CN105271791B - 一种光学加工缺陷钝化工艺 - Google Patents

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Abstract

一种光学加工缺陷钝化工艺，包括以下步骤：(1)对单轴机研抛后的熔石英元件使用HF酸液进行浅酸洗，去除水解层，暴露出亚表面损伤，进行磁流变抛光使缺陷钝化；(2)磁流变抛光完成后，使用HF酸液对熔石英元件表面进行清洗，完成磁流变钝化缺陷的后处理；(3)对酸洗后的熔石英元件进行漂洗10分钟并用去离子水喷淋5分钟，去除残留酸液与反应生成物，最后使用过滤后的高压氮气吹干样件，完成整个工艺。本发明工艺流程简单、可操作性强、能满足强光光学系统对熔石英元件缺陷情况与面形精度要求。

Description

一种光学加工缺陷钝化工艺
技术领域
本发明涉及一种磁流变抛光方法，具体涉及熔石英结构性缺陷的磁流变钝化工艺，实现熔石英材料结构性缺陷的钝化。
背景技术
磁流变抛光(MRF)作为一种新型的光学加工方法，它是利用磁流变抛光液在磁场中的流变性对工件进行抛光。由于磁流变抛光的机理为剪切去除，在抛光过程中磨粒受到的力远小于传统抛光，能够有效去除研磨和传统抛光过程中遗留于表面和亚表面的裂纹与划痕，获得无损的加工表面，同时还能够改善面形精度，达到亚纳米级表面粗糙度。在磁流变抛光的过程中，缺陷的微观形貌会发生改变，深度减小，宽度基本保持不变，宽深比增大，形貌轮廓变钝，这种现象称为MRF对缺陷的钝化。MRF依靠抛光液缎带接触加工表面时流体力场中的剪切力实现材料去除，剪切力的大小直接决定了材料的去除效率。在结构性缺陷处，抛光轮以及其附着的抛光液缎带与元件表面的实际接触点为缺陷的最高点，缺陷轮廓与元件表面的交点处剪切力明显要大于表面无缺陷处的剪切力，因此，在缺陷与表面的交点位置材料去除量会更大，导致缺陷边缘处有额外去除，保持宽度基本不变。
传统抛光方法如CCOS等，是通过抛光颗粒对材料的正压力使表面材料破碎去除，再利用相对运动带走抛光屑。由于其原理为脆性去除，在抛光过程中会不可避免的产生裂纹、划痕等结构性缺陷，成为降低熔石英材料抗激光损伤性能的重要因素。经过研磨、粗抛光等多道工序，工件表面和亚表面已经没有较大较深的缺陷，但在表面以下数微米至数十微米的区域内仍存在加工带来的结构性缺陷。结构性缺陷会从以下三个方面降低元件的抗激光损伤能力：(1)亚表面划痕、裂纹会引起局部光场增强；(2)在缺陷中嵌入的吸收性杂质会增强对激光的吸收；(3)结构性缺陷会减低元件的机械强度。当前强光光学系统对熔石英元件的高阈值、高面形精度加工有迫切的需求，而传统抛光方法由于其脆性去除原理难以控制缺陷的大小及深度，因此，需要引入新型的不带来亚表面损伤并且能够改善结构性缺陷的加工工艺来解决这些技术问题。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种工艺流程简单、可操作性强、能满足强光光学系统对熔石英元件缺陷情况与面形精度要求的光学加工缺陷钝化工艺。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种光学加工缺陷钝化工艺，包括以下步骤：
(1)对单轴机研抛后的熔石英元件使用HF酸液进行浅酸洗，去除水解层，暴露出亚表面损伤，进行磁流变抛光使缺陷钝化；
(2)磁流变抛光完成后，使用HF酸液对熔石英元件表面进行清洗，完成磁流变钝化缺陷的后处理。
上述工艺中，优选地，所述步骤(1)中，对单轴机研抛后的熔石英元件使用HF进行浅酸洗，所述HF酸浓度为8％-12％，酸洗时间为2-5min，去除效率为10-20nm/min，去除深度为20-100nm。所述磁流变抛光的工艺参数为：磨料为粒径为0.2μm的CeO2，抛光轮转速为2-3m/s，电流为7A，压深为0.2mm，磁流变抛光液的流量为150-170L/h，材料去除率为1.8×10e+7±10％(μm3/min)。
上述工艺中，优选地，所述步骤(2)中，所述HF酸液浓度为10％，温度为35℃，酸洗时间为3min。
本发明中还包括步骤(3)，对酸洗后的熔石英元件进行漂洗10分钟并用去离子水喷淋5分钟，去除残留酸液与反应生成物，最后使用过滤后的高压氮气吹干样件，完成整个工艺。
本发明中，全部酸洗流程均在百级洁净环境中完成，确保环境污染在极低的水平。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明工艺流程简单，可操作性强。在前级加工工艺中会不可避免的带来划痕、坑洞等结构性缺陷，这些缺陷会引发激光损伤，磁流变抛光的无损去除能力在去除结构性缺陷方面会发挥重要作用。磁流变抛光后，结构性缺陷深度减小、宽度基本不变，宽深比增大。结构性缺陷的仿真结果证明，宽深比越大，结构性缺陷的相对光场强度(RelativeIntensity，RI)越小，能够承受更高的激光能量。磁流变抛光不仅能够无损去除传统抛光带来的较浅的缺陷层，对于个别的较深的缺陷没有完全抛光去除，而是将其钝化，这样也能够显著降低相对光场强度，提高元件的抗激光损伤能力。
2.本发明在磁流变抛光后熔石英元件表面有羰基铁粉、有机物等污染物残留，会大幅降低抗激光损伤能力，因此元件的加工后处理工艺(AMP)十分必要。由于HF酸洗工艺能够去除表面污染物、杂质元素，并且具有高效率、无污染等优点，因此选择HF酸进行后处理十分必要。酸洗后，熔石英元件表面有残留的酸液以及酸洗过程中生成的化合物，需要进行超声漂洗并用去离子水喷淋，最后使用过滤后的高压氮气吹干样件，得到表面洁净的熔石英元件。
附图说明
图1为本发明实施例中对熔石英元件进行磁流变抛光的照片。
图2为本发明实施例中初始以及磁流变逐层抛光后的缺陷形貌。利用原子力显微镜(Atom Force Microscope，AFM，测量结果使用BRUKER Dimension 原子力显微镜进行测量，测量模式为轻敲Tapping Mode)测量得到的结果，测量范围为30μm×30μm。
图3为本发明实施例中初始以及磁流变逐层抛光缺陷形貌的演变曲线。
图4为本发明实施例中磁流变抛光去除深度与缺陷宽深比的关系。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例：
加工对象是一块100mm×100mm×10mm的方形熔石英元件，元件前级加工为单轴机研抛，抛光过后元件表面无明显划痕，经过浅酸洗去除水解层后暴漏出亚表面损伤。对其进行光学加工缺陷钝化工艺，包括以下步骤：
(1)加工前首先对熔石英元件进行浅酸洗，旨在暴露出亚表面划痕，测量划痕的初始深度，来确定磁流变抛光的深度。使用10％浓度的HF酸液酸洗3分钟，材料的去除深度为50nm。
(2)对熔石英元件进行四次磁流变抛光。抛光时，抛光轮与熔石英元件的相对速度均为2-3m/s，磁流变抛光液的流量为150-170L/h，抛光加工的压深分别0.2mm，每次加工时间为109min，每次材料去除深度为80-120nm。
图2分别是初始以及磁流变逐层抛光后的缺陷形貌，图3是初始以及磁流变逐层抛光缺陷形貌的演变曲线，图4为磁流变抛光去除深度与缺陷宽深比的关系，从结果看，初始的宽深比5.39，四次磁流变抛光的宽深比分别为6.34、7.83、9.88、16.58，经过磁流变逐层抛光，宽深比依次增大，结构性缺陷钝化效果非常明显。
(3)磁流变抛光结束后，熔石英元件表面存在磁流变抛光液的残留，再次使用10％浓度的HF溶液进行酸洗，时间为3min，去除水解层以及残留于表面的污染物。酸洗后，熔石英元件进行超声漂洗10分钟并使用去离子水喷淋5分钟，去除残留酸液与反应生成物，最后使用过滤后的高压氮气吹干样件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种光学加工缺陷钝化工艺，其特征在于：包括以下步骤：
(1)对单轴机研抛后的熔石英元件使用HF酸液进行浅酸洗，去除水解层，暴露出亚表面损伤，进行磁流变抛光使缺陷钝化；其中采用的HF酸浓度为8％-12％，酸洗时间为2-5min，去除效率为10-20nm/min，去除深度为20-100nm；
(2)磁流变抛光完成后，使用HF酸液对熔石英元件表面进行清洗，完成磁流变钝化缺陷的后处理；其中采用的HF酸液浓度为10％，温度为35℃，酸洗时间为3min。
2.根据权利要求1所述的光学加工缺陷钝化工艺，其特征在于：步骤(1)中，所述磁流变抛光的工艺参数为：磨料为粒径为0.2μm的CeO2，抛光轮转速为2.5m/s，电流为7A，压深为0.2mm，磁流变抛光液的流量为160L/h，材料去除率为1.8×10e+7±10％μm3/min。
3.根据权利要求1或2所述的光学加工缺陷钝化工艺，其特征在于：还包括步骤(3)，对酸洗后的熔石英元件进行漂洗10分钟并用去离子水喷淋5分钟，去除残留酸液与反应生成物，最后使用过滤后的高压氮气吹干样件，完成整个工艺。
4.根据权利要求3所述的光学加工缺陷钝化工艺，其特征在于：整个工艺过程均在百级洁净环境中完成。
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