一种熔石英光学元件的酸射流刻蚀方法和酸射流刻蚀装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种熔石英光学元件的酸射流刻蚀方法和酸射流刻蚀装置，包括酸液输运单元、搅拌混合单元、抛光液输运单元和喷头，采用方法为将熔石英元件在特定浓度的氢氟酸稀溶液中浸泡5～10min，去除表面污染物与抛光再沉积层；根据缺陷的位置、范围与深度信息以及元件面形数据、表面粗糙度结果设定刻蚀参数，编制生成喷头运动轨迹代码；启动酸射流刻蚀装置，按照程序指令进行酸射流刻蚀加工；超声清洗去除表面残留的抛光颗粒与氢氟酸，采用光学显微镜，光学干涉仪与光学轮廓仪再次测量元件的缺陷、表面面形与表面粗糙度结果，若结果不达标，重上述步骤，直到合格。本发明专利技术采用上述原理，实现局部区域定点刻蚀，控制刻蚀过程中的元件面形。

An acid jet etching method for fused silica optical elements and an acid jet etching device

The invention discloses a jet acid etching method of fused quartz optics and acid etching liquid jet device, including acid transport unit, mixing unit, polishing liquid transport unit and nozzle, using method for fused silica components in certain concentrations of hydrofluoric acid in dilute solution soak for 5 ~ 10min, the removal of redeposition layer surface contamination and polishing; setting the etching parameters according to the defect location, scope and depth of information and data element surface, the surface roughness results produced head trajectory code; start acid jet etching device, in accordance with the procedures that the acid etching process of ultrasonic cleaning jet; polishing particles and hydrofluoric acid residue on the surface of the optical. Optical microscope, defect, again the measuring element instrument and optical profilometer interference surface shape and surface roughness of the results, if the result is not up to the standard Take the above steps, until they are qualified. The invention adopts the above principle to realize fixed point etching in local area and control the element profile in the etching process.

【技术实现步骤摘要】
一种熔石英光学元件的酸射流刻蚀方法和酸射流刻蚀装置
本专利技术涉及光学制造与光学材料加工领域，具体涉及一种熔石英光学元件的酸射流刻蚀方法和酸射流刻蚀装置。
技术介绍
熔石英元件的激光损伤是制约高功率激光装置输出功率提升的重要瓶颈。大多数激光损伤发生在元件表面，材料的表面及亚表面缺陷和表面附着的吸收性杂质被认为是导致熔石英元件激光损伤阈值降低的重要因素。熔石英元件表面与亚表面缺陷的产生与抛光过程密切相关，卷入抛光盘中的硬质杂质碎屑在抛光盘加压旋转运动过程中极易被压入熔石英元件表面，形成表面及亚表面缺陷。此外，抛光完成后残留的抛光颗粒则是表面附着的吸收性杂质的重要来源。除了改进抛光工艺，控制抛光过程中缺陷产生的数量，更加有效的措施是利用氢氟酸对熔石英元件表面进行酸刻蚀，利用氢氟酸在室温条件下与二氧化硅发生化学反应，溶解二氧化硅的特点，去除表层一定深度的表面加工层，钝化大尺度缺陷，平坦小尺度缺陷，进一步降低缺陷密度，能够显著提高熔石英元件激光损伤阈值，提升熔石英元件的强激光负载能力。目前的氢氟酸刻蚀方法将熔石英元件静置于酸液池中浸泡，利用化学反应原理对表层一定深度的熔石英材料进行整体去除。这种整体去除方式不适合对元件表面局部缺陷进行定点刻蚀，特别是对于尺度较小的较深缺陷的刻蚀处理花费巨大、代价不菲。其次，随着刻蚀深度增加与刻蚀时间增长，熔石英元件的表面面形会发生显著改变，而目前的刻蚀方法并不具备控制表面面形的有效能力。因此，氢氟酸刻蚀方法不适合处理具有高精度面形要求的熔石英元件。此外，刻蚀过程会使元件的表面粗糙度质量恶化，一旦粗糙度值超过元件指标要求，就需要对元件进行重新抛光，这又会带来引入表面及亚表面缺陷的风险。最后，氢氟酸刻蚀过程中产生的化学反应产物容易附着在刻蚀后的新鲜表面，形成新的表面污染。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是目前氢氟酸刻蚀方法无法进行局部区域定点刻蚀和无法控制刻蚀过程中的元件面形，目的在于提供一种熔石英光学元件的酸射流刻蚀方法和酸射流刻蚀装置，将氢氟酸酸液通过耐酸水泵加压，并通过管路输运，与抛光液在喷头处混合，高压混合液通过喷头前端喷嘴喷出，形成射流液柱作用到熔石英元件表面，实现局部区域定点刻蚀，控制刻蚀过程中的元件面形。本专利技术通过下述技术方案实现：一种熔石英光学元件的酸射流刻蚀方法和酸射流刻蚀装置，包括一种熔石英光学元件的酸射流刻蚀装置，其特征在于，包括酸液输运单元：包括蠕动泵与酸液桶或者气动隔膜泵与酸液桶，采用蠕动泵或者气动隔膜泵并联错时工作方式连续抽取氢氟酸酸液，通过耐酸软管运输酸液桶中的氢氟酸溶液至喷头混合腔中；搅拌混合单元：包括可拆卸式储液桶与电动搅拌杆，储液桶用于储放含有磨料颗粒的抛光液，通过固定接口连接抛光液输运单元，电动搅拌杆位于可拆卸式储液桶内，用于搅拌抛光液；抛光液输运单元：采用柱塞泵将搅拌混合单元中混合均匀的抛光液抽取并加压输运至喷头混合腔中，与氢氟酸酸液混合；喷头：包括混合腔与喷嘴，混合腔混合来自酸液桶和储液桶经管路输运而来的氢氟酸酸液与抛光溶液，喷嘴安装于抛光头前端。本方案采用水泵将储液器中氢氟酸酸液抽出并加压，通过管路输运与抛光液在喷头处混合，混合液通过喷头前端喷嘴喷出，形成具有稳定初速度的细长射流液柱，作用到熔石英元件表面。利用混合溶液中氢氟酸酸液与熔石英元件表层的二氧化硅成分发生化学反应，生成氟硅酸盐反应物并脱离表面，实现了对熔石英材料局部区域进行精准定点刻蚀。利用抛光液中的氧化铈、氧化锆等磨料粒子的冲蚀、剪切等机械去除作用对刻蚀区域进行局部抛光，精密修正局部面形，改善表面粗糙度，实现了控制刻蚀过程中的元件面形，避免刻蚀过程恶化元件的表面粗糙度。本方案还利用射流液的冲击效应去除附着于表面的化学反应产物，抑制表面污染，避免刻蚀产物附着形成新的表面污染。优选的，还包括运动与定位单元：用于夹持抛光头，保证喷头能够根据预先设定的运动轨迹在三维空间内实现精准连续移动。优选的，还包括回收循环单元：包括工作槽、回收泵、酸碱中和室与过滤装置，过滤装置安装在回收泵与储液桶之间，工作槽收集经喷嘴喷出的射流混合溶液，进入酸碱中和室去除酸液成分后，再进入过滤装置过滤掉杂质颗粒后，通过回收泵送回储液桶。优选的，还包括实时监测单元：包含位移传感器、压力传感器、温度传感器、浓度分析仪与pH值测量仪，实时监控单元上的全部器件均与系统控制单元连接；与原有氢氟酸刻蚀方法相比，自动化程度高，酸液消耗量少，经济环保。系统控制单元：为监控计算机，控制酸射流刻蚀装置上电与掉电，控制蠕动泵或者气动隔膜泵与柱塞泵工作状态，控制管路中电磁阀开闭状态，控制运动与定位单元中伺服电机工作状态。优选的，所述酸液桶接口管路为单向流动，反向截止。防止抛光液回流污染酸液。优选的，所述喷嘴采用耐酸特氟龙材料制作，在喷嘴上还设置抛光液进液口和酸液进液口。优选的，过滤装置包括相互独立工作的水力旋流器与过滤网。一种熔石英光学元件的酸射流刻蚀方法，采用上述权利要求1-7任意一项所述酸射流刻蚀装置，其特征在于，包括如下步骤：步骤A)将熔石英元件在特定浓度的氢氟酸稀溶液中浸泡5～10min，去除表面污染物与抛光再沉积层，暴露表面与亚表面缺陷；步骤B)采用光学显微镜定位缺陷的位置和范围，采用共聚焦显微镜测量缺陷深度，采用光学干涉仪测量元件表面面形，采用光学轮廓仪测量元件表面粗糙度；步骤C)根据缺陷的位置、范围与深度信息以及元件面形数据、表面粗糙度结果设定刻蚀参数，编制生成喷头运动轨迹代码；步骤D)启动酸射流刻蚀装置，按照程序指令进行酸射流刻蚀加工；步骤E)超声清洗结合酒精擦拭方式去除表面残留的抛光颗粒与氢氟酸，采用光学显微镜，光学干涉仪与光学轮廓仪再次测量元件的缺陷、表面面形与表面粗糙度结果，若结果不达标，重复步骤B)～E)，若结果达标，则认为元件加工合格。步骤E)中超声清洗结合酒精擦拭方式去除表面残留的抛光颗粒与氢氟酸后，回收管路中的残留废液至指定储液桶中，并做无害化处理。本方法抛光液全程密闭循环，氢氟酸酸液消耗量小，废液实时进行集中无害化处理，环境污染小。本专利技术与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：1、本专利技术采用水泵将储液器中氢氟酸酸液抽出并加压，通过管路输运与抛光液在喷头处混合，混合液通过喷头前端喷嘴喷出，形成具有稳定初速度的细长射流液柱，作用到熔石英元件表面，实现了采用氢氟酸刻蚀无法进行局部区域定点刻蚀。2、本专利技术利用氢氟酸液成分刻蚀作用区域，利用抛光液成分进行局部抛光，改善刻蚀过程引起的粗糙度指标恶化，通过调控驻留时间、加工压力、抛光液浓度等加工参数实时修正表面面形，利用射流冲击效应去除附着于表面的化学反应产物，抑制表面污染。3、本专利技术与原有氢氟酸刻蚀方法相比，自动化程度高，酸液消耗量少，经济环保。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：图1为本专利技术结构示意图；图2为喷头结构示意图。附图中标记及对应的零部件名称：1、酸液输运单元；2、搅拌混合单元；3、抛光液输运单元；4、喷头；5、运动与定位单元；6、回收循环单元；6-1、工作槽；6-2、酸碱中和室；6-3、过滤装置；6-4、水力旋流器；7、实时监测单元；7-1、压力计；7-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种熔石英光学元件的酸射流刻蚀装置，其特征在于，包括酸液输运单元：包括蠕动泵与酸液桶或者气动隔膜泵与酸液桶，采用蠕动泵或者气动隔膜泵并联错时工作方式连续抽取氢氟酸酸液，通过耐酸软管运输酸液桶中的氢氟酸溶液至喷头混合腔中；搅拌混合单元：包括可拆卸式储液桶与电动搅拌杆，储液桶用于储放含有磨料颗粒的抛光液，通过固定接口连接抛光液输运单元，电动搅拌杆位于可拆卸式储液桶内，用于搅拌抛光液；抛光液输运单元：采用柱塞泵将搅拌混合单元中混合均匀的抛光液抽取并加压输运至喷头混合腔中，与氢氟酸酸液混合；喷头：包括混合腔与喷嘴，混合腔混合来自酸液桶和储液桶经管路输运而来的氢氟酸酸液与抛光溶液，喷嘴安装于抛光头前端。

【技术特征摘要】
1.一种熔石英光学元件的酸射流刻蚀装置，其特征在于，包括酸液输运单元：包括蠕动泵与酸液桶或者气动隔膜泵与酸液桶，采用蠕动泵或者气动隔膜泵并联错时工作方式连续抽取氢氟酸酸液，通过耐酸软管运输酸液桶中的氢氟酸溶液至喷头混合腔中；搅拌混合单元：包括可拆卸式储液桶与电动搅拌杆，储液桶用于储放含有磨料颗粒的抛光液，通过固定接口连接抛光液输运单元，电动搅拌杆位于可拆卸式储液桶内，用于搅拌抛光液；抛光液输运单元：采用柱塞泵将搅拌混合单元中混合均匀的抛光液抽取并加压输运至喷头混合腔中，与氢氟酸酸液混合；喷头：包括混合腔与喷嘴，混合腔混合来自酸液桶和储液桶经管路输运而来的氢氟酸酸液与抛光溶液，喷嘴安装于抛光头前端。2.根据权利要求1所述的一种熔石英光学元件的酸射流刻蚀装置，其特征在于，还包括运动与定位单元：用于夹持抛光头，保证喷头能够根据预先设定的运动轨迹在三维空间内实现精准连续移动。3.根据权利要求1或2所述的一种熔石英光学元件的酸射流刻蚀装置，其特征在于，还包括回收循环单元：包括工作槽、回收泵、酸碱中和室与过滤装置，过滤装置安装在回收泵与储液桶之间，工作槽收集经喷嘴喷出的射流混合溶液，进入酸碱中和室去除酸液成分后，再进入过滤装置过滤掉杂质颗粒后，通过回收泵送回储液桶。4.根据权利要求3所述的一种熔石英光学元件的酸射流刻蚀装置，其特征在于，还包括实时监测单元：包含位移传感器、压力传感器、温度传感器、浓度分析仪与pH值测量仪，实时监控单元上的全部器件均与系统控制单元连接；系统控制单元：为监控计算机，控制酸射流刻蚀装置上电与掉电，控制蠕动泵或者气动隔膜泵与柱塞泵工作状态，控制管...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕亮，马平，鄢定尧，朱衡，黄金勇，蒲云体，蔡超，王刚，张明骁，
申请(专利权)人：成都精密光学工程研究中心，
类型：发明
国别省市：四川,51