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Convergent Polieren: Eine einfache und schnelle, Schmalrandpolierprozess der Hochwertiges optisches Wohnungen & Spheres

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DOI:

10.3791/51965

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1. Dezember 2014

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1Lasers, Optics, & Targets for the National Ignition Facility, Lawrence Livermore National Laboratory

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Ein neuartiges optisches Polierverfahren, genannt "Konvergentes Polieren", das schnelleres, kostengünstigeres Polieren ermöglicht, wird beschrieben. Im Gegensatz zu herkömmlichen Polierverfahren ermöglicht das konvergente Polieren das Polieren eines Glaswerkstücks in einer einzigen Iteration und mit hoher Oberflächenqualität bis zu seiner endgültigen Oberflächenzahl, ohne dass Änderungen der Polierparameter erforderlich sind.

Zusammenfassung

Convergent Polieren ist eine neue Poliersystem und ein Verfahren zur Veredelung flacher und sphärischer Glasoptik in dem ein Werkstück unabhängig von seiner ursprünglichen Form (dh Oberfläche Abbildung), werden bis zur endgültigen Oberflächenfigur mit exzellenter Oberflächenqualität unter einer festen, unveränderlichen Satz konvergieren Polierparameter in einer einzigen Polier Iteration. Im Gegensatz dazu herkömmliche voller Öffnung Polierverfahren benötigen mehrere, oft lang, iterativen Zyklen mit Polieren, Messtechnik und Prozessänderungen, um die gewünschte Oberflächenfigur zu erreichen. Die konvergente Poliervorgang basiert auf dem Konzept der Werkstück-Rundenhöhe Missverhältnis, was zu Druckdifferenz, die mit der Entfernung und führt zu dem Werkstück zusammenlaufen, um die Form der Runde sinkt basiert. Die erfolgreiche Durchführung der Convergent Polierverfahren ist ein Ergebnis der Kombination einer Anzahl von Technologien, alle Quellen von ungleichmäßigen räumlichen Materialabtrag (außer Werkstück-Runde zu entfernenMismatch) für Oberflächen mit Konvergenz und um die Anzahl der Schurken Teilchen im System für geringe Kratzdichten und geringe Rauigkeit zu reduzieren. Die konvergente Polierprozess ist für die Herstellung der beiden Wohnungen und Kugeln in verschiedenen Formen, Größen und Seitenverhältnissen auf verschiedenen Glasmaterialien nachgewiesen. Die praktischen Auswirkungen ist, dass qualitativ hochwertige optische Komponenten können schneller mehr wiederholt hergestellt werden, mit weniger Messtechnik, und mit weniger Arbeit, was zu geringeren Stückkosten. In dieser Studie wird die Convergent Polieren Protokoll speziell für die Herstellung von 26,5 cm im Quadrat zu einem poliert ~ λ / 2 Oberflächenfigur nach dem Polieren von 4 Stunden pro Fläche auf einem 81 cm Durchmesser Polier Quarzglas Wohnungen von einem feinen Bodenoberfläche beschrieben.

Einleitung

Die wichtigsten Schritte in einem typischen optischen Herstellungsprozess gehören Formung, Schleifen, Polieren voller Öffnung, und manchmal kleine Werkzeugpolier 1-3. Mit zunehmender Nachfrage nach qualitativ hochwertigen optischen Komponenten für die Bildgebung und Lasersysteme, gab es bedeutende Fortschritte in der optischen Fertigung in den letzten Jahrzehnten. Zum Beispiel, Präzision, ist deterministisch Materialabtrag möglich bei der Formgebung und Schleifprozesse mit Fortschritten in der Computer Numerical Controlled (CNC) Glasformmaschinen. Ebenso kleines Tool Polieren Technologien (zB computergesteuerte optische Oberflächen (CCOS), Ionen herauszufinden, und magneto-rheologischen Endbearbeitung (MRF)) haben, um determinis Materialabtrag und Oberflächen mit Kontroll-LED, so stark beeinflussen die optische Fertigungsindustrie. Doch der Zwischenschritt des Fertigungsprozesses, voller Öffnung Polieren, fehlt immer noch hohen Determinismus erfordern in der Regel Fach opticians für die Durchführung mehrerer, oft lang, iterativen Zyklen mit mehreren Prozessänderungen auf die gewünschte Oberfläche Abbildung 1-3 zu erreichen.

Die große Anzahl von Polierverfahren, Prozessvariablen und die komplexen chemischen und mechanischen Wechselwirkungen zwischen dem Werkstück, Runden- und Gülle 4.3 machen es schwierig, optische Polieren von einer "Kunst" zu einer Wissenschaft zu verwandeln. Deterministische voller Öffnung Polieren erreichen, muss die Abtragsleistung gut verstanden werden. Historisch gesehen hat Abtragsleistung durch die weit verbreitete Preston Gleichung 5 beschrieben worden

figure-introduction-1 (1)

wo dh / dt ist die durchschnittliche Dicke Abtragsleistung ist, k p die Preston Konstante σ o ISder ausgeübte Druck und V r der durchschnittliche Relativgeschwindigkeit zwischen dem Werkstück und dem Schoß. Abbildung 1 zeigt schematisch die physikalischen Konzepte, die Abtragsleistung beeinflussen, wie beschrieben, die Preston-Gleichung, einschließlich räumlichen und zeitlichen Schwankungen in Geschwindigkeit und Druck, Unterschiede zwischen den aufgebrachten Druck und die Druckverteilung, die der Werkstück Erfahrungen und Reibungseffekte 8.6. Insbesondere wird die tatsächliche Druckverteilung durch das Werkstück erfahrene durch eine Reihe von Phänomenen, die stark beeinflussen resultierende Oberfläche Gestalt des Werkstücks (an anderer Stelle ausführlich beschrieben 6-8) geregelt. Auch in der Preston-Gleichung, die mikroskopische und molekularNiveauEffekte weitgehend in die makroskopische Preston Konstante (k p), welche die Gesamt Abtragsleistung Mikrorauhigkeit und sogar Kratzer an dem Werkstück beeinflußt gefaltet. Verschiedene Studien haben Prestons Modell erweitert, um Konto zur mikroskopischen Partikelschlamm-pad-Werkstück-Interaktionen zu erklären, Abtragsleistung und Mikrorauhigkeit 9-16.

Deterministische Kontrolle der Oberflächenfigur bei voller Öffnung Polieren zu erreichen, jede der oben beschriebenen Phänomene verstanden werden muss, quantifiziert und gesteuert. Die Strategie hinter Convergent Polieren zu beseitigen oder die unerwünschten Ursachen ungleichmäßigen Abtrag minimieren, entweder durch technische Polierer Entwurf oder durch Prozesssteuerung, so dass das Entfernen nur von dem Werkstück-Lap Fehlanpassung aufgrund der Werkstückform angetrieben 7,17- 18. 2 zeigt, wie Werkstückform, um die Konvergenz auf der Basis des Werkstück-Lap Mismatch Konzept führen. Stellen Sie sich eine flache Schoß und eine hypothetische Werkstück von oben links gezeigt komplexe Form. Die Schnittstelle Höhenübereinstimmung (die als die Lücke & Dgr; h oL genannt) beeinflusst die Schnittstelle Druckverteilung (σ) als:

Inhalt "fo: keep-together.within-page =" always "> figure-introduction-2 (2)

wobei H eine Konstante beschreibt die Geschwindigkeit, mit der der Druck nimmt mit einer Zunahme der Spalt & Delta; h oL 6. In diesem Beispiel hat das Werkstück die höchste lokale Druck in der Mitte (siehe unten links in 2), und damit diese Stelle die höchste anfängliche Abtrag während des Polierens zu beobachten. Als Material entfernt wird, wird die Druckdifferenz über das Werkstück zu einer Abnahme in dem Werkstück-Lap Fehlanpassung zu verringern durch, und das Werkstück wird an die Form des Überlappungs konvergieren. Bei der Konvergenz, dem Werkstück Druckverteilung und damit Materialentfernung wird über das Werkstück gleichmäßig sein (siehe rechte Seite der Abbildung 2). Dieses Beispiel ist für eine flache Runde dargestellt, however gilt das gleiche Konzept für ein Kugelrunde (entweder konkav oder konvex). Auch hier funktioniert diese Konvergenzprozess nur dann, wenn alle anderen Phänomene beeinflussen räumliche Material Ungleichmäßigkeit wurden eliminiert. Die spezifische Verfahrenstechnik und Minderungen in der Convergent Polieren Protokoll implementiert werden in der Diskussion beschrieben.

Die in der folgenden Studie beschriebenen Protokoll ist die konvergente Polierprozess, der speziell für eine 26,5 cm im Quadrat Quarzglas Werkstück ausgehend von einem fein geschliffenen Oberfläche. In 8 Stunden Polieren (4 Stunden / Oberfläche), kann dieses Werkstück eine Flachheit der polierten ~ λ / 2 mit einer sehr hohen Oberflächenqualität (dh geringe Kratzdichte) zu erzielen.

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Protokoll

1. Vorbereitung der Polierer und Gülle

Bereiten Sie zuerst die Convergent Poliersystem (genauer gesagt mit dem Namen C onvergent, ich nitial Oberflächen Independent, S ingle Iteration, R ogue partikelfreie Polierer oder CISR (ausgesprochen 'Schere')) 7,17 durch die Installation des Pad & Septum, Anlage das Pad, Verdünnen und chemischen Stabilisierung der Aufschlämmung und Einbeziehung der Aufschlämmung innerhalb des Filtrationssystems.

  1. Auf der CISR Polierer, sich ein Polyurethan-Pad auf den Granit Runde Basis. Halten Sie Pad eine Kante zuerst und Druck in Richtung auf die gegenüberliegende Kante Luftspalte zu minimieren. Schneiden Sie die überstehenden Unterlage und verwenden Sie dann eine Rasierklinge und Rollendurchstoßen und Luftblasen entfernen, wenn nötig.
  2. Bei der ersten Inbetriebnahme und nach jeder ~ 100 hr von Polieren, Diamant Zustand des Pads unter Verwendung eines CMP Diamantkonditionierer (50 mm Durchmesser, 0,6 psi aufgebrachte Druck, 5 min Verweilzeit an jeder radialen Runde Lage mit Abstand 25 mm-Schritten; Runde Dreh 25 rpm) mit fließenden DI-Wasser.
  3. Zwischen Polieren Iterationen, entfernen Sie alle Restschlamm und Glaswaren aus dem Pad mit einem in-situ-Ultraschall-Reiniger (~ 2 min Verweilzeit an jeder radialen Position; Runde Dreh 5 rpm) mit fließenden DI-Wasser.
  4. Auf der einzigartig geformten Septum Gewicht, sich Doppelklebeband und dann das Septum Material (zB Pre-Cut Glas oder anderen verschleißfreie Material). Schneiden Sie überhängende Schaumstoffband, um die Form der Nasenscheidewand Material und Gewicht entsprechen. Notieren Sie sich die Scheidewand-Design (beide Form und Gewicht) ändert für verschiedene Größen des Werkstücks und Runden 7,17.
  5. Bereiten Polieraufschlämmung Baume 4 Konzentration (genauer Mischungsvolumen ~ 1 Teil Ceroxid Polieraufschlämmung und ~ 9 Teile entionisiertes (DI) Wasser in einem 11 L bucket). Überprüfen Baume mit einem Baume Schwimmer. Hinzufügen ~ 5 ml KOH (10 M) auf pH-Wert auf 9,5 einzustellen, und fügen ~ 120 ml (1 Vol%) des proprietären Tensid 19. Nachstellen pH und Baume alle 24 Stunden des Polierens.
  6. Installieren Eimer mit der hergestellten Aufschlämmung in Filtersystem. Dann die gewünschten CMP Partikelfilter zu installieren in Filtersystem. Lassen Aufschlämmung Rezirkulat im Filtrationssystem für mehrere Stunden.
  7. Messen Sie Partikelgrößenverteilung von Gülle (zB mit Einzelpartikel optische Messtechniken), um das hintere Ende der Verteilung zu gewährleisten ist ausreichend Schurkenpartikelfrei 9,20.

2. Herstellung von Werkstück (Radierung und Blocking)

Vor dem Polieren chemisch zu ätzen, die, wie er erhalten feingeschliffenen Werkstück, um die Menge der Materialentfernung benötigt, um den Untergrund Schleifen Schäden 21 entfernen zu reduzieren. Dann blockieren die Werkstück (wenn das Seitenverhältnis (dh Länge / Dicke)> 10) unter Verwendung eines neuen Pitch-Taste Sperr (PBB) Technik, um das Werkstück während der Sperrung und Polieren 22 Biegen zu verhindern.

  1. Ätzen der feingeschliffenen Werkstücks (insbesondere eine 265 x 265 x 8 mm 3 Quarzglas flach) in einem Behälter mit HF gefüllt: NH 4 F (6: 1 gepufferten Oxidätzung (BOE) 3x verdünnt mit DI-Wasser) für 6 Stunden entfernt 10 & mgr; m von Glas von der Oberfläche des Werkstücks. VORSICHT! BOE ist extrem gefährlich; Tragen Sie geeignete Schutzausrüstung (PSA). Entfernen Sie Werkstück von Ätztank und das Werkstück mit VE-Wasser spülen aggressiv und lassen Sie das Werkstück in die Luft vertikal trocknen.
  2. Untersuchen Sie das Werkstück für tiefe Beschädigungen während des Schleifvorgangs mit einem hellen Licht Inspektion in einem dunklen Raum. Wenn keine tiefen Schäden festgestellt werden, mit dem nächsten Schritt fortfahren, sonst schicken Werkstück zurück zum Nachschleifen.
  3. Heizen Sie blockieren Abstand in einer Klebepistole, um ~ 95 ° C und Ort Tröpfchen (auch als Tasten) der Tonhöhe (~ 0,06 g) auf das Gesicht derPrägeplatte in einem 9 x 9-Array (81 Tasten mit 26 mm Abstand). Für unterschiedlich große Werkstücke, siehe Regeln für die ideale Anzahl, Größe und Abstände der Pitch-Taste 22 zu entwerfen. Legen Sie die blockierende Platte mit dem aufgebrachten Tasten Seite nach oben in den vorgeheizten Ofen bei 70 ºC.
  4. Das Band auf der Seite des Werkstücks, die nicht poliert werden sollen. Vermeiden Sie die Erzeugung von Luftblasen oder übermäßig das Band dehnen.
  5. Legen Sie das Werkstück mit der Bandseite nach unten, auf Tasten auf der Sperrplatte in den Ofen. Decken Sie die Werkstück-Tasten-Block, um konvektive Strömung zu minimieren. Nach 1,5 Stunden, eingestellt Ofen auf Raumtemperatur abkühlen 10 ºC / h. Nach dem Erkalten sollen die Tonhöhenstärke am Werkstück blockiert ~ 1 mm.

3. Konvergente Polieren

  1. Schalten Sie Feuchtigkeitssystem der Umweltkammer CISR Polierschlamm auf dem Austrocknen beim Polieren zu verhindern und die Rogue-Partikel Kratzen Sie das Werkstück zu minimieren.
  2. Insgroß und montieren Sie die speziell entwickelt und vorbereitet Septum in Polierer. Installieren PBB Werkstück in CISR Polierer und Untergurt, das Werkstück zu halten.
  3. Polish Werkstück auf CISR 4 h bei einer angepaßten Schoß und Werkstückdrehgeschwindigkeit von 25 Umdrehungen pro Minute mit einem radialen Hub von ~ 75 mm und mit einer Aufschlämmung von Strömungsfiltrationssystem von 1 gal / min.
    HINWEIS: Die Sperrplatte dient auch als das Belastungsgewicht an dem Werkstück entspricht, 0,6 psi Druck aufgebracht.
  4. Schalten Schoß und Werkstückdrehung und Schlammstrom. Entfernen PBB Werkstück von CISR Polierer und tauchen sie in DI-Wasser gefüllt Badewanne. Wischen Werkstückoberfläche mit Reinraum-Tuch, während unter Wasser. Entfernen PBB Werkstück von Bad und sprühen gründlich mit VE-Wasser.
  5. Deblock Werkstück, indem Sie einen Shim am Werkstück-Block-Schnittstelle. Entfernen Sie das Klebeband von der Werkstückoberfläche. Aggressiv spülen Werkstück mit VE-Wasser und der Luft trocknen.
  6. PBB die gegenüberliegende Fläche des Werkstücks, wie in Abschnitt 2 beschrieben Wiederholen poGründung Vorgehensweise wie in Kapitel 3 beschrieben.

4. Messtechnik und Inspektion

  1. Messen reflektierten Wellenfront (dh Oberflächen Abbildung) auf beiden Seiten des Werkstücks sowie Wellenfront- Verwendung eines Interferometers.
  2. Berg Werkstück auf helles Licht Prüfstation und messen die Kratzer / dig Eigenschaften mit Hilfe der optischen Fertigung von Standardmethoden. Ein kurzer BOE Ätzung des Werkstücks, wie in Schritt 2.1 beschrieben, kann verwendet werden, um versteckte Kratzer für Werkstücke in hohen Einfluss Laseranwendungen freizulegen. Zur Messung von feinen Kratzern oder Rauheit auf dem Werkstück können Standardlichtmikroskopie oder Weißlicht-Interferometrie verwendet werden.
  3. Speicher abgeschlossen Werkstückes in einem Behälter Minimierung des Kontakts mit dem Gesicht des Werkstücks.

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Ergebnisse

Die oben beschriebene Polierung Convergent-Protokoll ermöglicht eine Masse Quarzglas Werkstück (in diesem Fall eine 26,5 cm im Quadrat) poliert werden, in einem einzigen Durchlauf von 4 h pro Fläche auf eine Spitze-zu-Tal-Ebenheit von ~ λ / 2 (~ 330 nm) mit niedrigem Seitenverhältnis Werkstücke und ~ 1λ (~ 633 nm) für hohen Aspektverhältnis von Werkstücken (siehe Abbildung 3). Auch hier wiederholt konvergiert dieses Verfahren Werkstücke auf die gleiche endgültige Oberflächen Figur ohne Änderungen an Pol...

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Diskussion

Wie in der Einleitung erwähnt, erfolgreiche Umsetzung von Convergent Polieren auf Oberflächen- Abbildung beinhaltet beseitigt oder minimiert alle Phänomene, die räumliche Material Ungleichmäßigkeit der Ausnahme, dass der Werkstück-Runden-Fehlanpassung aufgrund der Werkstückform beeinflussen. Wenn eines dieser Phänomene nicht entsprechend vermindert, sei es durch Prozesssteuerung oder durch entsprechende Konstruktion des Polierer, dann kann der gewünschte Konvergenzpunkt nicht erreicht oder beibehalten werden kann; also ...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde unter der Schirmherrschaft des U.S. Department of Energy vom Lawrence Livermore National Laboratory unter dem Vertrag DE-AC52-07NA27344 im Rahmen des LDRD-Programms durchgeführt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
MHN 50 mil Polyurethan Pad  Eminess TechnologiesPF-MHN15A050L-56
Ceroxid-PolierschlämmeUniversal PhotonicsHASTILITE PO
Septum Glas (Wasserstrahlschnitt)Borofloat ; Schott 
Diamant-KonditioniererMorgan Advanced Ceramics CMP-25035-SFT
UltraschallreinigerAdvanced Sonics Processing SystemURC4
Reinigung Optima Filterpatrone3MCMP560P10FC
Blocking PitchUniversal PhotonicsBP1
Blocking Tape3M#4712
ReinraumtuchITW TexwipeAlphaWipe TX1013
Optische Einzelpartikel-SensorikDimensionierungssystemeAccusizer 780 AD
NA

Referenzen

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