光学元件改性处理对激光损伤阈值的影响

针对355nm激光作用于熔石英光学元件后其损伤阈值容易变差的问题,提出使用1.7%纯HF溶液和0.4%HF与1.2%NH4F混合的BOE溶液对样品进行处理来提高它们的激光诱导损伤阈值(LIDT)。在相同的条件下将熔石英光学元件浸没到上述两种不同的刻蚀溶液中进行处理,通过测量刻蚀过程中元件重量变化来计算刻蚀速率,利用Zygo轮廓仪测试元件表面粗糙度,然后对355nm激光照射下熔石英元件的损伤阈值情况进行研究。损伤测试表明,LIDT与元件的材料去除深度有关系,用两种刻蚀液刻蚀去除一定深度后,LIDT均有增加,但是进一步去除会显著地降低元件的LIDT。在处理过程中,这两种刻蚀液的去除速率都很稳定,分别为85.9nm/min和58.6nm/min左右。另外,元件表面的粗糙度会随着刻蚀时间的增加而变大。在刻蚀过程中还通过纳米技术测量了熔石英元件表面的硬度及杨氏系数,不过没有证据表明其与激光诱导损伤有明确的关系。     

磁流变抛光对熔石英激光损伤特性的影响

为进一步提升熔石英元件的激光损伤阈值,研究了氢氟酸(HF)动态酸刻蚀条件下磁流变抛光工艺对熔石英元件激光损伤特性的影响规律。首先,采用不同工艺制备熔石英元件,测量它们的表面粗糙度。然后,采用飞行时间-二次离子质谱法(OF-SIMS)检测磁流变加工前后熔石英元件中金属杂质元素的含量和深度;采用1-on-1方法测试激光损伤阈值,观测损伤形貌,并对损伤坑的形态进行统计。最后,分析了磁流变抛光工艺提升熔石英损伤阈值的原因。与未经磁流变处理的熔石英元件进行了对比,结果显示:磁流变抛光使熔石英元件的零概率激光损伤阈值提升了23.3%,金属杂质元素含量也显著降低,尤其是对熔石英激光损伤特性有重要影响的Ce元素被完全消除。得到的结果表明,磁流变抛光工艺能够被用作HF酸动态酸刻蚀的前道处理工艺。     

大尺寸熔石英采样光栅的研究进展

综述了近五年来为神光装置研制大口径熔石英采样光栅所取得的主要进展。提出了大尺寸采样光栅的化学机械抛光技术,将全息光刻-离子束刻蚀的430mm口径采样光栅的采样效率均匀性控制在均方根值低于5%,满足了采样光栅的设计要求。针对采样光栅的阈值特性,利用二次离子质谱技术,定量表征了采样光栅制备过程中引入的污染及其清洗效果,优化、发展了采样光栅的清洗方法。探索了基于氢氟酸和感应耦合等离子体刻蚀的熔石英基底处理技术,结合干湿法处理技术来去除熔石英光栅基底的亚表面损伤。为进一步提升采样光栅抗激光辐射损伤特性,提出将发展大尺寸熔石英采样光栅的氢氟酸处理方法及具有亚波长减反光栅结构的采样光栅的制备方法。     

光纤激光诱导背面干法刻蚀制备二元衍射光学元件

为了降低激光直接辐照透明介电材料的表面加工粗糙度和激光能量密度刻蚀阈值,提高微光学元件的产出率,介绍了一种用固体介质作吸收层,激光直接作用在透明光学材料上进行微纳加工的激光诱导背面干法刻蚀工艺。首先,选用95氧化铝陶瓷作固体材料辅助吸收层,应用中心波长为1 064 nm的掺镱光纤激光器,在3.2 mm厚的熔融石英玻璃表面刻蚀了亚微米尺度的二维周期性光栅结构。然后,对刻蚀参数进行拟合并探讨了激光能量密度对刻蚀参数的影响。最后,观察该二元光学元件的衍射花样图形并讨论其衍射特性。实验制备了槽深为4.2 μm,槽底均方根粗糙度小于40 nm,光栅常数为25 μm的二维微透射光栅,其刻蚀阈值低于7.66 J/cm²。结果表明,应用该工艺制备二维透射光栅,降低了激光刻蚀透明材料的密度阈值及加工结构的表面粗糙度。     

盐酸-激光复合刻蚀+SA修饰制备镁合金表面超疏水结构的耐腐蚀性能

采用盐酸-激光复合刻蚀+十八烷酸(SA)修饰工艺,在抛光态AZ91镁合金表面制备超疏水结构,研究了其表面形貌、润湿性能和耐腐蚀性能。结果表明:复合刻蚀后,镁合金表面形成了一种以微米尺度的点状凹坑以及紧密且有序排列的凸起结构为主的粗糙结构,再经SA修饰后,形成了微纳米级复合粗糙结构;复合刻蚀+SA修饰后的表面呈现超疏水性,且表现出良好的抗水滴黏附性能;与抛光态镁合金相比,复合刻蚀+SA修饰所得超疏水镁合金的自腐蚀电位提高,自腐蚀电流密度下降,显示出良好的耐腐蚀性能;在3.5%(质量分数)NaCl溶液中浸泡24h后,该超疏水表面未发现明显的腐蚀迹象。     

熔石英光学元件的CO2激光加工技术研究新进展

熔石英元件是一种典型的硬脆性且难加工的材料,在传统机械加工中的加工效率极低,并且加工过程中引入的机械弱化层,严重影响了熔石英元件在强冲击、高载荷、高能量环境下的使用寿命。和传统机械加工方法相比,CO_2激光加工技术的优点在于可实现非接触式加工,并且去除精度高和去除效率高。尤其重要的是,CO_2激光加工后的熔石英光学元件无表面/亚表面裂纹、划痕等缺陷,使得CO_2激光加工技术在熔石英元件的加工中得到了重要且广泛的应用。因此,从熔石英元件的CO_2激光加工理论、大口径器件CO_2激光加工工艺、局部区域CO_2激光损伤修复,以及表面微结构加工4个方面出发,对熔石英光学元件的CO_2激光加工技术研究现状进行综述,重点分析了CO_2激光加工技术在熔石英元件大口径器件/局部区域加工的工艺水平现状以及微结构加工的应用现状,并探讨了CO_2激光加工过程中引入的负面效应以及仍需解决的问题,希望为推动CO_2激光加工技术在熔石英元件加工的进一步应用提供参考。     

熔石英光学元件加工亚表面缺陷检测及抑制技术研究进展

熔石英材料因具有硬度大、热膨胀系数低、透射光谱范围广等良好的机械性能和热学、光学特性,广泛应用于国防、航天等领域中关键光学元件的制造。作为一种典型的硬脆材料,在传统的研磨抛光加工中,不可避免地会引入亚表面层的微裂纹、划痕等结构性缺陷,这些缺陷会严重降低熔石英元件在高功率激光使用环境下的激光损伤阈值,并影响其在高冲击载荷使用环境下的抗断裂损伤能力。从硬脆材料的磨削机理出发,对熔石英光学元件亚表面缺陷的产生机制、亚表面缺陷的检测技术、熔石英亚表面缺陷抑制技术的研究现状进行综述,重点对比针对加工亚表面缺陷的有损检测和无损检测技术的优缺点,探讨多种先进表面加工技术在抑制熔石英光学元件亚表面缺陷中的应用。希望为优化大口径、高精度、高质量熔石英光学元件加工工艺,并提升其在高功率激光、高冲击载荷等极端服役环境下使用性能、延缓其使用寿命提供有益参考。     

高抗激光损伤阈值光栅后处理抛光技术研究

脉冲压缩光栅是实现高能量激光的核心光学元器件,其制造过程中产生的表面污染物和微结构缺陷成为限制高功率激光系统发展的技术瓶颈,为了提升光栅的激光诱导损伤阈值,提出利用磁性复合流体进行脉冲压缩光栅(PCG)后处理抛光研究。对抛光前后光栅样品的微观结构,表面形貌、表面粗糙度、衍射效率和激光诱导损伤阈值等参数进行测量,进行抛光前后光栅表面质量和光栅性能的评估。研究发现,磁性复合流体抛光能够在不破坏实际光栅结构的前提下抑制加工过程产生的毛刺,微结构缺陷等;经3 min抛光后,光栅顶部表面粗糙度从21.36 nm下降到3.73 nm;激光诱导损伤阈值从2.8 J/cm²提高到3.8 J/cm²,抗激光损伤性能提升35.7%,且不影响衍射效率。实验结果表明：磁性复合流体抛光是一种可以提高光栅元件表面质量,提升光栅元件光学性能的有效方法。     

各向异性湿法刻蚀z切石英后结构侧壁形貌的预测

基于石英晶体各晶面的湿法刻蚀速率,研究了石英微结构侧壁形貌的预测方法,讨论了各向异性湿法刻蚀石英的规律.首先,总结了石英各主要晶面的相对刻蚀速率,分别绘制了x、y族刻蚀速率矢量图.然后,在掩模层的边缘处,通过绘制相应的晶面刻蚀速率矢量图,得到各速率矢量的晶面线,晶面线所围成的最小轮廓即是石英微结构的刻蚀形貌.最后,利用该方法预测了x向和y向石英梁的侧壁形貌.在70℃的氢氟酸和氟化铵混合溶液内刻蚀5h,制作了厚度均为500μm的x向和y向两种石英微梁.结果显示,y向梁的-x向侧壁有一均匀整齐的晶棱,棱高210 μm,而+z向侧壁平滑.x向梁的侧壁均有晶棱,+y向晶棱较大,棱高为450 μm,-y向晶棱棱高为240 μm.所制作梁的侧壁形貌与预测结论基本吻合,验证了预测方法的正确性.基于该方法可在石英微结构的设计阶段,通过引入工艺因素对微结构进行优化.     

NaOH对硅基薄膜体声波谐振器的背腔刻蚀研究

薄膜体声波谐振器(FBAR)在无线通信领域具有十分广阔的发展和应用前景。该文主要针对薄膜体声波谐振器背腔湿法刻蚀工艺进行了研究。通过改变Na OH浓度以及刻蚀温度对硅进行了湿法刻蚀,研究了硅的刻蚀速率以及刻蚀表面的粗糙度Ra。研究表明硅刻蚀速率随温度呈指数变化,在Na OH质量分数为33%时刻蚀速率最快,同时刻蚀表面粗糙度最小。在此质量分数条件下,刻蚀速率可达1μm/min,刻蚀表面粗糙度小于5 nm。该刻蚀工艺可以满足谐振器背腔刻蚀过程中对硅以及支撑层表面质量的要求。     

聚酰亚胺薄膜的反应离子刻蚀抛光方法

为进一步提高聚酰亚胺薄膜光学器件的表面质量,提出了一种聚酰亚胺薄膜的反应离子刻蚀抛光方法,对其抛光原理和抛光实验进行了研究。利用光刻胶流体低表面张力及流动特性,通过在聚酰亚胺薄膜表面涂覆光刻胶对其表面缺陷进行填补;结合聚酰亚胺与光刻胶的反应离子高各向异性等比刻蚀工艺,将光刻胶光滑平整表面高保真刻蚀转移至聚酰亚胺表面,从而实现聚酰亚胺薄膜的反应离子刻蚀抛光。实验结果表明：PV、RMS分别为1.347μm和340nm的粗糙表面通过二次抛光可降低至75nm和13nm,PV、RMS分别为61nm和8nm的表面粗糙度可降低至9nm和1nm。该抛光方法能有效提高聚酰亚胺薄膜的表面光洁度,可为以聚酰亚胺薄膜为代表的高分子柔性光学器件的精密加工提供新的工艺思路。     

Effect of surface etching on condensing heat transfer

This study conducted experiments on humid air condensation during heat transfer in an air preheating exchanger attached to a home condensing boiler to improve thermal efficiency. An etchant composed of sulfuric acid and sodium nitrate was used to create roughness on the heat exchanger surface made from STS430J1L. A counter flow heat exchanger was fabricated to test the performance of heat transfer. Results showed that the overall heat transfer coefficients of all specimens treated with etchant improved with respect to the original specimens (not treated with etchant), and the overall heat transfer coefficient of the 60 s etching specimen increased by up to 15%. However, the increasing rate of the heat transfer coefficient was disproportional to the etching time. When the etching time specifically increased above 60 s, the heat transfer coefficient decreased. This effect was assumed to be caused by surface characteristics such as contact angle. Furthermore, a smaller contact angle or higher hydrophilicity leads to higher heat transfer coefficient.

     

空间相机反射镜碳化硅材料性能测试

通过对SiC样件加工研磨及反射率等性质的测试,得到了材料的性能数据,分析了用SiC材料制备反射镜毛坯的几种方法的优缺点。采用Lanmda-9分光光度计,对SiC在不同表面镀硅、镀银、以及镀硅后再镀银的条件下进行了反射率测试,得出在镀硅再镀银条件下,反射率最高,达到98%的结果。利用Wyko干涉仪对国产SiC长条形样镜进行研磨分析测试,测得表面粗糙度值为6.27 nm。该材料在某型号离轴三反光学系统中作为反射镜得以应用和验证,测得被加工后,镜面面形PV值达到0.068 λ,RMS值为0.01 λ(λ=632.8 nm)。此结果表明,材料的性能达到了可加工可应用的要求。     

Pulsed Nd:YAG laser treatment of monocrystalline silicon substrate

To minimize reflection and increase the opportunity for photovoltaic (PV) devices to absorb incident light, we produced rough-textured surfaces using a pulsed Nd:YAG laser. We investigated the effect of various operating parameters on surface features and optical performance. The parameters investigated were pulse repetition frequency, pulse energy, and textured surface exposure time. Following laser surface treatment, no chemical solution etching or anti-reflective coatings were necessary. Reflectance values were measured by spectrophotometer. Structural properties including surface morphology and surface roughness of the textured surfaces were analyzed by a three-dimensional confocal laser scanning microscope. The resulting surface reflection curves indicated that, of the different laser machining paths, the vertical and circular paths produced identical optical properties in the samples. Surface reflection values decrease as the pulse energy and exposure times increase. By contrast, surface roughness increases with exposure time. An increase in pulse frequency reduces surface roughness, although the extent of the reduction depends upon the pulse energy. Following surface texturing of the monocrystalline silicon samples, the total reflection was reduced from 40% to approximately 10% of incident light. Our experimental results indicate that the rougher surfaces attained by laser surface treatment provide better light-trapping properties for PV devices.     

超声技术在石英光纤腐蚀中的运用

为了获得光滑的腐蚀光纤表面并精确管理光纤的腐蚀直径,采用自行设计的超声腐蚀系统,在质量百分比浓度为12.5％的氢氟酸(HF)溶液中研究了超声功率和腐蚀温度对石英光纤包层、纤芯腐蚀速率以及腐蚀后光纤表面形貌的影响.研究表明:在HF溶液中,超声扰动有利于提高光纤的腐蚀速率,光纤腐蚀速率与腐蚀时间呈非线性关系,腐蚀表面随着腐蚀的进行越来越粗糙.基于研究结果,进一步采用质量百分比浓度为12.5％的HF溶液和25％的NH4OH溶液配制了缓冲氢氟酸(BHF)溶液,探讨了光纤腐蚀速率及表面形貌的变化,结果表明:在V(HF)∶V(NH4OH)=2的BHF溶液中,当超声功率为165 W、腐蚀温度为40℃时,可获得光滑的腐蚀光纤表面和腐蚀速率与腐蚀时间的线性关系.     

玻璃基硅光波导的研制

采用硅-玻璃键合和选择性腐蚀技术研制出了玻璃上硅(SOG)光波导材料。所研制出的光波导材料表面质量主要取决于所用绝缘体上硅(SO I)材料。当所用SO I材料为基于SIMOX技术的材料时,表面RM S粗糙度为3nm左右,自相关长度为100nm左右。采用SOG材料所制作出的脊型光波导的传输损耗与相应的SO I材料上制作出的光波导相当。这种光波导材料既具有SO I材料的众多优点,还可以在器件制作中同时实施硅的下界面处理,同时它采用玻璃作为波导的下限制层,得到较厚的下限制层。     

Effects of etchant on the nanostructure of dentin: an atomic force microscope study

The objective of this study is to investigate effects of etchant on dentin surface as a function of etching time by atomic force microscopy (AFM). Twenty intact, freshly extracted noncarious human teeth were used to make 40 dentin discs and the discs were randomly divided into 4 groups. A commercial etchant was applied on these dentin discs. The main component of the etchant is 32% phosphoric acid and the etching time for the four dentin disc groups was 0, 20, 40, and 60 s. The AFM results show progressive changes of the surface morphology as the etching time increases. Significant difference of average roughness (R_a) exists in the dentin surface among all four groups (p<0.05). The statistic difference of diameters of dentinal tubule orifice (D_t) exists between the control group and all other groups (p<0.05), whereas the D_ts for the 40‐s group and 60‐s group are not statistically different (p>0.05). Our results showed that acid treatment has a significant influence on dentin demineralization and the effective etching time of the dentin surface appears to be 60 s. We provide a new nanoscale insight into the dentin surface treatment and this can help us to select the optimal etching time in clinic. SCANNING 31: 28–34, 2009. © 2009 Wiley Periodicals, Inc.     

中心点亮度和均方根值两种评价方法间的联系

对评价光学波前误差的两个重要指标——中心点亮度和均方根值的内在联系进行了深入的研究,利用计算机优化得到了两者关系的极限曲线,并进一步分析了利用计算机模拟得到的两种极限情况下面形的特征,得到:均方根误差一定的表面,其中心点亮度与面形误差的空间频率分布有关。若面形误差的中高频分量较高,它的中心点亮度将较低。从而揭示了相同均方根值误差的表面产生不同中心点亮度的原因,为较全面地评价光学元件和系统的误差提供了参考。