CN105855243B

CN105855243B - Uv光的应用方法及uv光薄膜处理应用装置

Info

Publication number: CN105855243B
Application number: CN201610205481.9A
Authority: CN
Inventors: 邓文渊; 金春水; 靳京城; 李春
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2016-04-01
Filing date: 2016-04-01
Publication date: 2018-07-20
Anticipated expiration: 2036-04-01
Also published as: CN105855243A

Abstract

本发明涉及一种UV光的应用方法，包括步骤：a、配置UV光发生装置，通过UV灯管产生UV光；b、收集UV光，利用凹面反射镜收集UV光；c、聚焦UV光，利用凸透镜或镜组将上述UV光聚焦成光束；d、传输UV光束，利用紫外光纤传输UV光束到应用场所；e、扩束，利用凸透镜将紫外光纤尾纤的出射光转换为平行光束；f、导光，将上述平行光束导出，射入到需要处理的产品表面。本发明一方面可以突破常规UV光清洗需近距离辐照样品表面所形成的对UV灯光应用场合和几何空间的制约，另外一方面可以提高UV光的利用效率，提高样品表面的辐照光能量密度，进而提高样品表面的清洁效果、缩短所需的辐照时间。本发明还提供一种UV光薄膜处理应用装置。

Description

UV光的应用方法及UV光薄膜处理应用装置

技术领域

本发明涉及聚焦UV光在深紫外光学元件领域的应用，特别涉及一种UV光的应用方法及UV光薄膜处理应用装置。

背景技术

近年来，以ArF准分子激光和200nm以下波长自由电子激光为代表的深紫外光学应用得到了日益的重视，并获得了长足的发展。尤其是ArF准分子193nm激光，其在包括材料精细微加工、深紫外光刻、材料处理、激光打标等在内的激光工业应用，准分子激光医疗，以及科学研究等诸多领域都获得了十分广泛重要的应用，深紫外光学相关技术的研究具有重大社会和经济价值。深紫外激光光学系统与应用的不断发展对深紫外光学薄膜元件性能及长期稳定性要求都提出了新的挑战。深紫外光学薄膜研究面临的根本问题是由于深紫外波段靠近大多数介质材料的禁带，本征吸收、杂质吸收、缺陷吸收等的存在使得只有极其少量的介质材料能够满足深紫外薄膜应用的需要。这些少量材料包括氧化物Al₂O₃、SiO₂，氟化物MgF₂、LaF₃、AlF₃等。

薄膜材料选择的局限性进一步带来了对深紫外光学薄膜制备工艺的制约，例如针对氟化物，为了避免深紫外光学薄膜出现由于化学计量比失配而导致严重吸收，以及高温衬底带来的应力大等问题，通常只能选择热舟蒸发工艺进行制备，且采用较低的衬底温度。采用这种较低衬底温度的热舟蒸发制备工艺，可以得到吸收很小的深紫外光学薄膜，但同时也伴随一些不足，如光学薄膜内在结构不够致密、光学薄膜表面较粗糙。因此，这种采用较低衬底温度的热舟蒸发工艺所制备的深紫外光学薄膜，由于光学薄膜内在结构不够致密和光学薄膜表面较粗糙所必然带来的对应用环境中的污染物质进行吸附的效应，深紫外光学薄膜的性能会出现快速衰退。研究表明，这种深紫外光学薄膜性能的衰退集中表现为深紫外光学薄膜内部及表面吸附有机污染物和水汽而导致深紫外光学薄膜的吸收显著增大。对此，研究人员尝试去除光学薄膜内部及表面吸附的有机污染物和水汽的有效方法，并发现采用UV光辐照深紫外光学薄膜是一种行之有效的方法。

利用紫外光辐照样品表面，使得样品表面污染物清除的效应，被称为紫外光清洗。其基本原理是有机化合物的光敏氧化作用。紫外光清洗的详细机理为：低压汞蒸气UV光源主要发射波长为185nm和254nm的高能量光子，当这些高能量光子作用到被清洗物体表面时，由于大多数碳氢化合物对185nm波长的紫外光具有较强的吸收能力，并在吸收185nm波长的紫外光的能量后分解成离子、游离态原子、受激分子和中子。此外，空气中的氧气分子在吸收了185nm波长的紫外光后也会产生臭氧和原子氧，臭氧对254nm波长的紫外光同样具有强烈的吸收作用，因此，臭氧又进一步分解为原子氧和氧气，上述过程产生的原子氧是极活泼的，具有极强的氧化性，在它作用下，物体表面上的碳和碳氢化合物的分解物可化合成可挥发的气体，如二氧化碳和水蒸气等逸出表面，从而彻底清除了黏附在表面上的碳和有机污染物。

与传统的其它物理和化学清洗技术相比，紫外光清洗具有显著的特点，包括：可以较彻底地清除样品表面的碳和有机污染物；属于非接触清洗方式，不会形成新的污染；工艺简单，速度快，效率高，具有较高的可靠性，表面清洗处理的均匀度很好。上述特点非常适合深紫外光学薄膜表面的清洁与处理。

目前商品化的UV灯清洗机都采用原始的光辐照应用模式，即通过将样品直接放置在距离UV灯管很近的地方进行辐照，其基本的结构如图4所示。这也是目前最常见的紫外光清洗装置结构，其装置主要包括紫外光灯23、变压器11、电容12、灯罩腔体、排气、及保护电路等几个部分。其中，紫外光灯23是最主要的部分，一般采用Hg灯或卤素灯，需要根据具体的应用需要选择合适的光谱、功率、结构形状等参数。

这种方式的结构简单、对样品尺寸的要求也较低，可以满足多数的应用需求。但为了达到较好的清洗效果，要求样品表面与UV灯管非常接近(1cm左右)。对于深紫外光学薄膜元件的清洗处理应用，这种使用方式制约了UV光清洗效果的充分应用，UV光清洗技术存在以下两个方面的不足：

首先这种相对简单的使用方式无法应用到一些特定的应用场合，如在镀膜机中和分光光度计中不便于直接使用。在深紫外光学镀膜之前，为了清除光学衬底表面的污染物，需要对其表面进行UV光辐照处理。但是在镀膜机，由于镀膜机理和实际内部结构的制约，无法采用直接辐照式的常用简单应用方式。目前通常采用的方式是在镀膜机腔外进行UV光的处理，然后将光学镀膜衬底放入镀膜机中。再将处理好的光学衬底从UV清洗机中取出，放入镀膜机中，然后镀膜机进行抽真空等过程中，如果时间较长，处理好的光学衬底表面又将重新吸收有机污染物，这将大大降低UV光清洗的效果。在分光光谱的测量过程中，存在类似的问题，即由于光学薄膜样品表面在测试过程中又会重新吸附吸收物质，导致实际测试的样品的吸收不准确，对于薄膜的制备工艺优化和使用均带来影响。

其次，目前采用UV灯直接辐照样品表面的方式，其UV光的利用效率较低，对于样品尺寸较小的光学薄膜样品(典型尺寸为直径小于5cm)，大量的UV光实际是没有被利用。由于样品表面需要辐照足够的剂量,采用目前的UV灯直接辐射的方式，需要的辐照时间也相对较长。对于表面粗糙度较大的样品，为了内部的污染物清除，达到理想的清洗效果，辐照时间需要进一步延长。与此同时，当被处理元件附近存在不能被UV光辐照的其它元件时，目前的UV灯直接辐射的方式将收到制约。

发明内容

本发明的主要目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种UV光的应用方法及UV光薄膜处理应用装置，以突破常规UV灯光清洗需近距离辐照样品表面、所形成的对UV光存在应用场合和几何空间的制约,并提高UV光辐照的效率。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案。

本发明提供一种UV光的应用方法，其包括步骤：

a、配置UV光发生装置，通过UV灯管产生UV光；

b、收集UV光，利用凹面反射镜收集UV光；

c、聚焦UV光，利用凸透镜或镜组将上述UV光聚焦成光束；

d、传输UV光束，利用紫外光纤传输UV光束到应用场所；

e、扩束，利用凸透镜将紫外光纤尾纤的出射光转换为平行光束；

f、导光，将上述平行光束导出，射入到待处理产品表面。

优选地，所述UV光的光谱包含185nm和254nm波长的光。

优选地，利用所述凸透镜将所述UV光束扩束成直径20-50mm的平行光束。

优选地，所述凹面反射镜为镜面铝制成的球形或椭球形弧面。

本发明还提供一种UV光薄膜处理应用装置，包括UV光发生装置，所述UV光发生装置包括UV灯管，还包括收集装置、光纤准直镜、紫外光纤和扩束镜，所述收集装置包括凹面反射镜和与凹面反射镜连接的遮光圆筒，所述UV灯管固定于所述凹面反射镜的内部，且垂直于凹面反射镜的轴心放置，UV光经所述凹面反射镜反射到遮光圆筒内，并由一凸透镜收集汇聚，聚集后的UV光投射到所述光纤准直镜，以将UV光耦合到所述紫外光纤内；所述紫外光纤的尾纤出光口位于所述扩束镜的焦点，所述扩束镜将从紫外光纤射出的UV光束转换为平行光束。

上述应用装置中，所述UV光发生装置还包括控制电路，所述控制电路包括电源、变压器、数字电路板、第一开关和第二开关，所述UV灯管通过所述变压器和第一开关与所述电源连接，适于控制所述UV灯管的开关，并且所述UV灯管还通过第二开关与所述数字电路板连接，用以控制所述UV灯管的辐照时间。

上述应用装置中，所述凹面反射镜为球面形，所述UV灯管到所述凹面反射镜的水平距离为所述凹面反射镜的半径的一半。

上述应用装置中，所述扩束镜固定于一圆筒内，所述圆筒的一端安装有石英窗片，所述平行光束经所述石英窗片射出。

本发明通过将UV光进行聚集后，经由紫外光纤传输，之后再进行扩束的方法，一方面可以突破常规UV光清洗需近距离辐照样品表面所形成的对UV灯光应用场合和几何空间的制约，使得UV光清洗可以方便地直接应用于镀膜机和分光光度计等设备，大大拓展了UV光清洗的应用范围；另外一方面可以提高UV光的利用效率，提高样品表面的辐照光能量密度，进而提高样品表面的清洁效果、缩短所需的辐照时间。

附图说明

图1是本发明实施例中UV光的应用方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中UV光薄膜处理应用装置的结构示意图；

图3是本发明实施例中UV光薄膜处理应用装置的光路效果图；

图4是现有技术中采用的原始光辐照应用装置的结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施例详细说明本发明的技术方案，以便更清楚、直观地理解本发明的发明实质。

实施例一：

参照图1所示，本实施例提供一种UV光的应用方法，包括以下步骤：

S1：配置UV光发生装置，通过UV灯管产生UV光；

S2：收集UV光，利用凹面反射镜收集UV光；

S3：聚焦UV光，利用凸透镜或镜组将上述UV光聚焦成光束；

S4：传输UV光束，利用紫外光纤传输UV光束到应用场所；

S5：扩束，利用凸透镜将紫外光纤尾纤的出射光转换为平行光束；

S6：导光，将上述平行光束导出，射入到需要处理的产品表面。

本实施例采用的UV光的光谱中主要包含185nm和254nm波长的紫外光。也可以根据实际需要选定合适的波长。

UV灯管采用排管双波长高压汞灯，可以发出上述185nm和254nm两种波长的紫外光。

在步骤S2中，所用到的凹面反射镜采用镜面铝制成，并且整体形状为球面形或椭球面形，并且将凹面反射镜的内壁抛光后，镀上185nm和254nm双波段的高反射膜，以充分反射该波长的紫外光。

本实施例中所有凸透镜的表面以及紫外传输光纤的入射和出射端面均镀有宽带紫外增透膜，以提高紫外光的透过率。

最后，利用凸透镜将UV光束扩束成直径为20-50mm的平行光束，以此光束照射到需要清洗的产品表面，可以在合理的清洗时间内达到较好的清洗效果。

本实施例通过先将UV灯光进行聚焦，再经由光纤传输，最后再对UV光线进行扩束的方法，可以使UV光的生产和应用处于不同的场所，从而克服了空间的限制，扩展了应用场合，而且利用该扩束后的UV光束进行清洗时，清洗效果更佳。

实施例二：

参照图2和图3所示，本实施例提供一种UV光薄膜处理应用装置，其包括UV光发生装置10，UV光发生装置10又包括UV灯管101，还包括收集装置102、光纤准直镜103、紫外光纤104和扩束镜105等部件，其中，收集装置102包括凹面反射镜1021和与凹面反射镜1021连接的遮光圆筒1022。UV灯管101固定于凹面反射镜1021的内部，并且垂直于凹面反射镜1021的轴心放置，UV光被该凹面反射镜1021反射到遮光圆筒1022内，并被一凸透镜1023收集汇聚。该凸透镜1023后方设有一光纤准直镜103，聚焦后的UV光投射到光纤准直镜103上，由该光纤准直镜103将UV光耦合到紫外光纤104内，然后，UV光在紫外光纤104内传输，并从尾纤的出光口射出。本实施例中，该出光口处恰位于扩束镜105的焦点上，UV光从该处投射到扩束镜105上后，经折射后变成平行光束，该平行光束可以直接应用于清洗产品表面。

具体地，上述UV光发生装置10还包括控制电路100，该控制电路100包括电源AC、变压器11、电容12、数字电路板13、第一开关14和第二开关15，UV灯管101通过变压器11和第一开关14与电源AC连接，并能过第二开关15与数字电路板13连接。第一开关14能够控制UV灯管101的开关，第二开关15能够通过数字电路板13控制UV灯管101的辐照时间。

上述凹面反射镜1021为球面形，UV灯管101到该凹面反射镜1021的水平距离为该球面的半径的一半，从而可以使UV灯管101的紫外光被反射后基本平行地投射到遮光圆筒1022内的凸透镜1023上，再由该凸透镜1023聚焦汇集。凹面反射镜1021的背面一侧利用焊接螺纹与遮光圆筒1022进行接合和固定，使遮光圆筒1022内部不会发生漏光。

遮光圆筒1022固定在一个底座1024上，底座1024的尺寸和重量可以根据整个收集装置102的实际重量进行选择。

上述遮光圆筒1022的长度优选为300-400mm，还可以根据凸透镜1023的焦距进行适当变化。

此外，本实施例的扩束镜105固定于一圆筒1051内，该圆筒1051的直径与扩束镜105的直径相近，在圆筒1051的一后端安装有一石英窗片1052，上述平行光束经该石英窗片1052射出后，可直接照射到待清洗产品的表面。

本实施例的所有透镜均采用紫外熔石英材料制成，并且双面镀宽带增透膜，紫外传输光纤的入射和出射端面,光纤准直镜均镀宽带增透膜,以增强紫外光透射率，减少光损耗。这样，可以使185－270nm波段之间的整体光谱透过率能够在80％以上。

上述凸透镜1023也可以采用6块透镜组成的透镜组代替，这可以有效地将185－270nm波段内的紫外光全部聚焦并耦合到紫外光纤104内传输，增加光线的利用率。

综上所述，本发明通过将UV光进行聚集后，经由紫外光纤传输，之后再进行扩束的方法，一方面可以突破常规UV光清洗需近距离辐照样品表面所形成的对UV灯光应用场合和几何空间的制约，使得UV光清洗可以方便地直接应用于镀膜机和分光光度计等设备，大大拓展了UV光清洗的应用范围；另外一方面可以提高UV光的利用效率，提高样品表面的辐照光能量密度，进而提高样品表面的清洁效果、缩短所需的辐照时间。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制其专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种UV光的应用方法，其特征在于，包括步骤：

a、配置UV光发生装置，通过UV灯管产生UV光；

b、收集UV光，利用凹面反射镜收集UV光；

c、聚焦UV光，利用凸透镜或镜组将上述UV光聚焦成光束；

d、传输UV光束，利用紫外光纤传输UV光束到应用场所；

f、导光，将上述平行光束导出，射入到待处理产品表面。

2.如权利要求1所述的应用方法，其特征在于，所述UV光的光谱包含185nm和254nm波长的光。

3.如权利要求2所述的应用方法，其特征在于，利用所述凸透镜将所述UV光束扩束成直径20-50mm的平行光束。

4.如权利要求1所述的应用方法，其特征在于，所述凹面反射镜为镜面铝制成的球形或椭球形弧面。

5.一种UV光薄膜处理应用装置，包括UV光发生装置，所述UV光发生装置包括UV灯管，其特征在于：还包括收集装置、光纤准直镜、紫外光纤和扩束镜，所述收集装置包括凹面反射镜和与凹面反射镜连接的遮光圆筒，所述UV灯管固定于所述凹面反射镜的内部，且垂直于凹面反射镜的轴心放置，UV光经所述凹面反射镜反射到遮光圆筒内，并由凸透镜收集汇聚，聚集后的UV光投射到所述光纤准直镜，以将UV光耦合到所述紫外光纤内；所述紫外光纤的尾纤出光口位于所述扩束镜的焦点，所述扩束镜将从紫外光纤射出的UV光束转换为平行光束。

6.如权利要求5所述的UV光薄膜处理应用装置，其特征在于：所述UV光发生装置还包括控制电路，所述控制电路包括电源、变压器、数字电路板、第一开关和第二开关，所述UV灯管通过所述变压器和第一开关与所述电源连接，适于控制所述UV灯管的开关，并且所述UV灯管还通过第二开关与所述数字电路板连接，用以控制所述UV灯管的辐照时间。

7.如权利要求5所述的UV光薄膜处理应用装置，其特征在于：所述凹面反射镜为球面形，所述UV灯管到所述凹面反射镜的水平距离为所述凹面反射镜的半径的一半。

8.如权利要求5所述的UV光薄膜处理应用装置，其特征在于：所述扩束镜固定于一圆筒内，所述圆筒的一端安装有石英窗片，所述平行光束经所述石英窗片射出。