)刻蝕的光學(xué)元件面形修復(fù) 作者： 作者單位： 項(xiàng)震， 侯晶， 聶傳繼， 許喬， 張清華， 王健， 李瑞潔， XIANG Zhen， HOU Jing， NIE Chuan-ji， XU Qiao， ZHANG Qing-hua， WANG Jian， LI Rui-jie 項(xiàng)震,聶傳繼,XIANG Zhen,NIE Chuan-ji(浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州 ,310027， 侯晶,HOU Jing(浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州,310027;成都 精密光學(xué)工程研究中心,四

14、川,成都,610041， 許喬,張清華,王健,李瑞潔,XU Qiao,ZHANG Qing-hua,WANG Jian,LI Rui-jie(成都精密光學(xué)工程研究中心,四川,成都,610041 光學(xué)精密工程 OPTICS AND PRECISION ENGINEERING 2007，15(7 1次 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 引用次數(shù)： 參考文獻(xiàn)(7條 1.王健.陳賢華.李潔 數(shù)控拋光加工應(yīng)用于波前校正期刊論文-光學(xué)精密工程 2003(01 2.SCRIVEN L E.LEENAARS H.LYNN N The Marangoni effects 1960 3.任寰.卓志云.蔣曉東 波前功率譜密度函數(shù)評(píng)價(jià)方法探討期刊論文-強(qiáng)激光與粒子束 2002(02 4.郭培基 一種大數(shù)值子孔徑小非球面檢測(cè)用補(bǔ)償器設(shè)計(jì)期刊論文-光學(xué)精密工程 2002(05 5.陳世哲.胡濤.劉