一种降低石英表面粗糙度至亚纳米量级的方法技术

本发明专利技术公开了一种降低石英表面粗糙度至亚纳米量级的方法，该方法包括以下步骤：确定样品待加工表面的粗糙度参数；将样品放置于透明基板的顶面上；在样品的待加工表面涂覆含有氯分子的水溶液，并使水溶液的折射率小于样品的折射率；从透明基板外侧向样品的待加工表面发射相干单色线偏振辐射光，使相干单色线偏振辐射光从入光面垂直入射；保持相干单色线偏振辐射光对样品的待加工表面照射预定时间，实现对待加工表面的抛光处理。上述方法能够降低近场抛光所需的辐射功率。场抛光所需的辐射功率。场抛光所需的辐射功率。

【技术实现步骤摘要】
一种降低石英表面粗糙度至亚纳米量级的方法


[0001]本专利技术涉及石英表面微纳加工、近场光辅助化学抛光
，具体涉及一种降低石英表面粗糙度至亚纳米量级的方法。

技术介绍

[0002]光学技术在光纤、全息、集成光学和光子学等领域的发展，导致其对材料质量和光学元件制造精度的要求不断提高。许多光学元件的一个重要特性就是表面粗糙度的水平。目前主要采用化学机械抛光法和真空等离子体化学蚀刻法来降低表面粗糙度。在光学表面加工技术不断探索过程中，近场光学抛光技术成为最新、最有效的将石英表面抛光至亚纳米量级的方法。纳米抛光石英粗糙表面的方法属于材料加工(表面)领域，即，属于生产适用于光学新方向(如集成光学、光子学和激光技术)仪表时可能用到的石英表面的纳米抛光。
[0003]近场光学纳米抛光方法是将石英的粗糙表面浸入含有氯分子的介质中，采用一定功率和波长的光直接照射，在石英粗糙表面形成一个消逝场。近场光学辐射形成的消逝场由于石英粗糙表面的凸起和沟槽的存在而不均匀。电磁场的电分量位于凸起附近，与表面平坦区域相比，电场强度增加。当石英表面凸起附近的电场强度高于临界值时，氯分子在高电场强度的区域发生光解作用，形成氯原子及氯离子，它们在外部电场中极化，并被石英粗糙表面凸起部分吸引，在凸起部分与石英相互作用，从而导致石英凸起表面的局部蚀刻，从而降低了其粗糙度。由于表面凸起的高度越大，其附近形成的电场强度越强，蚀刻越明显，最终实现表面的趋于平坦。
[0004]现有技术中，用于抛光石英表面的光学近场抛光法的原理示意图可参考图1，具体抛光过程为：将粗糙的石英表面浸入含有分子氯的介质中，采用激光从溶液侧照射石英的粗糙表面，在石英上方形成消逝场；粗糙的石英表面1上覆盖有含分子氯的溶液2，用激光器4的光束3从溶液侧照射石英表面1；当石英上方消逝场的电场分量强度超过临界值(阈值)时，氯分子发生光解，释放出来的氯原子与石英相互作用，使石英发生腐蚀，石英表面的蚀刻速率取决于电场强度超过阈值的幅度。由于石英表面1具有待降低表面粗糙度的凸起5，在溶液中靠近“溶液
‑
石英”界面的消逝场是不均匀的。在凸起5附近的电场强度总是大于石英表面1平坦部分的电场强度。因此，在表面的蚀刻过程中，凸起5部分的蚀刻速度要比平面部分快，最终形成趋于一致的平坦表面，降低了石英表面1的表面粗糙度。
[0005]但是，因为入射到石英表面的辐射光束3只有一小部分参与到石英表面上方的消逝场的形成，导致现有光学近场抛光法的实现需要高功率的激光辐射。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供了一种降低石英表面粗糙度至亚纳米量级的方法，能够降低近场抛光所需的辐射功率。
[0007]本专利技术采用以下具体技术方案：
[0008]一种降低石英表面粗糙度至亚纳米量级的方法，该方法包括以下步骤：
[0009]步骤一，确定样品待加工表面的粗糙度参数；
[0010]步骤二，将样品放置于透明基板的顶面上，样品的顶面为待加工表面；透明基板与样品采用相同材料制成，并在透明基板的一端设置有倾斜的入光面，入光面与透明基板的顶面之间形成夹角，夹角大于等于样品的全内反射临界角；
[0011]步骤三，在样品的待加工表面涂覆含有氯分子的水溶液，并使水溶液的折射率小于样品的折射率；
[0012]步骤四，从透明基板外侧向样品的待加工表面发射相干单色线偏振辐射光，使相干单色线偏振辐射光从入光面垂直入射，并使相干单色线偏振辐射光的波长大于氯分子的吸收极限波长、且辐射功率密度大于氯分子的吸收极限功率密度；
[0013]步骤五，保持相干单色线偏振辐射光对样品的待加工表面照射预定时间，实现对待加工表面的抛光处理。
[0014]更进一步地，还包括：
[0015]步骤六，检测抛光后样品表面的粗糙度；
[0016]步骤七，当抛光后样品表面的粗糙度不满足要求时，则重复步骤三到步骤六。
[0017]更进一步地，含有氯分子的水溶液为次氯酸钠水溶液或次氯酸钙水溶液。
[0018]更进一步地，预定时间为10min～15min。
[0019]更进一步地，透明基板为石英制成。
[0020]更进一步地，相干单色线偏振辐射光的波长大于500nm。
[0021]更进一步地，相干单色线偏振辐射光的波长为650nm。
[0022]更进一步地，相干单色线偏振辐射光的辐射功率密度大于0.03W/cm2。
[0023]更进一步地，相干单色线偏振辐射光的辐射功率密度为0.05W/cm2。
[0024]更进一步地，相干单色线偏振辐射光为由激光器发射的激光。
[0025]有益效果：
[0026]本专利技术降低石英表面粗糙度至亚纳米量级的方法对于待加工样品的表面具有以下要求：待加工表面在近场抛光加工前应具有较好的表面粗糙度，例如：凸起高度不超过10nm；采用本专利技术的光学近场抛光法能够降低石英表面粗糙度至亚纳米量级，所需辐射功率为现有光学近场抛光法所需辐射功率的九分之一，大大降低其辐射功率需求，节约能源。
附图说明
[0027]图1为现有技术光学近场抛光法的原理示意图；
[0028]图2为本专利技术实施例采用光学近场抛光法降低石英表面粗糙度的原理示意图；
[0029]图3为本专利技术的降低石英表面粗糙度至亚纳米量级的方法的流程图；
[0030]图4给出了不同凸起高度条件下，石英表面凸起区域的电场强度模量E相对表面轮廓相关长度σ的分布情况；
[0031]图5给出了不同表面轮廓相关长度条件下，石英表面凸起区域的电场强度模量E相对表面凸起高度h的分布情况。
[0032]现有技术：1
‑
石英，2
‑
溶液，3
‑
光束，4
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激光器，5
‑
凸起
[0033]本专利技术：21
‑
样品，22
‑
透明基板，23
‑
水溶液，24
‑
相干单色线偏振辐射光，25
‑
激光器，26
‑
待加工表面，27
‑
凸起，28
‑
入光面
具体实施方式
[0034]下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。
[0035]如图3所示，本专利技术实施例提供了一种降低石英表面粗糙度至亚纳米量级的方法，该方法可以包括以下具体步骤：
[0036]步骤一S10，确定样品21待加工表面26的粗糙度参数；样品21，即待加工工件，如：石英或石英类制品；粗糙度参数包括轮廓算数平均偏差Ra、轮廓均方根偏差Rq和轮廓平均宽度Sm；
[0037]步骤二S20，将样品21放置于透明基板22的顶面上，样品21的顶面为待加工表面26；透明基板22与样品21采用相同材料制成，并在透明基板22的一端设置有倾斜的入光面28，入光面28与透明基板22的顶面之间形成夹角a，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种降低石英表面粗糙度至亚纳米量级的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，确定样品待加工表面的粗糙度参数；步骤二，将样品放置于透明基板的顶面上，样品的顶面为待加工表面；透明基板与样品采用相同材料制成，并在透明基板的一端设置有倾斜的入光面，入光面与透明基板的顶面之间形成夹角，夹角大于等于样品的全内反射临界角；步骤三，在样品的待加工表面涂覆含有氯分子的水溶液，并使水溶液的折射率小于样品的折射率；步骤四，从透明基板外侧向样品的待加工表面发射相干单色线偏振辐射光，使相干单色线偏振辐射光从入光面垂直入射，并使相干单色线偏振辐射光的波长大于氯分子的吸收极限波长、且辐射功率密度大于氯分子的吸收极限功率密度；步骤五，保持相干单色线偏振辐射光对样品的待加工表面照射预定时间，实现对待加工表面的抛光处理。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：步骤六，检测抛光后...

【专利技术属性】
技术研发人员：瓦西里，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：