CN106311682B - 基于微波电离的介质膜层表面污染清除系统及其清除方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微波电离的介质膜层表面污染清除系统及其清除方法，包括样品仓，所述样品仓外部设置有微波源、真空机构、气体流量控制系统、氧气源和惰性气体气源，氧气源和惰性气体气源均与气体流量控制系统连接，微波源、真空机构和气体流量控制系统均与样品仓内部连通。该系统及方法针对光学元件介质膜层表面的指纹污染可以通过非接触的方式进行有效清洁，同时不对膜层造成损伤，保持光学元件的性能符合要求，不会有残留物，也不会造成二次污染。

Description

基于微波电离的介质膜层表面污染清除系统及其清除方法
技术领域
本发明涉及一种利用微波电离产生氧原子实现清除的系统，具体涉及一种基于微波电离的介质膜层表面污染清除系统及其清除方法。
背景技术
自1960年美国物理学家梅曼发明激光器以来，激光技术得到飞速发展。由于激光相比传统光源具有高能量、高单色性、高相干性、极佳的方向性等优点，各科学和技术领域纷纷应用激光并形成了一系列交叉学科，包括信息光学和光电子学、激光医疗、激光加工、激光检测、激光全息、激光雷达等。伴随着激光技术的发展，现代光学也脱胎于古老的光学学科，重新焕发了青春。人们对光学现象的理解不断加深，光学成像、光谱分析等技术手段广泛应用于社会生产中。
在激光和现代光学的实际应用中，以光学镜片为代表的元件构成了激光操控和光学成像的基础部件。为了增强镜片的透过率、反射率、滤波效率等性能，在镜片表面需要进行镀膜处理。镜片表面的膜层可以分为介质膜和金属膜，后者主要用于全反镜设计，实际应用相对较少。介质膜通过光学工程理论和方法设计出折射率周期性变化的结构，采用电子蒸镀、磁控溅射等方式实现，可以有效增加元件的透过率。目前选用的镀膜材料主要有氧化铪、氧化锆、氧化硅等氧化物，这些材料化学性质十分稳定，在正确的操作和维护下可以达到较长的使用寿命。在实际应用中，光学膜层表面洁净度对元件特性有着直接的影响，由于操作不当在膜层表面引入的指纹等有机污染物，会降低元件透过率、反射率，直接影响对激光的操控特性。表面污染物还会促进膜层对激光能量的吸收和沉积，增加膜层在激光应用中损伤的概率，降低元件使用寿命。成像系统中光学膜层表面的污染会导致成像锐度下降，严重影响成像质量。
要克服膜层污染带来的光学元件效率下降，一方面应强调精密光学元件的正确操作，减少污染的可能性，另一方面则应发展针对指纹等有机污染物的有效清洁方法。传统上，对光学元件表面膜层的清洁一般采用直接法，将酒精、丙酮、乙醚等有机溶剂按一定比例兑制成清洁液，结合棉签、无尘布、擦镜纸等进行擦拭。这是一种直接接触清洁法，容易造成膜层表面的二次污染甚至永久性损伤。曾有研究表明KrF准分子发出的紫外波段激光脉冲辐照石英等光学元件可以对其表面的指纹污染物进行有效清洁，这是一种非物理接触的清洁方法，但是因诸多限制而没有大范围应用：一方面这种方法对激光脉冲的能量有严格的限制，只有当单脉冲能量密度达到450 mJ/cm2以上时才能起到清洁作用，脉冲能量过低时不但清洁无效，反而将指纹彻底固化在元件表面，极大增加了清洁难度；这种清洁方法对激光波长也有严格的限制，有效激光波段仅仅限于紫外波段，而众所周知，除了高品质石英元件外，普通光学玻璃元件等在紫外光的辐照下化合键会发生断裂，使元件透过率下降，紫外光对光学膜层造成的影响更加不容忽视，有可能造成膜层的彻底损伤。人类指纹中的成分主要皮肤表面分泌腺的分泌物，以甘油、脂肪酸、醇类等有机物为主，这些油脂类有机物在膜层表面有一定的附着度，不易清理。
专利号为“ZL03116276.2”的中国专利公开了一种材料表面的清洁方法，把需要清洁的材料置于微波辐射源和紫外光之间，由微波能量转化为紫外光能量，同时由紫外光激励产生臭氧或者由微波能量产生氧等离子体，实现对材料表面的高效清洁。其清洁效果好，使用方便、安全，适用范围广，可适用于半导体材料和器件的表面清洁处理，尤其适用于ITO玻璃的表面清洗，可提高ITO玻璃的表面功函数，优化电极性能。但是其是纯氧环境下进行，并且由微波能量转化为紫外光能量，同时由紫外光激励产生臭氧或者由微波能量产生氧等离子体，增加了中间转换过程，效率低，而且在清洁过程易产生其它污染物，反而造成清理不干净。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有光学元件表面的膜层被人类指纹污染后不易清理干净，甚至清理时会对膜层造成损伤，同时清理时有残留物或者二次污染风险，提供了一种基于微波电离的介质膜层表面污染清除系统及其清除方法，该系统及方法针对光学元件介质膜层表面的指纹污染可以通过非接触的方式进行有效清洁，同时不对膜层造成损伤，保持光学元件表面的光学性能符合要求，不会有残留物，也不会造成二次污染。
本发明通过下述技术方案实现：
基于微波电离的介质膜层表面污染清除系统，包括样品仓，所述样品仓外部设置有微波源、真空机构、气体流量控制系统、氧气源和惰性气体气源，氧气源和惰性气体气源均与气体流量控制系统连接，微波源、真空机构和气体流量控制系统均与样品仓内部连通，惰性气体在常温常压下，它们都是无色无味的单原子气体，很难进行化学反应，惰性气体气源从成本以及原料获取难易性等考虑优选为氦气源。人类指纹中的成分主要皮肤表面分泌腺的分泌物，以甘油、脂肪酸、醇类等有机物为主，这些油脂类有机物在膜层表面有一定的附着度，不易清理。因此本方案设计了一种基于微波电离的介质膜层表面污染清除系统，该系统是将样品仓整体基于氧气在微波下的电离过程产生氧原子和氧离子，对光学元件介质膜层表面指纹污染进行清除。原子氧是地球高层大气的主要成分，具有极强的氧化性，甚至高于氟气。原子氧对有机物有极强的分解作用，可以将有机物分解成CO、CO2、H2O等气体离开附着表面。在地面通过微波将氧气进行电离可以产生具有类似高氧化性的原子氧和离子氧，对膜层表面的指纹污染进行清洁。本方案是将氧气和氦气以一定比例，通过导管进入样品仓，在仓内样品周围形成特定的气体氛围。电离产生的原子氧、离子氧在惰性气体的保护下可以存在较长时间，使得其活性足，充分对样品表面的指纹污染物进行氧化清洁，清洁的效率大大提高；本方案是基于微波电离直接产生原子氧，在非物理接触条件下针对光学元件介质膜层表面指纹污染物的清除系统。将装置样品仓保持在一定真空度，使氧气在微波作用下发生电离产生原子氧和离子氧，并且在He气氛围的保护下和光学膜层表面的有机物发生作用，产生的CO、CO2、H2O以气体形式离开膜层表面，达到清洁作用，元件介质膜层则不和原子氧发生相互作用，保留优质的光学特性，同时真空机构产生的气流将清除过程中产生的杂物排出系统，不会造成二次污染，克服了现有技术中存在二次污染的可能性。可见，该系统是一种非接触式清洁系统，可以在不影响介质功能的情况下对膜层表面指纹污染进行有效清洁。
真空机构主要由真空泵、插板阀、真空规和真空计构成，并且通过波纹管同时与真空泵和样品仓内部连通，插板阀设置在波纹管和真空泵之间并同时与波纹管和真空泵连接，插板阀能够完全封闭波纹管的横截面，并且通过插板阀的开合对波纹管的开闭程度进行控制，将气压稳定在特定范围内，达到原子氧电离的最佳条件。真空规设置在真空泵和样品仓之间，且真空规与波纹管内部连接，真空规和真空计连接，将检测到的数据通过电信号传递出去，而且在样品仓中设置有上电极和下电极，上电极设置在下电极正上方，上电极和下电极之间设置有空隙，微波加载过程通过上电极和下电极完成，样品放置在上下电极之间，受清洁面朝上。上电极和下电极之间保持电隔离，上电极与微波源连接，且下电极与样品仓外部接地，在两个电极之间的样品膜层附近形成微波振荡。
气体流量控制系统包括流量阀一和流量阀二，流量阀一同时与氧气源和样品仓连接，流量阀二同时与惰性气体气源和样品仓连接。流量阀是用于控制氧气和惰性气体分别的注入速度，从而控制两种气体在仓内氛为中的含量比值，达到最适合氧气电离和原子氧保持的条件，在通气过程中流量阀一和流量阀二始终以设定的状态进行通气，保持系统中能够形成气流和稳定在设定的最佳气压范围。
波纹管与样品仓连接的端头设置有法兰，波纹管远离真空泵的一端穿过法兰与样品仓形成无缝连接，其密封性能好，配合真空机构将仓内气压维持在特定范围，使氧气在最优条件下电离。
样品仓是对光学镜片进行清洁的工作区域，由不锈钢制成，分为仓盖和托盘两部分。仓盖上部通过波纹管和真空机构连接，配合仓盖与托盘之间的橡胶垫设计，将样品仓维持在一定的真空度。上下两片铝制电极置于样品仓中，相互之间以及电极和样品仓之间均保持电绝缘。两片铝制电极分别连接微波源和接地，微波振荡在两片电极之间产生原子氧和离子氧。托盘有两个气体开口分别用于注入氧气和惰性气体，提供样品清洁所需的气体氛围。
基于微波电离的介质膜层表面污染清除方法，将待清除样品放置在样品仓的托盘中后关闭仓盖实现对样品仓的密封，打开真空泵将样品仓中的气体抽出后形成真空保持真空泵开启，从而避免其它杂质影响电离过程，打开氧气源和惰性气体气源，通过气体流量控制系统控制氧气以20至40 cm3/min的速度注入样品仓，同时惰性气体以110 至130cm3/min的速度注入样品仓，直到在样品仓中形成1.5×10-1 Pa～2.5×10-1 Pa的气压时保持气体流量控制系统开启，以这种速度范围通入，能够保证快速达到预定气压，同时对于设备的密封性和成本也在预设范围中，惰性气体优选氦气，此时样品仓中气体只含有氧气和氦气，从而在清除过程防止二次污染；再打开微波源，与微波源相连接的上下铝电极之间形成微波振荡，通过微波电离作用，将电极之间的氧气电离产生原子氧、离子氧，在氦气这种惰性气体氛围下对电极之间放置的光学镜片进行氧化清洁，消除指纹污染，由于氦气的保护，能够保持原子氧或离子氧的活性；在对污染物清除过程中，真空规对样品仓中气压进行检测，超过设定值时通过插板阀对样品仓内气压进行调控，使得清除过程样品仓中的气压保持在1.5×10-1 Pa～2.5×10-1 Pa范围内，在样品仓中形成恒定的气压范围，通过实验后总结，在1.5×10-1 Pa～2.5×10-1 Pa这个范围内对光学镜片进行氧化清洁时，是最适合微波电离产生原子氧和离子氧的环境，实现清洁的效率达到最高，通过插板阀与真空规连接控制，形成持续通气和排气，既保证了样品仓中气压的稳定性，也保持了气体成分的稳定性，将杂质快速清理排出，从而对于保持样品仓中气压的稳定性起到了关键性作用，也便于控制，能够快速进行样品仓中气体的更换，不会掺入其它杂质。
本方案是针对光学元件介质膜层表面指纹污染物的清除系统，其利用微波电离方法产生原子氧、离子氧，在惰性气体保护的氛围下对光学镜片表面膜层的指纹污染物进行清洁，清洁效率高，使得光学镜片表面干净，并且清洁时只产生气体，不会有残留物或者二次污染物沉积在光学元件介质膜层表面，产生的气体在持续通入的气流作用下排出系统，从而进一步防止残留产生，同时内部气压始终在最佳范围中，由于是采用非接触清洁，不会对膜层造成物理损伤，保证了膜层的完整性。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明对光学镜片进行非接触清洁，不会对膜层造成物理损伤，保护了膜层的安全；
2、本发明基于原子氧的强氧化作用，指纹污染最终转变为CO、CO2、H2O以气体形式离开膜层表面，清洁彻底且无残留，不会产生二次附着物残留在光学元件介质膜层表面；
3、本发明对光学镜片清洁的过程，以及生成物不涉及有毒有害排放物，操作过程安全可靠，而且不会产生二次污染。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-氧气源，2-气体流量控制系统，3-惰性气体气源，4-样品仓，5-微波源，6-真空泵，7-插板阀，8-真空计，9-波纹管，10-真空规。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例：
如图1所示，基于微波电离的介质膜层表面污染清除系统及其清除方法，包括样品仓4，所述样品仓4外部设置有微波源5、真空机构、气体流量控制系统2、氧气源1和氦气源，实际使用时氧气源1是通过氧气瓶来盛装，氦气源是通过氦气瓶来盛装，真空机构包括真空泵6、插板阀7、真空规10和真空计8，真空泵6连通有波纹管9，且波纹管9与样品仓4内部连通，真空泵6通过波纹管9对样品仓4进行抽取空气，插板阀7设置在波纹管9和真空泵6之间并同时与波纹管9和真空泵6连接，插板阀7的横截面大，其能够完全封闭波纹管9的横截面，并且通过插板阀7的开合对波纹管9的开闭程度进行控制，真空规10设置在真空泵6和样品仓4之间，且真空规10与波纹管9连接，真空规10检测波纹管9中空腔的真空度，并及时将信号传递到真空计8中进行显示，便于操作人员对状况的控制，样品仓4中设置有上电极和下电极，上电极设置在下电极正上方，上电极和下电极之间设置有空隙来保持电隔离，样品放置在上下电极之间，上电极与微波源5连接，且下电极与样品仓4外部连接形成接地，气体流量控制系统2包括流量阀一和流量阀二，流量阀一同时与氧气源1和样品仓4连接，流量阀二同时与氦气源和样品仓4连接，波纹管9与样品仓4连接的端头设置有法兰，波纹管9远离真空泵6的一端穿过法兰与样品仓4形成无缝连接。
真空机构用于控制样品仓4内的气压，使之达到并保持在最适合原子氧产生的压强，一般为1.5×10-1 Pa～2.5×10-1 Pa；气体流量控制系统2和氧气瓶及氦气瓶连接，氧气和氦气的气体注入速度分别控制在30 cm3/min和120 cm3/min。微波源输出功率一般控制在400 W，与微波源5相连接的上电极，和下电极之间形成微波电子振荡，将中间的氧气进行电离，产生原子氧和离子氧。原子氧和离子氧在He氛围的保护下具有较长寿命，对光学镜片表面的指纹污染物进行氧化反应，达到彻底清洁作用。
将光学镜片待清洁膜面朝上放置在下电极上。样品仓4上部通过波纹管9和真空机构连接，以一定速率将仓内气体抽出。样品仓下部和气体流量控制系统连接，通入一定比例和流速的氧气及氦气。真空系统和流量控制系统之间的配合，将样品仓内气体成分、气压控制在最适宜氧气电离的范围。当铝制电极连接微波源产生微波输出时，电极中间氧气发生电离产生原子氧和离子氧，在He气氛围保护下对指纹污染进行氧化清洁作用，生成物CO、CO2、H2O以气体形式离开样品表面，通过真空机构排出，在样品仓4或者光学镜片表面无残留，也没有其它二次污染物产生。样品仓4的仓盖和托盘之间采用橡胶垫进行密封，能够维持一定气压。上电极和下电极之间为电绝缘，分别连接微波源5和接地。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于微波电离的介质膜层表面污染清除系统，其特征在于，包括样品仓(4)，所述样品仓(4)外部设置有微波源(5)、真空机构、气体流量控制系统(2)、氧气源(1)和惰性气体气源(3)，氧气源(1)和惰性气体气源(3)均与气体流量控制系统(2)连接，微波源(5)、真空机构和气体流量控制系统(2)均与样品仓(4)内部连通；所述真空机构包括真空泵(6)、插板阀(7)、真空计(8)和真空规(10)，真空泵(6)连通有波纹管(9)，且波纹管(9)与样品仓(4)内部连通，插板阀(7)设置在波纹管(9)和真空泵(6)之间并同时与波纹管(9)和真空泵(6)连接，并且通过插板阀(7)的开合对波纹管(9)内部的开闭程度进行控制，真空规(10)设置在真空泵(6)和样品仓(4)之间，且真空规(10)的一端设置在波纹管(9)中，真空规(10)与真空计(8)连接，且插板阀(7)与真空规(10)连接；所述惰性气体气源(3)为氦气源。
2.根据权利要求1所述的基于微波电离的介质膜层表面污染清除系统，其特征在于，所述样品仓(4)中设置有上电极和下电极，上电极设置在下电极正上方，上电极和下电极之间设置有空隙，上电极与微波源(5)连接，且下电极与样品仓(4)外部接地。
3.根据权利要求2所述的基于微波电离的介质膜层表面污染清除系统，其特征在于，所述气体流量控制系统(2)包括流量阀一和流量阀二，流量阀一同时与氧气源(1)和样品仓(4)连接，流量阀二同时与惰性气体气源(3)和样品仓(4)连接。
4.根据权利要求1所述的基于微波电离的介质膜层表面污染清除系统，其特征在于，所述波纹管(9)与样品仓(4)连接的端头设置有法兰，波纹管(9)远离真空泵(6)的一端穿过法兰与样品仓(4)形成无缝连接。
5.基于微波电离的介质膜层表面污染清除方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将待清除样品放置在样品仓(4)中，打开真空泵(6)将样品仓(4)中气体抽出后保持真空泵(6)继续开启，打开氧气源(1)和惰性气体气源(3)，通过气体流量控制系统(2)控制氧气以20至40cm3/min的速度注入样品仓(4)，惰性气体以110至130cm3/min的速度注入样品仓(4)，直到在样品仓(4)中形成1.5×10-1Pa～2.5×10-1Pa的气压时保持气体流量控制系统(2)开启；
(2)再打开微波源(5)，与微波源(5)相连接的上下铝电极之间形成微波振荡，通过微波电离作用，将电极之间的氧气电离产生原子氧、离子氧，在惰性气体氛围下对电极之间放置的光学镜片进行氧化清洁，消除指纹污染；
(3)在步骤(2)的清除过程中，真空规(10)对样品仓(4)中气压进行检测，超过设定值时通过插板阀(7)对样品仓(4)内气压进行调控，使得清除过程样品仓(4)中的气压保持在1.5×10-1Pa～2.5×10-1Pa范围内。
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