CN103465113A - 用于光学材料去除、抛光的装置及其使用方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学加工装置，尤其涉及一种用于光学材料去除、抛光的装置及其使用方法和应用。本发明包括不锈钢管壁、绝缘陶瓷套管构成的壳体，壳体两端分别设置有工作气体入口和射流喷枪，绝缘陶瓷套管内设置有内电极，工作气体入口的内侧设置有涡流式气路分配器，所述内电极表面涂覆TiN涂层；不锈钢管壁的材质为1Cr18Ni9Ti，且外壳管壁厚度不小于3mm；所述涡流式气路分流器材料为介电陶瓷;靠近射流喷枪一端的不锈钢管壁上均布有活性反应气体入口。本发明，可用于石英、蓝宝石等光学材料的去除、抛光加工，去除效率高，加工成本低，同时适用性强，便于工业化应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学加工装置，尤其涉及一种用于光学材料去除、抛光的装置及其使用方法和应用。
背景技术
电弧等离子体技术是等离子体应用领域的主流技术之一，由于电弧等离子体设备和技术相对比较简单，电弧放电能量集中，可控性好，因此在机械加工，金属冶金、化学化工及环境保护等领域获得了广泛的应用。然而，由于电弧等离子体温度过高，极易对加工表面造成烧蚀，因此，虽然其很早就被用于熔制高纯石英玻璃，但迄今尚未被用于光学加工领域。
目前，大口径、高精度精密光学元件超光滑表面加工已成为光学技术发展的一个重要环节，在对光学元件加工时，除了要满足其很高的表面形状要求，还需要通过表面微观质量的大幅度提高来降低表面散射等损耗，以提高光能量传输能力、图像传输质量以及激光对抗能力。传统的光学元件加工技术由于刚性的机械接触所带来的加工元件表面及亚表面损伤，以及较低的刻蚀速率，已经很难满足高效精密光学元件加工的需求。近年来，基于辉光放电为主的大气等离子加工技术，被逐渐应用于光学元件加工领域，日本大阪大学、美国Lawrence Livermore实验室，德国IOM研究所等先后将微波及射频电容或电感耦合等离子体炬应用于光学元件抛光，取得了相当的进展。专利“常压等离子体抛光装置，申请号：200610010296.0”也公开了一种基于电容耦合等离子放电的抛光方法。但这些方法还存在明显的不足，表现在：
一、多采用频率在兆赫兹以上的射频离子源，易造成射频电磁污染。此外，需要根据具体离子炬装置、气源和气体分布配置相应的匹配器，工作参数有效工作区间较窄，故而适应性较差；
二、通常需要采用较为昂贵的氦气作为等离子体工作气体，而在大气状态下，工作气体的耗气量远高于真空状态，因而，其加工成本过高；
三、由于等离子体的溅射作用，为了防止电极中的金属粒子激发造成加工表面污染，这些低温等离子体方法通常采用水冷装置对其电极进行冷却，并且将其工作功率限制在一定范围内，从而导致了装置结构的复杂化，并影响了加工效率。
是故，目前的大气等离子体加工技术在加工工艺、加工效率和成本上尚有种种局限。故此，需要设计一种更低成本，结构简单，易操作的大气等离子体光学元件表面加工技术。
发明内容
本发明提供了一种更低成本，结构简单，易操作的用于光学材料去除、抛光的装置及其使用方法和应用。
为克服现有技术存在的问题，本发明提供一种用于光学材料去除、抛光的装置，包括不锈钢管壁、绝缘陶瓷套管构成的壳体，壳体一端上设置有工作气体入口，另一端的端口上设置有射流喷枪，工作气体入口的内侧设置有涡流式气路分配器，绝缘陶瓷套管内设置有内电极，内电极通过电源连线与外部的中频电弧电源连接，其特征在于，
所述内电极表面涂覆TiN涂层；
所述不锈钢管壁的材质为1Cr18Ni9Ti，且外壳管壁厚度≥3mm；
所述涡流式气路分流器材料为介电陶瓷;
靠近射流喷枪一端的不锈钢管壁上的同一圆周上均布有活性反应气体入口,所述活性反应气体入口为多通道入气孔。
上述活性反应气体入口设置有四个。
一种用于光学材料去除、抛光的装置的使用方法,其特征在于：由内电极电弧放电所产生的等离子体在涡旋气流的驱动下，输运至射流喷枪一端的反应气体等离子体发生通道，在该处与活性反应气体入口引入的活性反应气体发生级联碰撞，从而产生大量的活性离子，在持续不断的后续涡旋气流作用下，等离子体射流经由喷枪口喷出，轻质的活性离子集中在射流前端形成活性等离子体炬。
上述方法中所述活性反应气体为含活性原子氟的气体，其压力应略低于工作气体的气压0.01Mpa; 工作气体为氮气,氮气的纯度不小于99.99%，且气压控制在0.03~0.08MPa之间。
一种用于光学材料去除、抛光的装置的应用，其特征在于，用于石英、光学玻璃光学材料的去除、抛光加工。
采用本发明的中频电弧放电级联式大气等离子体发生装置，不仅可有效地克服传统光学元件加工方法中样品表面和亚表面损伤、加工效率低等缺点，可对熔石英、光学玻璃等典型的硬脆材料，以及超硬脆性材料，如碳化硅、蓝宝石等光学元件进行加工。特别地，对一些中大口径复杂面形的光学元件和材料，该装置及所采用的加工方法具有极高的加工效率。具体地，该装置至少具有下列优点：
1. 加工效率高。本发明基于中频电弧放电在大气条件下产生等离子体，并且通过等离子体级联碰撞效应，将引入的反应气体电离，最终形成活性等离子体区，通过其与光学元件表面的化学作用，实现材料的有效去除。相较于其他的其他低温等离子体放电加工方法，由于电弧放电所产生的气旋式氮等离子体区中的等离子属于高温等离子体，具有极高密度，因此当其与稳定的含氟反应气体发生级联碰撞时，更容易使后者离化，形成高浓度的含氟活性等离子级联区，其抛光刻蚀速率较常压低温等离子体相关提高了2~3倍。
2. 适用范围广。本发明可通选择不同的活性反应气体实现不同材质光学元件的加工，所发明大气射流喷枪，如果将其装配于高精密的多维机械运动系统之上，则可对平面、凸凹面，非球面等多种形状的光学元件进行快速抛光加工。
3.使用寿命长。本发明内电极材料选择钛合金，其上涂覆有TiN薄膜，而装置电弧放电所采用的工作气体为一定压力高纯度的氮气，这样就有效地防止了内电极在大气环境下被氧化，具有较长的使用寿命，本发明不锈钢管壁采用1Cr18Ni9Ti，且厚度为3mm，可产时间适应高温，含氟气体的环境而不发生变形和腐蚀；本发明装置所采用的涡流式气路分流器为介电陶瓷材料，本身具有良好的绝缘性能，并且在潮湿环境下，可对空气中的水汽等具有吸附作用，不会因为水分子凝结而造成短路打火现象。
4.成本低廉。本发明所采用的工作气体为高纯氮气，便于获得，其商业购置成本远低于氦气，由于本发明所采用装置对反应气体的离化率较高，因而含氟反应气体的流量仅控制在2~3L/min即可，耗气量极低。此外，由于在大气环境下，电弧放电的条件较为容易，所采用的电弧源电源为商业购置的普通电弧电源，其频率在20~40KHz范围，工作时功率控制在300~600W。
5. 气体输入可控性好。本发明装置工作在大气环境下，故输入的工作气体和活性反应气体均需要施加一定气压。根据本装置电弧放电的工作特点，如果输入反应气体气压高于工作气体气压，将反冲至电极，导致电极灭弧，而反应气压过低，则无法与工作气体发生级联碰撞而形成次级活性等离子体区。故而在装置工作时，通过气体压力控制装置将输入工作气体和活性反应气体的正向压差控制在0.01Mpa，并且可随着输入活性气体种类及流量参数的变化，及时对工作气体压力进行调节，以确保其与活性反应气体的压差不变。
6. 便于工业化应用。本发明的装置结构简易，气体输入可实现程序化控制，所采用的中频电源为普通常规电源，因此，各功能模块都具备较高的技术成熟度，可方便实现仪器化，用于工业生产实际。
附图说明
读者在参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中，
图1示出本发明的中频电弧放电级联式大气等离子体发生装置示意图。
图 2 示出采用SF6为反应气体时典型工艺条件下对石英的刻蚀深度曲线。
图 3 示出采用CF4为反应气体时典型工艺条件下对石英的刻蚀深度曲线。
1-工作气体接口，2-绝缘陶瓷，3-不锈钢管壁，4-内电极，5-活性反应气体入口，6-射流喷枪口，7-射流焰体，8-二级级联碰撞等离子体区，9-电弧等离子体区，10-电源连线，11-涡流式气路分流器，12-中频电弧电源。
具体实施方式
为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本发明的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。
如图1所示，一种用于光学材料去除、抛光的装置，包括不锈钢管壁3、绝缘陶瓷套管2构成的壳体，壳体一端上设置有工作气体入口1，另一端的端口上设置有射流喷枪6，工作气体入口1的内侧设置有涡流式气路分配器，绝缘陶瓷套管2内设置有内电极4，内电极4通过电源连线10与外部的中频电弧电源12连接，所述内电极4表面涂覆TiN涂层；所述不锈钢管壁3的材质为1Cr18Ni9Ti，且外壳管壁厚度≥3mm；所述涡流式气路分流器材料为介电陶瓷;靠近射流喷枪6一端的不锈钢管壁3上的同一圆周上均布有活性反应气体入口5,所述活性反应气体入口5为多通道入气孔。
一种用于光学材料去除、抛光的装置的使用方法,由内电极（4）电弧放电所产生的等离子体在涡旋气流的驱动下，输运至射流喷枪（6）一端的反应气体等离子体发生通道，在该处与活性反应气体入口（5）引入的活性反应气体发生级联碰撞，从而产生大量的活性离子，在持续不断的后续涡旋气流作用下，等离子体射流经由喷枪口喷出，轻质的活性离子集中在射流前端形成活性等离子体炬。所述的活性反应气体为含活性原子氟的气体，其压力应略低于工作气体的气压0.01Mpa; 工作气体为氮气,氮气的纯度不小于99.99%，且气压控制在0.03~0.08MPa之间。
其工作过程将结合实施例详细描述如下：中频电弧电源12通过电源连线11与柱状内电极4相接。压力为0.040MPa的高纯氮气经过工作气体接口1、涡流式气路分配器11进入大气电弧放电通道。保压的涡旋氮气流将通道内的空气排开，在柱状内电极周围形成高密度的氮气区，防止在放电过程中氧气等活性气体对电极氧化。待氮气完全充入后，打开电弧电源，设定电源频率和功率，其功率设定值不小于300W，电源打开后，内电极开始放电。由于在内电极和不锈钢管壁之间放置有绝缘陶瓷2，故放电区集中在内电极前端圆滑的半球状弧面，在涡旋气流和不锈钢管壁的冷压缩效应作用下，所形成的等离子体区9为纺锤状。
实施例1：
在电弧纺锤状氮气等离子体区形成后，开启喷枪侧端的活性反应气体入口5，压力为0.030Mpa六氟化硫气体进入放电通道，在本实施例中，活性气体入口设定为对称分布的两路。当SF6进入后，氮气等离子体区中的离子与其产生级联碰撞，在高能的氮离子作用下，六氟化硫气体产生离化，形成含有高浓度活性氟离子的二级级联碰撞等离子体区8。在后续工作气体持续的压力作用下，产生的级联等离子体区经由倒喇叭形的射流喷枪口6约束为最大直径在6~8mm范围内束斑喷射而出形成射流焰体7，由于氟离子质量较轻，故而集中于焰体的顶端，形成蓝色的氟离子区，将蓝色的氟离子区作用于熔石英、碳化硅等硅化物的光学元件表面，即可实现这些元件的表面加工。通过调整反应气体的流量、压力以及中频电源的功率，可有效调节等离子体焰体的束流半径和大小。调节等离子体喷枪口与加工工件表面的距离，可获取最佳的抛光效率。图2所示是在电源为功率500W，工作距离5.2mm时，SF6 的气体流量为2.5L/min的条件下，采用本发明装置对熔石英玻璃刻蚀10min后的刻蚀轮廓曲线。该曲线由Taylor Hobson的表面轮廓仪测量获得。由图2可知，其对熔石英的刻蚀速率可达12μm/min以上。
实施例2：
上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。
本实施例所采用的反应气体为四氟化碳，为了提高其离化效率，本实施例中电源频率设定为40KHz，电源功率不小于500W。在电弧纺锤状氮气等离子体区形成后，开启喷枪侧端的活性反应气体入口5，压力为0.030Mpa四氟化碳气体进入放电通道，在本实施例中，活性气体入口设定为对称分布的四路，其气体流量相应控制在2.5~3L/min。CF4进入后，将工作距离调整至5.5mm，其他如实施方式1，由图3可知，其对熔石英的刻蚀速率近14.3μm/min。
本发明装置特别适用于熔石英、光学玻璃.碳化硅等光学材料的去除、抛光加工。也可以对蓝宝石进行加工。
Claims (5)
1. 一种用于光学材料去除、抛光的装置，包括不锈钢管壁（3）、绝缘陶瓷套管（2）构成的壳体，壳体一端上设置有工作气体入口（1），另一端的端口上设置有射流喷枪（6），工作气体入口（1）的内侧设置有涡流式气路分配器，绝缘陶瓷套管（2）内设置有内电极（4），内电极（4）通过电源连线（10）与外部的中频电弧电源（12）连接，其特征在于，
所述内电极（4）表面涂覆TiN涂层；
所述不锈钢管壁（3）的材质为1Cr18Ni9Ti，且外壳管壁厚度不小于3mm；
所述涡流式气路分流器材料为介电陶瓷;
靠近射流喷枪（6）一端的不锈钢管壁（3）上的同一圆周上均布有活性反应气体入口（5）,所述活性反应气体入口（5）为多通道入气孔。
2.根据权利要求1所述的用于光学材料去除、抛光的装置，其特征在于：所述活性反应气体入口（5）设置有四个。
3.一种用于光学材料去除、抛光的装置的使用方法,其特征在于：由内电极（4）电弧放电所产生的等离子体在涡旋气流的驱动下，输运至射流喷枪（6）一端的反应气体等离子体发生通道，在该处与活性反应气体入口（5）引入的活性反应气体发生级联碰撞，从而产生大量的活性离子，在持续不断的后续涡旋气流作用下，等离子体射流经由喷枪口喷出，轻质的活性离子集中在射流前端形成活性等离子体炬。
4.如权利要求3所述的一种用于光学材料去除、抛光的装置的使用方法,其特征在于：
所述的活性反应气体为含活性原子氟的气体，其压力应略低于工作气体的气压0.01Mpa; 工作气体为氮气,氮气的纯度不小于99.99%，且气压控制在0.03~0.08MPa之间。
5. 一种用于光学材料去除、抛光的装置的应用，其特征在于，用于熔石英、光学玻璃等光学材料的去除、抛光加工。
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