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Artigo de método

Convergente Polimento: Um simples, rápido, de abertura total Polimento Processo de alta qualidade ótica Flats & Spheres

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DOI:

10.3791/51965

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1 de dezembro de 2014

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

Neste artigo

Resumo

Um novo processo de polimento óptico, chamado "Polimento Convergente", que permite um polimento mais rápido e de menor custo, é descrito. Ao contrário dos processos de polimento convencionais, o polimento convergente permite que uma peça de vidro seja polida em uma única iteração e com alta qualidade de superfície até sua figura de superfície final, sem exigir alterações nos parâmetros de polimento.

Resumo

Convergente Polimento é um novo sistema de polimento e método para acabamento planas e esféricas óptica de vidro em que uma peça de trabalho, independentemente da sua forma inicial (ou seja, a figura de superfície), irá convergir para figura superfície final com excelente qualidade de superfície abaixo, um conjunto imutável fixa de polimento parâmetros em uma única iteração de polimento. Em contraste, os métodos de polimento abertura total convencionais requerem múltiplas, ciclos iterativos, muitas vezes longos envolvendo polimento, metrologia e mudanças de processo para conseguir a figura superfície desejada. O processo convergente polimento é baseado no conceito da peça voltas incompatibilidade resultante altura em que a pressão diferencial diminui com a remoção e resulta na peça convergindo para a forma do colo. A aplicação bem sucedida do processo convergente polimento é um resultado da combinação de uma série de tecnologias para remover todas as fontes de não-uniforme espacial remoção de material (excepto para a peça de trabalho voltasdesencontro) para a figura superfície convergência e reduzir o número de partículas desonestos no sistema para baixas densidades zero e baixa rugosidade. O processo convergente Polishing foi demonstrado para a fabricação de ambos os apartamentos e esferas de diversas formas, tamanhos e proporções em vários materiais de vidro. O impacto prático é que os componentes ópticos de alta qualidade podem ser fabricados mais rapidamente, mais repetidamente, com menos de metrologia, e com menos trabalho, resultando em menores custos unitários. Neste estudo, o protocolo convergente polimento é descrito especificamente para a fabricação de 26,5 centímetros quadrados fundidos apartamentos de sílica a partir de uma superfície de chão finos de uma ~ λ / 2 figura superfície polida após o polimento da superfície por 4 h em um polidor de 81 centímetros de diâmetro.

Introdução

As principais etapas de um processo típico de fabrico óptico incluem modelagem, moagem, polimento de abertura total, e às vezes pequena ferramenta de polimento 1-3. Com o aumento da demanda por componentes ópticos de alta qualidade para sistemas de imagem e laser, tem havido avanços significativos na fabricação óptica ao longo das últimas décadas. Por exemplo, a precisão, a remoção de material determinista é agora possível, durante a concepção e processos de moagem com os avanços na Numérico Computadorizado (CNC máquinas de moldagem) de vidro Controlados. Da mesma forma, as tecnologias de polimento pequena ferramenta (por exemplo, controlado por computador superfície óptica (CCOS), figurando ion, e acabamento magneto-reológico (MRF)) levaram a remoção de material determinista e figura superfície de controle, assim, impactando fortemente a indústria de fabrico óptico. No entanto, a etapa intermediária do processo de acabamento, polimento de abertura total, ainda carece de alta determinismo, geralmente exigindo opticia qualificadosns para realizar múltiplas, muitas vezes, os ciclos iterativos longos com várias mudanças de processos para alcançar a figura superfície desejada 1-3.

O grande número de métodos de polimento, variáveis ​​de processo e do complexo químico e interações mecânicas entre a peça, colo e lama 3-4 fez-se um desafio para transformar polimento óptico de uma "arte" para a ciência. Para alcançar determinista polimento abertura total, a taxa de remoção de material deve ser bem compreendido. Historicamente, a taxa de remoção de material que tem sido descrito pela equação Preston amplamente utilizado 5

figure-introduction-1 (1)

onde dh / dt é a taxa média de remoção de espessura, k é a constante p Preston, σ é oa pressão aplicada, e V r é a velocidade relativa média entre a peça eo colo. A Figura 1 apresenta esquematicamente os conceitos físicos que influenciam a taxa de remoção de material, como descrito a Equação de Preston, incluindo as variações espaciais e temporais na velocidade e pressão, diferenças entre o pressão aplicada e a distribuição da pressão que as experiências da peça, e os efeitos de fricção 6-8. Em particular, a distribuição da pressão real experimentada por a peça de trabalho é regulada por um certo número de fenómenos (descritas em detalhe noutro local 6-8) que afecta fortemente resultante figura superfície da peça de trabalho. Além disso, na Equação Preston, os efeitos ao nível molecular são microscópicas e dobrada em grande parte a constante macroscópica Preston (k p), o que influencia a taxa de remoção de material global, micro-rugosidade, e mesmo riscar sobre a peça de trabalho. Vários estudos têm expandido o modelo de Preston para dar conta para o chorume microscópica interações partícula-pad-de peças para explicar taxa de remoção de material e microrugosidades 9-16.

Para conseguir o controle determinista da figura de superfície durante polimento abertura total, cada um dos fenômenos descritos acima precisa ser entendido, quantificados e então controlada. A estratégia por trás Convergente Polishing é eliminar ou minimizar as causas indesejáveis ​​de remoção de material não-uniforme, seja através de projeto polidor de engenharia ou por controle de processo, de modo que a remoção é impulsionado apenas pelo descompasso peça voltas devido a forma da peça 7,17- 18. A Figura 2 ilustra como a forma da peça de trabalho pode conduzir a uma convergência com base no conceito da peça incompatibilidade voltas. Considere um lap plana e uma peça de trabalho hipotético de forma complexa mostrado no canto superior esquerdo. O desfasamento da altura de interface (referida como o intervalo, ÔH oL) influencia a distribuição da pressão de interface (σ) como:

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

em que H é uma constante que descreve a taxa à qual a pressão diminui com um aumento no intervalo ÔH oL 6. Neste exemplo, a peça de trabalho tem a mais alta pressão local no centro (ver parte inferior esquerda da Figura 2), e, portanto, esta localização irá observar a maior taxa de remoção de material inicial durante o polimento. Como o material é removido, o diferencial de pressão através da peça de trabalho irá diminuir devido a uma diminuição na incompatibilidade da peça voltas, e a peça de trabalho irá convergir para a forma do colo. Na convergência, a distribuição da pressão da peça, e, consequentemente, a remoção de material, será uniforme em toda a peça de trabalho (ver lado direito da Figura 2). Este exemplo é ilustrado por uma volta plana, however, o mesmo conceito se aplica para uma volta esférica (ou côncava ou convexa). Mais uma vez, esse processo de convergência só funciona se todos os outros fenómenos afectam espacial material não-uniformidade ter sido eliminado. As atenuações processuais e de engenharia específicas implementadas no protocolo Polishing Convergente são descritos na discussão.

O protocolo descrito no estudo seguinte é o processo convergente Polimento especificamente para um quadrado de vidro de sílica fundida peça 26,5 centímetros a partir de uma superfície de chão finos. Em 8 horas de polimento (4 horas / superfície), esta peça pode atingir um nivelamento polido de ~ λ / 2 com altíssima qualidade de superfície (ie, baixa densidade zero).

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Protocolo

1. Preparação de polidor e Slurry

Primeiro prepare o Sistema de Polimento Convergente (especificamente chamado C onvergent, eu nitial Superfície Independent, S ingle iteração, R ogue-Particle gratuito polidor ou CISR (pronuncia-se 'tesoura')) 7,17 instalando o pad e septo, condicionando a almofada, diluição e estabilização química da pasta, e a incorporação da lama dentro do sistema de filtragem.

  1. No polidor CISR, aderir uma almofada de poliuretano para a base colo granito. Aderem almofada uma aresta primeiro e aplicar pressão em direcção à aresta oposta para minimizar os espaços de ar. Apare o pad saliente e depois usar uma lâmina de barbear e de rolos para perfurar e retirar as bolhas de ar, se necessário.
  2. Na primeira utilização e depois de cada ~ 100 hr de polimento, condição diamante almofada usar um condicionador de diamante CMP (50 mm de diâmetro; 0,6 psi de pressão aplicada; 5 min de permanência em cada local colo radial com incrementos de espaçamento de 25 mm; rotação lap 25 rpm) com água DI fluindo.
  3. Entre iterações de polimento, remover quaisquer chorume e produtos de vidro residuais do bloco usando um produto de limpeza in-situ de ultra-som (~ 2 min de permanência em cada local radial; rotação colo 5 rpm) com água DI fluindo.
  4. Sobre o peso do septo forma exclusiva, aderir fita de espuma dupla face e, em seguida, o material de septo (por exemplo, vidro de pré-corte ou outro material não-uso). Aparar qualquer fita adesiva de espuma que pende para coincidir com a forma do material de septo e peso. Observe o projeto septo (forma e peso) muda para diferentes tamanhos de peça e colo 7,17.
  5. Prepare polimento lama a Baume 4 concentração (especificamente misturar em volume ~ 1 parte de óxido de cério pasta de polimento e ~ 9 partes de água deionizada (DI) de água em um 11 L bucket). Verifique Baume usando uma bóia Baume. Adicionar ~ 5 ml de KOH (10 M) para ajustar o pH para 9,5 e adicionar 120 ml (~ 1 vol%) de surfactante proprietária 19. Reajuste pH e Baume cada 24 horas de polimento.
  6. Instale balde com a pasta preparada em sistema de filtração. Em seguida, instalar os filtros de partículas CMP desejados em sistema de filtração. Vamos recircular pasta dentro do sistema de filtração por várias horas.
  7. Distribuição de tamanho de partícula medida de suspensão (por exemplo, usando técnicas de sensoriamento única partícula de óptica) para garantir o fim da cauda da distribuição é adequadamente desonestos 9,20 livre de partículas.

2. Preparação de Peça (Gravura e de bloqueio)

Antes de polir, gravar quimicamente a peça solo bem como recebido para reduzir a quantidade de remoção de material necessário para eliminar o sub-superfície dano 21 moagem. Em seguida, o bloco da peça de trabalho (se a relação de aspecto (isto é, comprimento / espessura) é> 10), utilizando uma nova técnica de bloqueio botão pitch (PBB) para evitar que a peça de flexão durante o bloqueio e polimento 22.

  1. Etch a peça moído fino (especificamente um 265 x 265 x 8 mm3 vidro de sílica fundida plana) em um tanque cheio com HF: NH 4 F (6: 1 tamponada etch óxido (BOE) 3x diluída com água DI) durante 6 horas removendo 10 um de vidro a partir da superfície da peça de trabalho. CUIDADO! BOE é extremamente perigoso; usar equipamento de proteção individual (EPI). Retire peça do tanque de etch e enxaguar agressivamente a peça com água DI e permitir que a peça secar ao ar verticalmente.
  2. Inspecione a peça por danos profunda durante o processo de moagem usando uma inspeção luz brilhante em um quarto escuro. Se nenhum dano profundo for encontrado, prossiga para a próxima etapa, outra peça enviar de volta para re-moagem.
  3. Aqueça o bloqueio gramado em uma pistola de cola para ~ 95 ºC e coloque gotas (também chamados de botões) de campo (~ 0,06 g) sobre a face daplaca de bloqueio em uma matriz de 9 x 9 (81 botões com espaçamento de 26 mm). Para diferentes peças de tamanho, referem-se a criar regras para o número, tamanho ideal, e espaçamentos de botão passo 22. Colocar a placa de bloqueio com os botões aplicados voltada para cima no forno pré-aquecido a 70 ºC.
  4. Aplicar fita para a face da peça de trabalho que não está a ser polida. Evitar a formação de bolhas de ar ou excesso de alongamento da fita.
  5. Coloque a peça de trabalho com a face para baixo sobre o lado da fita botões na placa de bloqueio no forno. Cubra a peça-button-bloco para minimizar o fluxo convectivo. Após 1,5 horas, arrefecer a definir forno 10 ° C / h até à temperatura ambiente. Após arrefecimento, a espessura da peça de trabalho sobre o arremesso bloqueado deve ser ~ 1 mm.

3. Convergente Polimento

  1. Ligue sistema umidade na câmara ambiental de CISR polidor para evitar suspensão de secagem durante o polimento e minimizar partículas desonestos riscar a peça.
  2. Insde altura e montar o septo especificamente concebido e preparado para polidor. Instale PBB peça em polidor CISR e menor crescimento para segurar a peça.
  3. Peça polonês em CISR durante 4 horas a uma velocidade de rotação combinado colo ea peça de 25 rpm com um curso radial de ~ 75 mm e com um fluxo de lama do sistema de filtração de 1 gal / min.
    NOTA: A placa de bloqueio também serve como o peso de carga sobre a peça de trabalho que corresponde a 0,6 psi de pressão aplicada.
  4. Desligue rotação colo e peça e fluxo de lama. Remover PBB peça de CISR polidor e mergulhe-o DI de água cheia de banho. Limpe a superfície da peça com sala limpa pano enquanto submerso. Remover PBB peça de banho e spray enxágüe com água DI.
  5. Deblock peça através da inserção de um calço na interface peça-block. Remover a fita a partir da superfície da peça de trabalho. Agressivamente lavar peça com água DI e ar seco.
  6. PBB a face oposta da peça de trabalho, conforme descrito na Seção 2. Em seguida, repita poprocedimento institui como descrito na Seção 3.

4. Metrologia e Inspeção

  1. Medida de frente de onda reflectida (ou seja, figura superfície) de ambos os lados da peça de trabalho, bem como frentes de onda transmitida utilizando um interferómetro.
  2. Mount peça na estação de inspeção brilhante luz e medir as propriedades scratch / escavação usando métodos padrão de fabricação óptica. Um etch BOE curta da peça de trabalho, tal como descrito na etapa 2.1, pode ser usado para expor arranhões ocultos para peças utilizadas em aplicações de laser de elevada fluência. Para a medição de multa arranhões ou rugosidade da peça, podem ser utilizados microscopia óptica padrão ou luz branca interferometria.
  3. Loja concluído em uma peça de contacto minimização recipiente com a face da peça de trabalho.

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Resultados

O protocolo descrito acima Polimento convergente permite que uma peça de trabalho de sílica fundida terra (neste caso um 26,5 centímetros quadrados) a ser polido, em uma única iteração de 4 horas por unidade de área, para uma planicidade pico a vale de λ ~ / 2 (~ 330 nm) para baixas peças relação de aspecto e ~ 1λ (~ 633 nm) para peças com uma elevada relação de aspecto (ver Figura 3). Mais uma vez, este processo converge repetidamente peças para a mesma figura superfície final sem a necessidade de muda...

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Discussão

Como discutido na Introdução, a implementação bem sucedida de Convergente Polimento em relação à superfície figura envolve eliminar ou minimizar todos os fenômenos que influenciam espacial não-uniformidade de material excepto a peça-lap incompatibilidade devido a forma da peça. Se qualquer um desses fenômenos não está devidamente mitigado, seja por meio de controle de processo ou através de engenharia apropriada do polidor, então o ponto de convergência desejado não pode ser alcançado ou mantido; portanto, essencialment...

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Divulgações

Os autores não têm nada a divulgar.

Agradecimentos

Este trabalho foi realizado sob os auspícios do Departamento de Energia dos EUA pelo Lawrence Livermore National Laboratory sob o Contrato DE-AC52-07NA27344 dentro do programa LDRD.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Almofada de Poliuretano MHN 50 mil Eminess TechnologiesPF-MHN15A050L-56
de polimento de óxido de cérioFotônica UniversalHASTILITE PO
Septum Glass (corte a jato de água)Borofloat ; Schott Condicionador de
Morgan Advanced Ceramics CMP-25035-SFT
Limpador UltrassônicoProcessamento Avançado de SonicsURC4
Purificação Optima Cartucho3MCMP560P10FC
Blocking PitchUniversal PhotonicsBP1
Blocking Tape3M# 4712
Pano de sala limpaITW TexwipeAlphaWipe TX1013
Sistemas de dimensionamento de Paritcle de detecção óptica de partícula únicaAccusizer 780 AD
pasta diamante NA Sistema de de filtro

Referências

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