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大口径石英元件精密清洗工艺

[导读]本文采用酸蚀刻结合超声波清洗的方式对石英元件表面进行精密洁净清洗,利用光学显微镜观测了英元件清洗前后的表面状态,利用暗场成像系统监测了元件整体清洗情况,利用表面颗粒计数器、接触角测量仪、荧光光谱仪和红外光谱仪检验了元件清洗效果,通过实验研究,对石英元件精密清洗工艺进行了定型。

石英元件生产过程中引起的表面和亚表面缺陷是造成激光损伤的主要诱因,美国劳伦斯利弗莫尔实验室研究了一整套表面处理方法来解决这些缺陷带来的负面影响,并总结出化学蚀刻法是最有效的手段之一。湿化学蚀刻的概念起源于 20 世纪七十年代,该技术发展至今,已应用在光学元件表面处理工艺中,但国内在这方面的研究仍然非常缺乏,还处于起步阶段。


超声波的作用机理是当超声在液体介质中传播时会产生正负交变的声压,形成射流,同时由于非线性效应会产生声流和微声流,而超声空化在固体和液体界面也会产生高速的微射流,所有这些作用都能够破坏污染物,除去或削弱边界污层,增加搅拌、扩散作用,加速可溶性填充物的溶解和非溶解性微粒的脱落,强化液体的清洗作用。因此超声波的机械效应,加上热效应和空化效应可以有效的加剧蚀刻反应,极大的缩短反应时间,更为重要的是可以清除石英基片表面及微观结构内部的填充物。


石英元件表面颗粒数利用表面颗粒计数器进行检测。在清洗之前元件表面附着各种尺寸的颗粒物。经过酸蚀刻这一步骤后,大于 10 μm 的颗粒物被完全去除,小尺寸颗粒物数量也大大减少。40 kHz 的低频超声波可以进一步减少元件表面颗粒物,并且可以完全去除大于 5 μm 的颗粒,然而小于 5 μm 的颗粒仍然没有有效去除。经过 170 kHz 的超声清洗后,大于 1 μm 的颗粒已经被完全去除。对于小于 1 μm 的颗粒,即使经过 270 kHz 的超声清洗仍然有少量残余。超声波频率与适合清洗的颗粒尺寸有对应关系。低的超声频率适合清洗大尺寸的颗粒,但对小尺寸颗粒无法有效清除,必须使用高频超声波来去除小尺寸颗粒。光学元件表面存在各种尺寸的颗粒物,只使用单一频率的超声波无法覆盖所有的颗粒物,因此必须使用多种超声频率联合作用。预清洗之后得到光滑的表面,经过酸蚀刻,缺陷中的颗粒物充分暴露出来,经过不同频率超声波漂洗后,不同尺寸的颗粒逐渐被洗出,最终得到干净的石英元件。




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