CN102009051A - 溶胶-凝胶膜面激光清洗设备及其清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种溶胶-凝胶膜面激光清洗设备及其清洗方法，属于光学材料和激光技术领域。该清洗设备包括脉冲激光器、劈板、透镜、二维移动平台、准直激光器、能量计、步进电机和计算机；样品置于分辨率为微米级的二维移动平台上，计算机通过电缆分别与脉冲激光器和步进电机连接，并且计算机控制脉冲激光器和步进电机，步进电机控制二维移动平台；脉冲激光器发出的脉冲激光经劈板后分成两束：探针光和主激光，探针光进入能量计，主激光经过透镜聚焦达到二维移动平台；准直激光器产生的准直光到达劈板后与主激光重合，通过准直光来断定主激光的位置。本发明具有清洗效率高、不留死角、不破坏膜面、不带来二次污染、可延长镀膜元件使用寿命等优点。

Description

溶胶-凝胶膜面激光清洗设备及其清洗方法

技术领域

本发明涉及一种激光清洗设备及其清洗方法，属于光学材料与激光技术领域，特别涉及一种溶胶-凝胶膜面激光清洗设备及其清洗方法。

背景技术

在大型高功率激光系统中，石英材料(主要成分：SiO₂)被广泛应用于透镜、窗口和屏蔽片等，在强激光的运行过程中，某一部分元件损伤导致的石英颗粒的飞溅容易玷污其它未损伤元件。溶胶-凝胶化学膜(如SiO₂单层增透膜等)由于其低廉的成本、优良的抗激光损伤性能、简单的镀膜工艺、适宜于大口径元件的镀制，因而被广泛应用于强激光系统。但是化学膜具有疏松多孔的结构，纳米级的孔隙布满了丰富的悬挂键，大大提高了膜面的附着力，同时也为各类污染物提供了良好的“藏污纳垢”之所。因此，膜面石英粉尘颗粒的污染将在所难免，这些颗粒的存在一方面由于散射、反射等效应造成后续光路光束质量下降；另一方面，导致元件低阈值损伤。

传统的清洗技术包括机械清洗、化学湿法清洗、超声波清洗等等，它们对微米、亚微米级的污染物的清洗往往无能为力。另外，机械擦试的方法容易造成膜面的刮伤；有机喷、淋、浸泡等容易造成膜面的剥落或带来二次污染，还容易对操作人员的身体带来伤害；超声波清洗将会给薄膜和元件都带来潜在的损伤。对溶胶-凝胶膜的清洗要求在移除污染物的同时，既不损伤脆弱的膜面，又不能带来二次污染。因此任何接触式的方法都会带来潜在的问题，但是激光清洗可以做到这一点。传统的激光清洗技术是指将激光光束集中辐照到清洗物表面已达到清洗的目的，其清洗机理存在于以下3方面：(1)激光脉冲振动：利用较高频率的脉冲激光辐照被清洗物表面，光束转变为声波并从下层硬表面返回，与入射波发生干涉，从而产生共振使污垢层或凝结物振动碎裂；(2)热膨胀效应：利用基底与表面污染物对某一波长激光能量吸收系数的差别，使基底物质或表面污物吸收能量而热膨胀，克服基底对污染物的吸附力而脱落；(3)分子的光分解或相变：在瞬间使污垢分子或使人为涂上的辅助液膜汽化、分解、蒸发或爆沸，使表面污垢松散并随以上效应脱离基底表面。激光清洗技术由于不污染环境、清洗效果好、效率高等优点，已被广泛应用于电子线路、半导体元件、文物保护、除锈脱漆等领域。

发明内容

本发明的目的是提出一种非接触的、且不带来样品损伤和二次污染的方法来清洗极其脆弱且极易被污染的溶胶-凝胶膜面的设备及其清洗方法。通过进一步提高脉冲激光的能量，诱导空气介质光学击穿，产生一个近球状的等离子体冲击波，利用其冲击波力将高功率溶胶-凝胶薄膜表面颗粒污染物清除。

本发明采用的技术方案：

一种溶胶-凝胶膜面激光清洗设备，包括脉冲激光器、劈板、透镜、二维移动平台、准直激光器、能量计、步进电机和计算机；其特征在于：样品置于二维移动平台上，计算机通过电缆分别与脉冲激光器和步进电机连接，并且计算机控制脉冲激光器和步进电机，步进电机控制二维移动平台；脉冲激光器发出的脉冲激光经劈板后分成两束，一束进入能量计，用于监测清洗光源的能量，另一束经过透镜聚焦达到二维移动平台作为清洗光源；准直激光器产生的准直光到达劈板后与主激光的光路重合，在清洗过程中通过准直光来断定主激光的位置；二维移动平台的分辨率为微米级，以保证扫描过程中相邻等离子体冲击波与膜平面截面积的重叠率达50％以上；单个冲击波与膜平面的截面积等效于脉冲激光器触发单发脉冲致膜面清洗的面积。

优选地，所述的脉冲激光器为Nd:YAG激光器，XeF准分子激光器，且清洗光源聚焦焦点处的能量足够击穿空气。

优选地，所述的准直激光器是He-Ne激光器或半导体激光器。

优选地，所述的溶胶-凝胶膜面为溶胶-凝胶SiO₂单层增透膜、溶胶-凝胶SiO₂/ZrO₂交替镀制的多层高反膜、溶胶-凝胶SiO₂/HfO₂交替镀制的多层高反膜。

优选地，样品垂直放置，脉冲激光传播方向与样品膜面平行。

一种溶胶-凝胶膜面激光清洗方法，将聚焦后的高能脉冲激光引到薄膜表面，采用光栅式扫描的工艺，要求相邻等离子体重叠面积50％以上，利用电离空气带来的冲击波来全方位移除与膜面附着力较大的颗粒污染；其特征在于：采用脉冲激光器、劈板、透镜、二维移动平台、准直激光器、能量计、步进电机和计算机所构成的设备，样品置于分辨率为微米级的二维移动平台上，计算机通过电缆与脉冲激光器和步进电机连接，并且计算机控制脉冲激光器和步进电机，步进电机控制二维移动平台；脉冲激光器激发的高能脉冲激光经劈板后分成两束，一束进入能量计，用来监测清洗激光能量，另一束经过透镜聚焦达到二维移动平台作为清洗光源，准直激光器产生的准直光到达劈板后与主激光的光路重合，在清洗过程中通过准直光来断定主激光的位置。

优选地，所清洗的污染物是溶胶-凝胶薄膜表面微米级或者亚微米级的SiO₂粉尘颗粒。

优选地，将样品垂直夹持在二维移动平台上；脉冲激光传播方向与样品膜面平行，且瞄准距离0.5～1.5mm；光栅式扫描指的是等离子体冲击波在薄膜表面作自上而下折线式来回扫描，要求相邻等离子体重叠面积50％以上。

优选地，所述的脉冲激光器为Nd:YAG激光器或XeF准分子激光器，准直激光器是He-Ne激光器或半导体激光器。

优选地，所述的溶胶-凝胶膜面为溶胶-凝胶SiO₂单层增透膜、溶胶-凝胶SiO₂/ZrO₂交替镀制的多层高反膜、溶胶-凝胶SiO₂/HfO₂交替镀制的多层高反膜。

本发明的有益效果：

本发明提供的化学膜等离子体冲击波激光清洗的方法，工艺可控性强，可重复性强且性能很稳定。只要脉冲激光将空气电离，一般都有清洗效果，且一般脉冲激光能量越高，清洗效果越明显。

附图说明

图1脉冲激光清洗装置示意图；

图2激光等离子体冲击波清洗颗粒污染物示意图；

图3冲击波光栅式扫描斜侧视示意图；

图中：1、脉冲激光器；2、劈板；3、透镜；4、二维移动平台；5、准直激光器；6、能量计；7、步进电机；8、计算机；9、脉冲激光束；10、激光诱导的冲击波；11、瞄准距；12、颗粒污染物；13、溶胶-凝胶薄膜；14、基底；15、冲击波的光栅式扫描。

具体实施方式

如图1所示，溶胶-凝胶膜面激光清洗设备包括脉冲激光器1、劈板2、透镜3、二维移动平台4、准直激光器5、能量计6、步进电机7和计算机8；样品置于二维移动平台4上，计算机8通过电缆分别与脉冲激光器1和步进电机7连接，并且计算机控制脉冲激光器1和步进电机7，步进电机7控制二维移动平台4；脉冲激光器1激发的高能脉冲激光聚焦后足以诱导空气光学击穿，脉冲激光器可以是Nd:YAG(掺钕的钇铝石榴石)激光器，XeF(氟化氙)准分子激光器等，它通过电缆由计算机8控制；脉冲激光器1发出的脉冲激光经劈板2后分成两束，一束进入能量计6，称为探针光；另一束经过透镜3聚焦达到二维移动平台4，称为主激光(即清洗光源)；另一路光是由准直激光器5激发的连续激光，叫做准直光，准直光到达劈板后与主激光的光路重合，在清洗过程中可以通过准直光来断定主激光的位置；综上，脉冲主激光光路：脉冲激光器1→劈板2→透镜3→二维移动平台4，脉冲探针光光路：脉冲激光器1→劈板2→能量计6，准直激光光路：准直激光器5→劈板2→透镜3→二维移动平台4；劈板2的作用是将脉冲激光器1发出的光分束，以利于实验监测；透镜3的作用是聚焦主激光，以使得焦点处的能量足够大可以击穿空气；二维移动平台4用于放置样品，要求其分辨率为微米级，它通过电缆由步进电机7控制，步进电机7由计算机8精密程控；准直激光器5的作用是准直光路，可以是He-Ne(氦-氖)激光器或半导体激光器；能量计6用以监测探针光的能量，光路确定以后，探针光的能量与主激光的能量成正比(比值叫分光比)，分光比在实验前通过移动能量计6到透镜3的位置测定两处的能量比值来确定，所以能量计6的作用是通过监测探针光的能量来监测主激光的能量。

如图2所示，逐渐会聚的脉冲激光束9平行于膜平面；激光诱导的冲击波10由电离空气产生；瞄准距11是指脉冲激光束到膜面的距离，其值为0.5～1.5mm，小于0.3mm会诱导膜面损伤，瞄准距过大清洗效果不明显；颗粒污染物12为微米级或者亚微米级的SiO₂粉尘颗粒；溶胶-凝胶薄膜13为溶胶-凝胶SiO₂单层增透膜、溶胶-凝胶SiO₂/ZrO₂(二氧化硅/二氧化锆)交替镀制的多层高反膜、溶胶-凝胶SiO₂/HfO₂(二氧化硅/二氧化铪)交替镀制的多层高反膜。如图3所示，样品垂直夹持于二维移动平台，冲击波的光栅式扫描15指的是至上而下折线式来回扫描，扫描过程中要求相邻等离子体冲击波与膜平面截面积的重叠率达50％以上，单个冲击波与膜平面的截面积近似等效于脉冲激光器触发单发脉冲致膜面清洗的面积，可借助光学显微镜等手段观测膜面获得；光栅式扫描15的作用有2个，一是为了使冲击波全方位不留死角地触及颗粒物，二是为了避免颗粒溅射导致的二次污染。一次扫描完成，样品自动回到初始位置，调节脉冲激光器能量然后进行下一次扫描。

清洗过程中，溶胶-凝胶膜面激光清洗设备会产生各类散射光和反射光，为了安全的需要，操作人员需佩戴防护墨镜，最好再穿防护服和戴防护帽进行操作；同时在激光扫描过程中，操作人员应远离样品台的空气电离区。

本发明的实质是膜面上方的空气介质被聚焦激光电离击穿，利用产生的等离子体冲击波带来的剧烈空气振动来移除颗粒污染物，对激光波长没有选择性，且由于激光不是直接辐照在薄膜表面，只要距离不是太近(瞄准距小于0.3mm)，不易导致膜面的损伤。由于结合了冲击波光栅式扫描的方式，清洗后膜面能恢复到很理想的状态，且不留死角。

具体实验验证：

所使用的溶胶-凝胶SiO₂增透膜的制备及污染方法：将正硅酸乙酯、氨水、蒸馏水、乙醇按体积比25∶1∶5∶250进行混合，然后在室温下搅拌3h，并将其在室温下陈化40天待用，制得SiO₂溶胶A。取少量的A在100℃下加热蒸干乙醇溶剂，得到干凝胶粉末B。取适量B与水混合，使的B的质量分数为1％，超声分散30分钟，再用磁力搅拌30分钟，获得悬浊液C。采用K9玻璃(尺寸30×30×3mm)作为基片，采用A提拉镀膜，提拉速度为20mm/min。在空气中自然干燥后，将上述样品分别与杯底倾斜45度放入C中浸泡污染，为了获得不同的污染效果，污染时间控制在10～20s，然后用镊子轻轻夹出。置于红外烤箱中以150℃的温度烘烤20分钟，以除去膜内的水分。

实验中使用Nd:YAG单纵模调Q激光器，输出脉冲激光的波长与脉宽：1064nm/11.7ns，355nm/6.3ns；对于两种波长的激光本装置分别采用焦距为260mm、780mm的透镜将其聚焦。为了便于比较，最后激光聚焦产生冲击波处的能量换算为1ns的值(

，其中τ为对应激光脉宽)。颗粒移除率的计算方法：将样品置于细密坐标纸上定位，采用光学显微镜明场结合暗场的方法对固定的区域进行跟踪考查。对于颗粒分散区，统计清洗前后尺寸相似颗粒数目的比值，对于团簇区，估算清洗前后颗粒所覆盖的面积的比值。

使激光器输出波长1064nm，脉宽11.7ns的基频光，激光频率为1Hz；设置扫描速率1mm/s，瞄准距为0.5mm。对污染20s的膜面进行清洗，激光能量采用79.5mJ、126.8mJ各扫描2次。采用Nikon ECLIPSE E600光学显微镜观察薄膜样品清洗前后的形貌，清洗前膜面颗粒呈现团簇状，并且较大颗粒约为10μm(平均尺寸约5μm)，清洗后膜面只有少量微米级的颗粒，移除率在90％以上。同时我们将样品污染10s左右，获得分散颗粒污染，然后用同样的方式进行了清洗，清洗后膜面光洁如新，颗粒的移除率为99％。通过对比，发现对于膜面颗粒分散性较好的样品，清洗以后效果更明显。

增加倍频晶体，使激光器输出波长为355nm，脉宽6.3ns的三倍频光，保持运行频率和扫描速率同上。对污染15s左右的膜面进行清洗，瞄准距为0.7mm左右。采用62.7mJ激光能量扫描3次。清洗前膜面颗粒既有团簇区也有非团簇区，颗粒尺寸平均值亦为5μm，清洗后微米级颗粒最小移除率也在95％以上。

Claims (10)

1.一种溶胶-凝胶膜面激光清洗设备，包括脉冲激光器、劈板、透镜、二维移动平台、准直激光器、能量计、步进电机和计算机；其特征在于：样品置于二维移动平台上，计算机通过电缆分别与脉冲激光器和步进电机连接，并且计算机控制脉冲激光器和步进电机，步进电机控制二维移动平台；脉冲激光器发出的脉冲激光经劈板后分成两束，一束进入能量计，用于监测清洗光源的能量，另一束经过透镜聚焦达到二维移动平台作为清洗光源；准直激光器产生的准直光到达劈板后与主激光的光路重合，在清洗过程中通过准直光来断定主激光的位置；二维移动平台的分辨率为微米级，以保证扫描过程中相邻等离子体冲击波与膜平面截面积的重叠率达50％以上；单个冲击波与膜平面的截面积等效于脉冲激光器触发单发脉冲致膜面清洗的面积。

2.据权利要求1所述的溶胶-凝胶膜面激光清洗设备，其特征在于：所述的脉冲激光器为Nd:YAG激光器，XeF准分子激光器，且清洗光源聚焦焦点处的能量足够击穿空气。

3.据权利要求1所述的溶胶-凝胶膜面激光清洗设备，其特征在于：所述的准直激光器是He-Ne激光器或半导体激光器。

4.据权利要求1所述的溶胶-凝胶膜面激光清洗设备，其特征在于：所述的溶胶-凝胶膜面为溶胶-凝胶SiO₂单层增透膜、溶胶-凝胶SiO₂/ZrO₂交替镀制的多层高反膜、溶胶-凝胶SiO₂/HfO₂交替镀制的多层高反膜。

5.据权利要求1所述的溶胶-凝胶膜面激光清洗设备，其特征在于：样品垂直放置，脉冲激光传播方向与样品膜面平行。

6.一种溶胶-凝胶膜面激光清洗方法，将聚焦后的高能脉冲激光引到薄膜表面，采用光栅式扫描的工艺，要求相邻等离子体重叠面积50％以上，利用电离空气带来的冲击波来全方位移除与膜面附着力较大的颗粒污染；其特征在于：采用脉冲激光器、劈板、透镜、二维移动平台、准直激光器、能量计、步进电机和计算机所构成的设备，样品置于分辨率为微米级的二维移动平台上，计算机通过电缆与脉冲激光器和步进电机连接，并且计算机控制脉冲激光器和步进电机，步进电机控制二维移动平台；脉冲激光器激发的高能脉冲激光经劈板后分成两束，一束进入能量计，用来监测清洗激光能量，另一束经过透镜聚焦达到二维移动平台作为清洗光源，准直激光器产生的准直光到达劈板后与主激光的光路重合，在清洗过程中通过准直光来断定主激光的位置。

7.据权利要求6所述的溶胶-凝胶膜面激光清洗方法，其特征在于：所清洗的污染物是溶胶-凝胶薄膜表面微米级或者亚微米级的SiO₂粉尘颗粒。

8.据权利要求6所述的溶胶-凝胶膜面激光清洗方法，其特征在于：将样品垂直夹持在二维移动平台上；脉冲激光传播方向与样品膜面平行，且瞄准距离0.5～1.5mm；光栅式扫描指的是等离子体冲击波在薄膜表面作自上而下折线式来回扫描，要求相邻等离子体重叠面积50％以上。

9.据权利要求6所述的溶胶-凝胶膜面激光清洗方法，其特征在于：所述的脉冲激光器为Nd:YAG激光器或XeF准分子激光器，准直激光器是He-Ne激光器或半导体激光器。

10.据权利要求6所述的溶胶-凝胶膜面激光清洗方法，其特征在于：所述的溶胶-凝胶膜面为溶胶-凝胶SiO₂单层增透膜、溶胶-凝胶SiO₂/ZrO₂交替镀制的多层高反膜、溶胶-凝胶SiO₂/HfO₂交替镀制的多层高反膜。

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