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Artículo de método

Convergentes Pulido: Una simple, rápida, completa Apertura Pulido Proceso de alta calidad óptica Pisos y Esferas

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DOI:

10.3791/51965

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1 de diciembre de 2014

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

En este artículo

Resumen

Se describe un novedoso proceso de pulido óptico, llamado "Pulido Convergente", que permite un pulido más rápido y de menor costo. A diferencia de los procesos de pulido convencionales, el pulido convergente permite pulir una pieza de trabajo de vidrio en una sola iteración y con una alta calidad superficial hasta su figura superficial final sin necesidad de cambios en los parámetros de pulido.

Resumen

Convergent pulido es un novedoso sistema de pulido y método para el acabado de la óptica de vidrio planas y esféricas en la que una pieza de trabajo, independientemente de su forma inicial (es decir, forma de superficie), convergerá a la figura superficie final con una excelente calidad de la superficie bajo un conjunto fijo de inmutable pulir parámetros en una sola iteración de pulido. Por el contrario, los métodos convencionales de pulido de apertura completa a menudo requieren múltiples ciclos largos, iterativos, que implican pulir, metrología y cambios en el proceso de alcanzar la cifra de superficie deseada. El proceso de pulido convergente se basa en el concepto de pieza de trabajo vueltas desajuste altura resultante en diferencial de presión que disminuye con la extracción y los resultados en la pieza de trabajo convergentes a la forma de la vuelta. La implementación exitosa del proceso convergente Pulido es el resultado de la combinación de una serie de tecnologías para eliminar todas las fuentes de no uniforme de remoción de material espacial (excepto la pieza vueltasdesajuste) de forma de superficie convergencia y de reducir el número de partículas de canallas en el sistema para densidades de arañazos y baja rugosidad. El proceso convergente Pulido se ha demostrado para la fabricación de dos pisos y esferas de diferentes formas, tamaños y relaciones de aspecto sobre diversos materiales de vidrio. El efecto práctico es que los componentes ópticos de alta calidad se pueden fabricar más rápidamente, más repetidas ocasiones, con menos de metrología, y con menos mano de obra, lo que resulta en menores costos unitarios. En este estudio, el protocolo convergente de pulido se describe específicamente para la fabricación de 26,5 cm cuadrado fusionados pisos de sílice a partir de una superficie de molido fino a un ~ λ figura superficie pulida / 2 después de pulir 4 hr por unidad de superficie en un pulidor de diámetro 81 cm.

Introducción

Los principales pasos en un proceso típico de fabricación óptica incluyen formación, rectificado, pulido de abertura total, y, a veces pequeña herramienta de pulido 1-3. Con el aumento de la demanda de componentes ópticos de alta calidad para sistemas de imagen y láser, se han producido avances significativos en la fabricación de óptica en los últimos decenios. Por ejemplo, la precisión, la eliminación de material determinista ahora es posible durante la configuración y los procesos de molienda con los avances en la computadora de control numérico de máquinas de conformación (CNC) de vidrio. Del mismo modo, las tecnologías de pulido pequeña herramienta (por ejemplo, superficie óptica controlada por ordenador (CCOS), ion calcular, y el acabado magnetoreológico (MRF)) han dado lugar a la eliminación de material determinista y control de forma de superficie, impactando fuertemente la industria de fabricación de óptica. Sin embargo, el paso intermedio del proceso de acabado, pulido de abertura total, aún carece de alto determinismo, por lo general requieren opticia expertons para llevar a cabo múltiples, a menudo largos y ciclos iterativos con múltiples cambios en el proceso para alcanzar la cifra de superficie deseada 1-3.

El gran número de métodos de pulido, las variables del proceso, y la compleja química y las interacciones mecánicas entre la pieza de trabajo, lap y purines 4.3 han hecho que sea difícil para transformar pulido óptico de un "arte" a una ciencia. Para lograr determinista pulido plena abertura, la velocidad de eliminación de material debe ser bien entendido. Históricamente, la tasa de eliminación de material ha sido descrita por la ecuación Preston ampliamente utilizado 5

figure-introduction-1 (1)

donde dh / dt es la tasa de eliminación de espesor medio, p k es la constante de Preston, σ S sela presión aplicada, y V r es la velocidad relativa media entre la pieza y la vuelta. La Figura 1 representa esquemáticamente los conceptos físicos que influyen en la tasa de eliminación de material tal como se describe la ecuación Preston, incluyendo las variaciones espaciales y temporales en la velocidad y la presión, las diferencias entre el la presión aplicada y la distribución de la presión que las experiencias de la pieza, y los efectos de fricción 6-8. En particular, la distribución de la presión real experimentada por la pieza de trabajo se rige por una serie de fenómenos (descritos en detalle en otra parte 6-8) que afecta fuertemente resultante figura superficie de la pieza de trabajo. También, en la Ecuación Preston, los efectos microscópicos y moleculares de nivel se pliegan en gran medida en el macroscópica constante Preston (k p), que influye en la tasa global de material de eliminación, micro-rugosidad, e incluso arañazos en la pieza de trabajo. Diversos estudios han ampliado el modelo de Preston para dar cuenta para lechada microscópica interacciones partícula-pad-piezas de trabajo para explicar la tasa de remoción de material y microrrugosidad 9-16.

Para lograr el control determinista de la figura superficie durante el pulido abertura total, cada uno de los fenómenos descritos anteriormente tiene que ser entendido, cuantificado y luego controlada. La estrategia detrás de pulido es convergente para eliminar o minimizar las causas indeseables de la eliminación de material no uniforme, ya sea a través del diseño pulidor de ingeniería o de control de procesos, de tal manera que la eliminación es impulsado sólo por la falta de coincidencia de la pieza vueltas debido a la forma de la pieza 7,17- 18. La figura 2 ilustra cómo la forma de la pieza puede llevar a la convergencia basada en el concepto desajuste pieza vueltas. Considere la posibilidad de una vuelta plana y una pieza de trabajo hipotética de forma compleja se muestra en la parte superior izquierda. El desajuste altura de la interfase (referido como la brecha,? H ol) influye en la distribución de la presión de interfaz (σ) como:

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

donde h es una constante que describe la velocidad a la que la presión disminuye con un aumento en la brecha? h oL 6. En este ejemplo, la pieza de trabajo tiene la presión más alta local en el centro (véase la parte inferior izquierda de la Figura 2), y por lo tanto esta ubicación observará la tasa de eliminación de material inicial más alta durante el pulido. Como se retire el material, el diferencial de presión a través de la pieza de trabajo se reducirá debido a una disminución en el desajuste pieza de trabajo-regazo, y la pieza de trabajo convergerá a la forma de la vuelta. En la convergencia, la distribución de presión pieza de trabajo, y por lo tanto, la eliminación de material, será uniforme a través de la pieza de trabajo (ver lado derecho de la Figura 2). Este ejemplo se ilustra para una vuelta plana, however, el mismo concepto se aplica a una vuelta esférica (ya sea cóncava o convexa). Una vez más, este proceso de convergencia sólo funciona si se han eliminado todos los demás fenómenos que afectan espacial no uniformidad material. Las mitigaciones de procedimiento y de ingeniería específicas implementadas en el protocolo Pulido convergente se describen en la Discusión.

El protocolo se describe en el siguiente estudio es el proceso convergente Pulido específicamente para un cuadrado fusionado pieza de vidrio de sílice 26,5 cm a partir de una superficie de molido fino. En 8 horas de pulido (4 horas / superficie), esta pieza de trabajo puede alcanzar una planitud pulida de ~ λ / 2 con una calidad de superficie muy alta (es decir, de baja densidad cero).

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Protocolo

1. Preparación de pulidora y purines

En primer lugar preparar el sistema de pulido convergente (específicamente llamado C onvergent, me nitial superficie Independiente, S ingle iteración, R ogue Pulidora libre de partículas o CISR (pronunciado 'tijera')) 7,17 mediante la instalación de la plataforma y el tabique, el acondicionamiento de la almohadilla, diluir y estabilizar químicamente la suspensión, y la incorporación de la suspensión dentro del sistema de filtración.

  1. En la pulidora CISR, se adhieren una almohadilla de poliuretano en la base regazo granito. Se adhieren almohadilla de uno de los bordes primero y aplicar presión en la dirección hacia el borde opuesto para reducir al mínimo los espacios de aire. Recorte el pad sobresaliente y luego utilizar una hoja de afeitar y el rodillo para perforar y extraer las burbujas de aire si es necesario.
  2. Para el primer uso y después de cada ~ 100 hr de pulir, condición diamante el teclado usando un acondicionador de diamantes CMP (50 mm de diámetro; 0,6 psi de presión aplicada; de permanencia de 5 minutos en cada lugar regazo radial con incrementos de espaciado 25 mm; rotación vuelta 25 rpm) con agua DI que fluye.
  3. Entre iteraciones para pulir, eliminar los purines y productos de vidrio residuales de la almohadilla con un limpiador-in situ por ultrasonidos (~ 2 minutos de permanencia en cada lugar radial; rotación vuelta 5 rpm) con agua DI que fluye.
  4. Por el peso del tabique de forma única, se adhieren cinta de espuma de doble cara y luego el material septum (por ejemplo, vidrio pre-corte u otro material resistente al desgaste). Recortar cualquier cinta de espuma en voladizo para que coincida con la forma del material tabique y peso. Tenga en cuenta el diseño del tabique (tanto la forma y el peso) cambia para diferentes tamaños de la pieza y vuelta 7,17.
  5. Preparar pulido suspensión para Baume 4 concentración (específicamente mezcle por volumen ~ 1 parte de óxido de cerio para pulir los purines y ~ 9 partes de agua desionizada (DI) en una bu 11 Lcket). Compruebe Baume usando un flotador Baume. Añadir ~ 5 ml de KOH (10 M) para ajustar el pH a 9,5 y añadir 120 ml (~ 1% en volumen) de surfactante patentada 19. Vuelva a ajustar el pH y Baume cada 24 horas de pulido.
  6. Instale el cubo con la suspensión preparada en el sistema de filtración. A continuación, instale los filtros de partículas CMP deseados en el sistema de filtración. Deje recirculación suspensión dentro del sistema de filtración durante varias horas.
  7. Distribución de tamaño de partícula medida de suspensión (por ejemplo, usando sola partícula técnicas de detección óptica) para asegurar el extremo de la cola de la distribución es adecuada libre de partículas pícaro 9,20.

2. Preparación de la pieza (Aguafuerte y bloqueo)

Antes de pulir, grabar químicamente la pieza de tierra fina como se recibe a reducir la cantidad de remoción de material necesario para eliminar la sub-superficie de molienda daños 21. Entonces, bloquear la pieza de trabajo (si la relación de aspecto (es decir, longitud / espesor) es> 10), utilizando una nueva técnica de bloqueo botón de pitch (PBB) para evitar que la pieza de trabajo se doble durante el bloqueo y pulido 22.

  1. Grabar la pieza de trabajo molido fino (específicamente un 265 x 265 x 8 mm 3 de vidrio de sílice fundida plana) en un tanque lleno de HF: NH 4 F (6: 1 de grabado de óxido tamponado (BOE) 3x diluyó con agua DI) durante 6 horas eliminación 10 micras de vidrio de la superficie de la pieza de trabajo. ¡CUIDADO! BOE es extremadamente peligroso; utilizar equipo de protección personal (EPP) apropiado. Retire la pieza del tanque de grabado y agresivamente enjuagar la pieza con agua DI y permita que la pieza se seque al aire verticalmente.
  2. Inspeccione la pieza de trabajo por daños profunda durante el proceso de molienda mediante una inspección de la luz brillante en un cuarto oscuro. Si no se encuentra daño profundo, continúe con el siguiente paso, de lo contrario enviar la pieza de nuevo para volver a la molienda.
  3. Calentar el bloqueo de tono en una pistola de pegamento a ~ 95 ºC y colocar gotas (también llamadas botones) de lanzamiento (~ 0,06 g) sobre la faz de laplaca de bloqueo en una matriz de 9 x 9 (81 botones con 26 mm de distancia). Para diferentes piezas de trabajo de tamaño, consulte diseñar reglas para el número ideal, tamaño y espaciamiento de botón de pitch 22. Coloque la placa de bloqueo con los botones aplicados boca arriba en un horno precalentado a 70 ºC.
  4. Aplique la cinta a la cara de la pieza de trabajo que no está para ser pulido. Evitar la generación de burbujas de aire o excesivamente estirar la cinta.
  5. Coloque la pieza de trabajo con la cara cara de la cinta hacia abajo sobre los botones de la placa de bloqueo en el horno. Cubra la pieza-button-bloque para minimizar el flujo convectivo. Después de 1,5 horas, ajuste horno se enfríe 10 ºC / hora a temperatura ambiente. Después de enfriar, el espesor de paso en la pieza de trabajo debe ser bloqueado ~ 1 mm.

3. convergente Pulido

  1. Encienda el sistema de humedad en la cámara ambiental de pulidor CISR para prevenir lodo se seque durante el pulido y reducir al mínimo las partículas canallas rascándose la pieza de trabajo.
  2. Insde altura y montar el tabique específicamente diseñado y preparado en pulidora. Instale PBB pieza en pulidor CISR y bajar la pluma para sostener la pieza de trabajo.
  3. Polaco pieza de trabajo en CISR durante 4 horas a una velocidad de rotación de vuelta y la pieza de trabajo emparejado de 25 rpm con un golpe radial de ~ 75 mm y con un flujo de la suspensión de sistema de filtración de 1 gal / min.
    NOTA: La placa de bloqueo también sirve como el peso de la carga en la pieza de trabajo correspondiente a 0,6 psi presión aplicada.
  4. Apague el regazo y la pieza de rotación y el flujo de lodo. Retire PBB pieza de pulidor CISR y sumerja en agua llena de baño DI. Limpie la superficie de la pieza con un paño sala limpia mientras está sumergido. Retire PBB pieza de baño y rociar enjuague con agua DI.
  5. Deblock pieza de trabajo mediante la inserción de una cuña en la interfaz pieza de bloque. Retire la cinta de superficie de la pieza. Agresivamente enjuagar la pieza con agua DI y secar al aire.
  6. PBB la cara opuesta de la pieza de trabajo como se describe en la Sección 2. A continuación, repita poel que se crea el procedimiento como se describe en la Sección 3.

4. Metrología e Inspección

  1. Medida de frente de onda reflejada (es decir, forma de superficie) de ambos lados de la pieza de trabajo, así como de frente de onda de transmisión usando un interferómetro.
  2. Monte la pieza en brillante estación de inspección de la luz y medir las propiedades cero / excavación utilizando métodos estándares de fabricación óptico. Un corto grabado BOE de la pieza de trabajo, tal como se describe en el paso 2.1, se puede utilizar para exponer arañazos ocultos para piezas utilizadas en aplicaciones de láser de alta fluencia. Para la medición de arañazos finos o rugosidad en la pieza de trabajo, se pueden utilizar microscopía óptica estándar o interferometría de luz blanca.
  3. Tienda completó pieza de trabajo en un contacto minimización recipiente con la cara de la pieza de trabajo.

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Resultados

El protocolo convergente de pulido descrito anteriormente permite que un suelo de sílice fundida pieza de trabajo (en este caso un cuadrado de 26,5 cm) a pulir, en una única iteración de 4 hr por unidad de superficie, a una planitud de pico a valle de ~ λ / 2 (~ 330 nm) para piezas de trabajo baja relación de aspecto y 1λ ~ (~ 633 nm) para piezas de trabajo alta relación de aspecto (véase la Figura 3). Una vez más, este proceso converge repetidamente piezas de trabajo a la misma figura superficie final ...

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Discusión

Como se explica en la Introducción, la implementación exitosa de Convergente Pulido con respecto a la superficie cifra implica eliminar o minimizar todos los fenómenos que influyen espacial no uniformidad de material excepto el de desajuste pieza vueltas debido a la forma de la pieza. Si uno cualquiera de estos fenómenos no se mitiga adecuadamente, ya sea a través de control de procesos o a través de ingeniería apropiado de la pulidora, a continuación, el punto de convergencia deseado no puede conseguirse o mantenerse; ...

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Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Este trabajo realizado bajo los auspicios del Departamento de Energía de EE. UU. por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore bajo el Contrato DE-AC52-07NA27344 dentro del programa LDRD.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Almohadilla de poliuretano MHN 50 mil Eminess TechnologiesPF-MHN15A050L-56
Lechada de pulido de óxido de cerioFotónica universalHASTILITE PO
Septum Glass (corte por chorro de agua)Borofloat ; Schott Acondicionador NA
DiamondMorgan Advanced Ceramics CMP-25035-SFT
Limpiador ultrasónicoSistema de procesamiento sónico avanzado PurificaciónURC4
Cartucho de filtro Optima3MCMP560P10FC
Fotónica universalBP1
Cinta de bloqueo3M#4712
Paño para sala limpiaITW TexwipeAlphaWipe TX1013
dimensionamiento de partículade detección óptica de una sola partículaAccusizer 780 AD
Paso de bloqueo de Sistemas de

Referencias

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