CN107481959B - 光学元件超声刻蚀装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学元件超声刻蚀装置,刻蚀液存贮箱通过输液导管与刻蚀液循环槽相连,刻蚀液循环槽和刻蚀反应槽由隔板隔开,刻蚀液循环槽与刻蚀反应槽之间通过两根循环导管相连,且循环导管上均设有微型循环泵;刻蚀反应槽底部安有超声波发生器;温度传感器置于刻蚀反应槽内并与溶液接触,温度传感器连接微控制器,微控制器输出端分别连接第一电机和第二电机,两个电机分别控制各自的微型循环泵的运行;多功能夹具置于刻蚀反应槽中上部,多功能夹具侧面通过夹具导向条与刻蚀反应槽内隔板的内隔板导向槽配合连接。该装置结构简单、操作方便,确保超声刻蚀过程中溶液温度的恒定和溶液的密封性,可有效提升光学元件超声刻蚀实验的稳定性和安全性。

Description

光学元件超声刻蚀装置
技术领域
本发明涉及一种超声刻蚀装置,尤其是一种光学元件超声刻蚀装置,属于光学元件超声刻蚀技术领域。
背景技术
在激光聚变装置中,光学元件的激光损伤已成为限制高能激光系统输出功率和使用寿命的主要“瓶颈”。见王洪祥沈璐,李成福,白桦,周岩.光学元件激光诱导损伤分析及实验研究[J].中国激光,2017,44(3):0302006。研究表明,光学元件在抛光加工中引入的金属杂质和亚表面缺陷是诱发元件激光损伤的主要因素,化学刻蚀技术由于其能够溶解元件表面富含吸收性杂质的水解层,同时去除元件表面/亚表面划痕和微裂纹等缺陷,已成为消除激光损伤诱因的一种常用方法。如袁志刚,李亚国,陈贤华,徐曦,赵世杰,周炼.光学元件改性处理对激光损伤阈值的影响[J].光学精密工程,2016,24(12):2956-2961。此外,在化学刻蚀过程中引入超声波能够(1)加快刻蚀液的运动,达到溶液搅拌的作用,从而促进杂质和亚表面缺陷的去除效率;(2)提高反应生成物的传输速率,减少刻蚀反应物的沉积和附着。因此,超声刻蚀能够更加有效地去除元件表面杂质和表面/亚表面缺陷等损伤诱因,已成为提高光学元件抗激光损伤能力的一种关键技术。如赵东峰,邬融,林尊琪,邵平,朱健强.超声波辅助酸蚀提高熔石英损伤阈值[J].强激光与粒子束,2015,27(1):012001。但是,在光学元件超声刻蚀过程中,由于超声波发生器振子工作时产生热量,将会导致刻蚀溶液温度上升,若刻蚀时间较长,刻蚀溶液温度可能升至数十度的高温,这样的高温严重影响了元件刻蚀反应的稳定性。此外,由于光学元件刻蚀液主要为氢氟酸溶液,氢氟酸是一种易挥发、无色、有味的有毒气体,高温状态下有可能增强溶液的挥发,增加实验的危险性。另外,现有的超声刻蚀设备往往对刻蚀溶液的密封性较为忽视,刻蚀反应前后都有可能让实验者接触到挥发出的氢氟酸,不利于实验者的人身健康和安全。因此,需要一种光学元件超声刻蚀装置,实时控制刻蚀液温度,保证在光学元件超声刻蚀过程中溶液温度稳定且密封性良好。该装置结构简单,便于操作,可有效提高超声刻蚀实验的稳定性和安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学元件超声刻蚀装置,实现在光学元件超声刻蚀的整个过程中,实时控制刻蚀液温度并保证刻蚀溶液的密封性,提供稳定、安全的超声刻蚀环境。
本发明的技术方案是:一种光学元件超声刻蚀装置,包括刻蚀液存贮箱、刻蚀液循环槽、刻蚀反应槽、输液导管、输液开关、支架、底座、控制键盘、温度显示器、微控制器、隔板、微型循环泵、超声波发生器、温度传感器、第一电机、第二电机、多功能夹具以及存储在刻蚀液存贮箱、刻蚀液循环槽和刻蚀反应槽内的刻蚀溶液,其特征在于:所述刻蚀液存贮箱通过输液导管与刻蚀液循环槽相连,输液导管上设有输液开关;控制键盘、温度显示器和微控制器均安装在支架上,支架设于底座上,刻蚀液循环槽和刻蚀反应槽置于支架正下方且呈左右放置,刻蚀液循环槽和刻蚀反应槽之间通过隔板隔开,隔板底部设有一个连通口,连通口由槽外安置的连通开关控制其开闭状态;刻蚀液循环槽与刻蚀反应槽之间由两根循环导管相连,且循环导管上均设有微型循环泵;刻蚀反应槽底部安有超声波发生器,超声波发生器与控制键盘连接;温度传感器置于刻蚀反应槽内并与溶液接触,温度显示器与温度传感器电连接,温度传感器信号输出端连接微控制器信号输入端,微控制器输出端分别连接第一电机和第二电机,第一电机和第二电机分别控制各自的微型循环泵的运行;刻蚀反应槽底部设有排液导管,排液导管中部设有排液开关;刻蚀反应槽中上部四面设有刻蚀反应槽内隔板,刻蚀反应槽内隔板上设有竖直方向的内隔板导向槽;所述多功能夹具置于刻蚀反应槽中上部,多功能夹具侧面通过夹具导向条-与刻蚀反应槽内隔板的内隔板导向槽配合连接。
所述多功能夹具从上到下依次分为三层,第一层为夹具上盖板,第二层设有光学元件置放槽,第三层为夹具下盖板,所述光学元件置放槽内放置待刻蚀光学元件置,夹具上盖板和夹具下盖板与刻蚀反应槽的内隔板紧密配合,刻蚀反应过程中沿刻蚀反应槽内隔板的内隔板导向槽向下或向上推拉多功能夹具,实现光学元件置与刻蚀溶液的完全接触或分离。
所述温度传感器测量刻蚀反应槽内刻蚀溶液的实时温度,将测得数据与所需温度进行对比后将信号输入微控制器,由微控制器控制微型循环泵运作,将刻蚀反应槽和刻蚀液循环槽内的刻蚀溶液通过循环导管进行循环交换,并且循环导管中段外围包裹有吸热降温物质,实现对刻蚀溶液温度的有效控制。
本发明的有益效果是:
本发明操作方便,结构合理,能够提高光学元件超声刻蚀实验的稳定性和安全性。此外,本发明也同样适用于光学元件超声清洗过程中,只需要将溶液由刻蚀液更换为超纯水即可。能确保超声刻蚀过程中溶液温度的恒定和溶液的密封性,可有效提升光学元件超声刻蚀实验的稳定性和安全性。
附图说明
图1为本发明的光学元件超声刻蚀装置整体结构示意图;
图2为本发明的多功能夹具与内隔板配合示意图;
图中部件的代号:
1—刻蚀液存贮箱、2—刻蚀液循环槽、3—刻蚀反应槽、4—刻蚀溶液、5—密封盖板、6—输液导管、7—输液开关、8—支架、9—底座、10—控制键盘、11—温度显示器、12—微控制器、13—隔板、14—连通口、15—连通开关、16—循环导管(C1-C2)、17—吸热降温物质、18—微型循环泵(P1-P2)、19—超声波发生器、20—温度传感器、21—第一电机、22—第二电机、23—排液导管、24—排液开关、25—多功能夹具、25-1—夹具上盖板、25-2—光学元件置放槽、25-3—夹具下盖板、25-4—夹具导向条、26—刻蚀反应槽内隔板、27—内隔板导向槽、28—光学元件、29—导线。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示,本发明的光学元件超声刻蚀装置,主要由刻蚀液存贮箱1、刻蚀液循环槽2、刻蚀反应槽3、密封盖板5、输液导管6、输液开关7、支架8、底座9、控制键盘10、温度显示器11、微控制器12、隔板13、微型循环泵18、超声波发生器19、温度传感器20、第一电机21、第二电机22和多功能夹具25等组成。刻蚀液存贮箱1、刻蚀液循环槽2、刻蚀反应槽3用于存储刻蚀溶液4,刻蚀液存贮箱1通过输液导管6与刻蚀液循环槽2相连,输液导管6上设有输液开关7;控制键盘10、温度显示器11和微控制器12均安装在支架8上,支架8设于底座9上,刻蚀液循环槽2和刻蚀反应槽3置于支架8正下方且呈左右放置,二者通过隔板13隔开,隔板13底部设有一个连通口14,连通口14由槽外安置的连通开关15控制其开闭状态;两槽之间由两根循环导管16相连,循环导管16中段外围包裹有吸热降温物质17,且循环导管16上均设有微型循环泵18;刻蚀反应槽3底部安有超声波发生器19,超声波发生器19与控制键盘10连接;温度传感器20置于刻蚀反应槽3内并与溶液接触,温度显示器11与温度传感器20电连接,温度传感器20信号输出端接微控制器12信号输入端,微控制器12输出端分别接第一电机21和第二电机22,电机分别控制微型循环泵18的运行;刻蚀反应槽3底部设有排液导管23,排液导管23中部设有排液开关24;刻蚀反应槽3中上部四面设有刻蚀反应槽内隔板26,刻蚀反应槽内隔板26上设有竖直方向的内隔板导向槽27;多功能夹具25置于刻蚀反应槽3中上部,多功能夹具25侧面设有夹具导向条25-4,与刻蚀反应槽内隔板26的内隔板导向槽27配合接触。
光学元件,例如熔石英、BK7元件的刻蚀溶液的主要成分为氢氟酸,氢氟酸是一种易挥发、无色、有味的有毒液体。氢氟酸溶液易与光学元件中的二氧化硅发生化学反应,具有强腐蚀性,因此,本发明中所有与刻蚀溶液直接接触的部件均为耐腐蚀的聚四氟乙烯材质,包括刻蚀液存贮箱、刻蚀液循环槽、刻蚀反应槽、导管、隔板、密封盖板、多功能夹具等,光学元件的超声刻蚀反应在刻蚀反应槽内进行。
如图1所示,刻蚀液存贮箱1用于存放并提供刻蚀实验所需的刻蚀溶液4,初始状态下,刻蚀液循环槽2和刻蚀反应槽3内并无刻蚀溶液。输液开关7、连通开关15和排液开关24处于常闭状态。刻蚀实验开始前,打开输液开关7和连通开关15,刻蚀液存贮箱1中的刻蚀溶液4将会通过输液导管6流入刻蚀液循环槽2中,同时,刻蚀溶液4经由隔板13底部的连通口14流入刻蚀反应槽3中。当刻蚀液循环槽2和刻蚀反应槽3溶液达到实验所需体积后,关闭输液开关7和连通开关15。此时,多功能夹具25位于刻蚀反应槽3的中上部,光学元件28并未与刻蚀溶液接触。按动控制键盘10,启动刻蚀反应装置电控系统并设置所需的刻蚀溶液温度T。开启刻蚀反应槽3底部的超声波发生器19,随着超声波发生器19振子的振动,刻蚀反应槽3内的溶液温度将会逐渐上升,槽内刻蚀液温度由温度传感器20实时检测并显示在温度显示器11上。当刻蚀反应槽3内溶液温度上升至设置温度T后,向下推动多功能夹具25,使其上盖板25-1与刻蚀反应槽内隔板26配合,此时,光学元件28与刻蚀液充分接触,超声刻蚀反应开始。温度传感器20一旦测试到刻蚀反应槽3内刻蚀液温度高于所设置温度T时,将触发微控制器12,此时,第一电机21和第二电机22分别驱动微型水泵18(P1和P2)工作(工作时间最短为1min),微型水泵P1将刻蚀循环槽2内未升温的刻蚀液通过循环导管16(C1)导入刻蚀反应槽3内,同时,微型水泵P2将刻蚀反应槽3内经超声加热的刻蚀液通过循环导管16(C2)导入刻蚀循环槽2内。循环导管16外均包裹有吸热降温物质17,在微型循环泵18的热交换作用以及吸热降温物质17的综合作用下,能够保证刻蚀溶液在整个实验过程中都维持在所设置的温度T。当刻蚀实验完成后,按动控制键盘10,关闭超声发生器19和反应装置电控系统。同时,向上拉动多功能夹具25,使光学元件28脱离刻蚀液并移出刻蚀反应槽3上端面,依次取出光学元件28,刻蚀反应结束。多功能夹具25的具体实施方式见后文。由于本装置中刻蚀溶液密封性良好,单次刻蚀实验完成后,溶液可以存储于刻蚀循环槽2和刻蚀反应槽3内,以便后续实验的继续使用,达到了重复使用、节约溶液的作用。刻蚀溶液使用一定的周期后,当需要更换新的溶液时,开启排液开关24和连通开关15,让刻蚀液循环槽2和刻蚀反应槽3内的废液通过排液导管23排出装置。下次实验开始时,循环上述实验过程。
如图2所示,为多功能夹具25与刻蚀反应槽内隔板26的配合示意图,光学元件28置于光学元件置放槽25-2内,夹具侧面导向条25-4与内隔板导向槽27配合。在刻蚀反应开始时,沿内隔板导向槽27向下推送夹具25,使得光学元件28与刻蚀液4充分接触,此时夹具上盖板25-1四周与内隔板26紧密接触,保证刻蚀过程溶液的密封性。刻蚀反应完成后,沿内隔板导向槽27向上提拉夹具25,使得光学元件28与刻蚀液4完全分离并高于刻蚀反应槽3上端面,此时能够方便地取出已刻蚀元件(图2所示位置),此时夹具下盖板25-3四周与内隔板26紧密接触,始终能够保证刻蚀溶液的密封性。

Claims (3)

1.一种光学元件超声刻蚀装置,包括刻蚀液存贮箱(1)、刻蚀液循环槽(2)、刻蚀反应槽(3)、输液导管(6)、输液开关(7)、支架(8)、底座(9)、控制键盘(10)、温度显示器(11)、微控制器(12)、隔板(13)、微型循环泵(18)、超声波发生器(19)、温度传感器(20)、第一电机(21)、第二电机(22)、多功能夹具(25)以及存储在刻蚀液存贮箱(1)、刻蚀液循环槽(2)和刻蚀反应槽(3)内的刻蚀溶液(4),其特征在于:所述刻蚀液存贮箱(1)通过输液导管(6)与刻蚀液循环槽(2)相连,输液导管(6)上设有输液开关(7);控制键盘(10)、温度显示器(11)和微控制器(12)均安装在支架(8)上,支架(8)设于底座(9)上,刻蚀液循环槽(2)和刻蚀反应槽(3)置于支架(8)正下方且呈左右放置,刻蚀液循环槽(2)和刻蚀反应槽(3)之间由隔板(13)隔开,隔板(13)底部设有一个连通口(14),连通口(14)由槽外安置的连通开关(15)控制其开闭状态;刻蚀液循环槽(2)与刻蚀反应槽(3)之间由两根循环导管(16)相连,且循环导管(16)上均设有微型循环泵(18);刻蚀反应槽(3)底部安有超声波发生器(19),超声波发生器(19)与控制键盘(10)连接;温度传感器(20)置于刻蚀反应槽(3)内并与刻蚀溶液(4)接触,温度显示器(11)与温度传感器(20)电连接,温度传感器(20)信号输出端连接微控制器(12)信号输入端,微控制器(12)输出端分别连接第一电机(21)和第二电机(22),第一电机(21)和第二电机(22)分别控制各自的微型循环泵(18)的运行;刻蚀反应槽(3)底部设有排液导管(23),排液导管(23)中部设有排液开关(24);刻蚀反应槽(3)中上部四面设有刻蚀反应槽内隔板(26),刻蚀反应槽内隔板(26)上设有竖直方向的内隔板导向槽(27);所述多功能夹具(25)置于刻蚀反应槽(3)中上部,多功能夹具(25)侧面通过夹具导向条(25-4)与刻蚀反应槽内隔板(26)的内隔板导向槽(27)配合连接。
2.根据权利要求1所述的光学元件超声刻蚀装置,其特征在于:所述多功能夹具(25)从上到下依次分为三层,第一层为夹具上盖板(25-1),第二层设有光学元件置放槽(25-2),第三层为夹具下盖板(25-3),所述光学元件置放槽(25-2)内放置待刻蚀光学元件(28),夹具上盖板(25-1)和夹具下盖板(25-3)与刻蚀反应槽内隔板(26)紧密配合,刻蚀反应过程中沿刻蚀反应槽内隔板(26)的内隔板导向槽(27)向下推动或向上拉动多功能夹具(25),实现光学元件(28)与刻蚀溶液(4)的完全接触或分离。
3.根据权利要求1或2所述的光学元件超声刻蚀装置,其特征在于,所述温度传感器(20)测量刻蚀反应槽(3)内刻蚀溶液(4)的实时温度,将测得数据与所需温度进行对比后将信号输入微控制器(12),由微控制器(12)控制微型循环泵(18)运作,将刻蚀反应槽(3)和刻蚀液循环槽(2)内的刻蚀溶液(4)通过循环导管(16)进行循环交换,并且循环导管(16)中段外围包裹有吸热降温物质(17),实现对刻蚀溶液温度的有效控制。
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