基于准布儒斯特角法研究抛光过程中光学材料的表面质量

发布时间：2024-02-21 19:14

　　光学硬脆材料在机械加工过程中不可避免地形成表面/亚表面损伤,对器件性能、使用寿命等具有至关重要的影响。相较于磨削、研磨两种前道工艺,抛光阶段材料的损伤逐渐减少至极其微量的程度,而最终残留的损伤将伴随材料的使用全周期,研究抛光阶段表面质量的变化过程对掌握抛光的工艺质量十分必要,但测量难度高。针对这一问题,本文在总结抛光阶段损伤形式的基础上,首先仿真分析了准布儒斯特角法检测表面质量的原理和优势,随后以Nd∶GGG激光晶体为研究对象,利用椭偏仪对不同抛光工艺下样品表面质量的变化进行了实验研究。通过与白光干涉法测量的表面形貌进行对比,准布儒斯特角偏移量和相位角变化曲线斜率准确地反映了抛光过程中表面质量的变化,展现了该方法的无损伤和高灵敏度特性,以及辅助研究抛光工艺的可行性。最后,对准布儒斯特角法在表面质量检测方面面临的问题进行了分析和展望。

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【部分图文】：

图1激光晶体Nd∶GGG在研磨和抛光加工后表面的SEM图

加工过程中,不同工艺会引入不同类型的损伤,对损伤类型和来源的研究有助于检测方法的开发。研磨阶段主要产生微裂纹、相变、位错/层错和残余应力;抛光加工旨在获取理想的面形精度,降低表面粗糙度及表面瑕疵并去除研磨产生的损伤层。图1是FIB/SEM双束系统对Nd∶GGG激光晶体加工损伤的检....

图2抛光的石英玻璃表面损伤模型

Evans等[17]将抛光机理分为机械磨损、塑性流动和机械化学反应等类型,其中机械化学理论普遍为大家所接受[18]。以典型硬脆材料石英玻璃为例[7-8,19],抛光后样品的亚表面损伤由外及内通常分为三层(图2):重积层(也称水解层)、损伤层(包括微裂纹、脆塑性划痕、杂质和残余应....

图3(a)表面粗糙层厚度和(b)等效亚表面损伤层厚度对p偏振光相位随入射角变化情况的影响

这里以熔融石英为研究对象,利用准布儒斯特角法对其表面/亚表面损伤与光学信号间的关系进行了仿真研究,探讨了表面粗糙度、等效亚表面损伤层厚度与准布儒斯特角偏移及变化斜率的关系。图3是基于空气-粗糙层-亚表面损伤层-基体模型的仿真分析结果。当样品仅有粗糙层,且其等效厚度在1～20nm....

图4(a)测试样品(红色为测试区域);(b)～(f)不同加工时长的样品中间区域的表面形貌

第一次实验的抛光总时长为50min,并每隔10min取出1片用作后续对比测试,共获得5片不同抛光时长的样品。使用3D光学轮廓仪(Sensofar,SNeox)在样品表面选取5个测量区域(图4(a))进行表面形貌(Ra)测量,并将5个区域的表面粗糙度平均值作为评价表面质量的指....

本文编号：3905793