المتقاربة تلميع: بسيطة، عملية سريعة، فتحة كاملة تلميع عالية الجودة البصرية شقق و المجالات
Summary
A novel optical polishing process, called “Convergent Polishing”, which enables faster, lower cost polishing, is described. Unlike conventional polishing processes, Convergent Polishing allows a glass workpiece to be polished in a single iteration and with high surface quality to its final surface figure without requiring changes to polishing parameters.
Abstract
المتقاربة تلميع هو نظام رواية تلميع وطريقة لإنهاء البصريات الزجاج المسطح وكروية فيه الشغل، مستقلة عن شكله الأولي (أي الرقم السطح)، سوف تتلاقى على الرقم سطح النهائي مع نوعية ممتازة تحت السطح، مجموعة ثابت ثابت تلميع المعلمات في التكرار تلميع واحد. في المقابل، طرق تلميع الفتحة الكاملة التقليدية تتطلب متعددة في كثير من الأحيان طويلة، دورات، التكرارية التي تنطوي على تلميع والمقاييس وعملية التغييرات لتحقيق الرقم المطلوب السطح. وتستند عملية متقاربة تلميع على مفهوم الشغل في اللفة ارتفاع عدم تطابق مما أدى إلى الضغط التفاضلي الذي يؤدي إلى انخفاض مع إزالة والنتائج في الشغل المتقاربة لشكل اللفة. تنفيذ الناجح لعملية متقاربة تلميع هو نتيجة لمزيج من عدد من التقنيات لإزالة جميع مصادر غير موحدة إزالة المواد المكانية (باستثناء الشغل في اللفةعدم تطابق) لشخصية سطح التقارب والحد من عدد الجسيمات المارقة في نظام لكثافة الصفر منخفضة وانخفاض خشونة. وقد تجلى عملية متقاربة تلميع لتصنيع كل من الشقق ومجالات مختلفة الأشكال والأحجام، ونسب على المواد الزجاجية المختلفة. الأثر العملي هو أن مكونات عالية الجودة البصرية يمكن أن تكون ملفقة بسرعة أكبر، وأكثر مرارا وتكرارا، مع أقل المقاييس، وبعدد أقل من العمالة، مما أدى إلى انخفاض تكاليف الوحدة. في هذه الدراسة، وصفت بروتوكول متقاربة تلميع خصيصا لافتعال 26.5 سم تنصهر مربع الشقق السيليكا من سطح الأرض على ما يرام إلى ~ λ / 2 الرقم سطح مصقول بعد تلميع 4 ساعة في السطح على 81 سم قطرها الملمع.
Introduction
وتشمل الخطوات الرئيسية في عملية تصنيع البصرية نموذجية تشكيل، طحن، تلميع الكامل الفتحة، وأحيانا أداة صغيرة تلميع 1-3. مع تزايد الطلب على المكونات البصرية عالية الجودة لنظم التصوير والليزر، كانت هناك تطورات كبيرة في تلفيق البصرية على مدى العقود القليلة الماضية. على سبيل المثال، والدقة، وإزالة المواد القطعية ممكنة الآن خلال تشكيل وعمليات طحن مع التقدم في الحاسوب العددي التحكم آلات تشكيل (CNC) الزجاج. وبالمثل، تقنيات تلميع أداة صغيرة (على سبيل المثال، الكمبيوتر التي تسيطر عليها تطفو على السطح البصري (CCOS)، أيون الاعتقاد، ومغناطيسي الانسيابية التشطيب (MRF)) أدت إلى إزالة المواد حتمية والسيطرة الرقم السطح، مما يؤثر بشدة على صناعة تصنيع البصرية. ومع ذلك، فإن خطوة وسيطة في عملية التشطيب، كامل فتحة تلميع، لا تزال تفتقر الحتمية عالية، الأمر الذي يتطلب عادة opticia المهرةنانوثانية لتنفيذ متعددة، وغالبا طويلة، دورات متكررة مع التغيرات عملية متعددة لتحقيق هذا الرقم إلى السطح المطلوب 1-3.
جعلت عدد كبير من وسائل تلميع، متغيرات العملية، والكيميائية المعقدة والتفاعلات الميكانيكية بين الشغل، اللفة والطين 3-4 صعوبة في تحويل تلميع البصرية من 'الفن' إلى العلم. لتحقيق حتمية فتحة تلميع الكامل، ومعدل إزالة المواد يجب أن يكون مفهوما بشكل جيد. تاريخيا، وقد وصفت معدل إزالة المواد عن طريق المعادلة بريستون تستخدم على نطاق واسع 5
(1)
حيث درهم / دينارا هو متوسط معدل إزالة سمك، ك ع هو ثابت بريستون، σ o غيرالضغوط التي مورست، وV r هي متوسط السرعة النسبية بين الشغل واللفة الشكل 1 يصور تخطيطي المفاهيم الفيزيائية التي تؤثر على معدل إزالة المواد كما هو موضح في بريستون معادلة، بما في ذلك الاختلافات المكانية والزمانية في السرعة والضغط، والاختلافات بين الضغوط التي مورست وتوزيع الضغط الذي تجارب الشغل، وآثار الاحتكاك 6-8. على وجه الخصوص، ويخضع توزيع الضغط الفعلي الذي يعيشه الشغل من قبل عدد من الظواهر (وصفها بالتفصيل في مكان آخر 6-8) التي تؤثر بقوة مما أدى الرقم سطح الشغل. أيضا، في بريستون المعادلة، يتم طي الآثار المجهرية والجزيئية مستوى إلى حد كبير في بريستون ثابتة العيانية (ك ع)، والتي تؤثر على مجمل معدل المواد الإزالة، خشونة الصغيرة، وحتى الخدش على الشغل. توسعت الدراسات المختلفة نموذج بريستون لحساب لالطين المجهري الجسيمات وسادة-الشغل التفاعلات لشرح مواد معدل إزالة وmicroroughness 9-16.
لتحقيق السيطرة القطعية من الرقم السطح خلال كامل فتحة تلميع، كل من الظواهر المذكورة أعلاه يجب أن يكون مفهوما، كميا وتسيطر ذلك الحين. استراتيجية وراء متقاربة تلميع هي للقضاء أو التقليل الأسباب غير مرغوب فيها من إزالة المواد غير موحدة، سواء من خلال هندستها التصميم ملمع أو عن طريق التحكم في العمليات، مثل أن إزالة مدفوعة فقط من قبل عدم تطابق الشغل لفة بسبب شكل الشغل 7،17- 18. ويوضح الشكل 2 كيف يمكن أن يؤدي إلى شكل الشغل التقارب على أساس الشغل في اللفة مفهوم عدم تطابق. النظر في اللفة مسطحة والشغل افتراضية من شكل معقد يظهر في أعلى اليسار. فمنها ارتفاع واجهة (ويشار إلى هذه الفجوة، Δh ر أ) يؤثر على توزيع الضغط واجهة (σ) على النحو التالي:
المحتوى "FO: المحافظة على together.within صفحة =" دائما ">
(2) حيث h هو ثابت واصفا المعدل الذي الضغط ينخفض مع زيادة في الفجوة Δh OL 6. في هذا المثال، الشغل لديها أعلى ضغط المحليين في مركز (انظر الجزء السفلي الأيسر من الشكل 2)، وبالتالي هذا الموقع سوف نلاحظ أعلى معدل إزالة المواد الأولية خلال تلميع. كما تتم إزالة المواد، والفرق الضغط عبر الشغل الانخفاض يرجع إلى انخفاض في عدم تطابق الشغل في اللفة، وسوف الشغل تتلاقى على شكل اللفة. في التقارب، وتوزيع ضغط الشغل، وبالتالي إزالة المادية، وسوف تكون موحدة في جميع أنحاء الشغل (انظر الجانب الأيمن من الشكل 2). ويتضح هذا المثال لحضن مسطحة، howevإيه، وينطبق نفس المفهوم لحضن كروية (إما مقعرة أو محدبة). مرة أخرى، هذه عملية التقارب يعمل فقط إذا تم القضاء على كل الظواهر الأخرى التي تؤثر المكاني المادي عدم تماثله. ووصف التخفيف الإجرائية وهندسية محددة تنفذ في بروتوكول تلميع متقاربة في مناقشة.
بروتوكول صفها في الدراسة التالية هي عملية متقاربة تلميع خصيصا ل26.5 سم مربع تنصهر الشغل زجاج السيليكا بدءا من سطح الأرض على ما يرام. في 8 ساعات من تلميع (4 ساعات / السطح)، وهذا يمكن الشغل تحقيق التسطيح مصقول من ~ λ / 2 مع نوعية السطح عالية جدا (أي منخفضة الكثافة الصفر).
Protocol
Representative Results
Discussion
كما جاء في المقدمة، والتنفيذ الناجح لتلميع متقاربة فيما يتعلق السطح الرقم يشمل القضاء أو التقليل من كل الظواهر التي تؤثر المكاني المادي عدم تماثله إلا أنه من الشغل في اللفة بسبب عدم تطابق شكل الشغل. إذا كان أي واحد من هذه الظواهر لا ينحصر بشكل مناسب، إما من خلال التحك…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work performed under the auspices of the U.S. Department of Energy by Lawrence Livermore National Laboratory under Contract DE-AC52-07NA27344 within the LDRD program.
Materials
| Name of Material/Equipment | Company | Catalog Number |
| MHN 50 mil Polyurethane Pad | Eminess Technologies | PF-MHN15A050L-56 |
| Cerium oxide polishing slurry | Universal Photonics | HASTILITE PO |
| Septum Glass (waterjet cut) | Borofloat ; Schott | NA |
| Diamond conditioner | Morgan Advanced Ceramics | CMP-25035-SFT |
| Ultrasonic Cleaner | Advanced Sonics Processing System | URC4 |
| Purification Optima Filter cartridge | 3M | CMP560P10FC |
| Blocking Pitch | Universal Photonics | BP1 |
| Blocking Tape | 3M | #4712 |
| Cleanroom Cloth | ITW Texwipe | AlphaWipe TX1013 |
| Single Particle Optical Sensing | Paritcle Sizing Systems | Accusizer 780 AD |
References
- Anderson, D., Burge, J., Thompson, B., Malacara, D. Ch 28. Handbook of optical engineering. Optical fabrication. , (2001).
- Karow, H. . Fabrication Methods for Precision Optics. , (1993).
- Brown, N. J. A short course in optical fabrication technology. , (1981).
- Cook, L. Chemical processes in glass polishing. J. Non-Crystal. Solids. 120, 152-171 (1990).
- Preston, F. The Structure of Abraded Glass Surfaces. Trans. Opt. Soc. 23 (3), 141-14 (1922).
- Suratwala, T., Feit, M., Steele, R. Toward Deterministic Material Removal and Surface Figure During Fused Silica Pad Polishing. J. Am. Ceram. Soc. 93 (5), 1326-1340 (2010).
- Suratwala, T., Steele, R., Feit, M., Desjardin, R., Mason, D. Convergent Pad Polishing of amorphous fused silica. International Journal of Applied Glass Science. 3 (1), 14-28 (2012).
- Suratwala, T., Feit, M., Steele, R., Wong, L. Influence of Temperature and Material Deposit on Material Removal Uniformity during Optical Pad Polishing. J. Am. Ceram. Soc. , (2014).
- Suratwala, T. Microscopic removal function and the relationship between slurry particle size distribution and workpiece roughness during pad polishing. J. Am. Ceram. Soc. 91 (1), 81-91 (2014).
- Terrell, E., Higgs, C. Hydrodynamics of Slurry Flow in Chemical Mechanical Polishing. J. Electrochem. Soc. 153 (6), 15-22 (2006).
- Runnels, S., Eyman, L. Tribology Analysis of Chemical MechanicalPolishing. J. Electrochem. Soc. 141 (6), 1698-1701 (1994).
- Park, S., Cho, C., Ahn, Y. Hydrodynamic Analysis of Chemical Mechanical Polishing Process. J. Tribology Int. 33, 723-730 (2000).
- Luo, J., Dornfeld, D. Effects of Abrasive Size Distribution in Chemical Mechanical Planarization: Modeling and Verification. IEEE T. Semicond. M. 16 (3), 469-476 (2003).
- Luo, J., Dornfeld, D. Material Removal Mechanism in Chemical Mechanical Polishing: Theory and Modeling. IEEE T. Semiconduct. M. 14, 112-133 (2001).
- Bastaninejad, M., Ahmadi, G. Modeling the Effects of Abrasive Size Distribution, Adhesion, and Surface Plastic Deformation on Chemical Mechanical Polishing. J. Electrochem. Soc. 152 (9), 720-730 (2005).
- Sampurno, Y., Sudargho, F., Zhuang, Y., Ashizawa, T., Morishima, H., Philipossian, A. Effect of Cerium Oxide Particles Sizes in Oxide Chemical Mechanical Planarization. Electrochem. Solid State. 12 (6), 191-194 (2009).
- Suratwala, T., et al. Method and system for Convergent Polishing. US Provisional Patent Application. , (2011).
- Suratwala, T., Feit, M., Steele, R. Apparatus and Method for Deterministic Control of Surface Figure During Full Aperture Polishing. US Patent Application. US. , (2010).
- Dylla-Spears, R., Feit, M., Miller, P., Steele, R., Suratwala, T., Wong, L. Method for preventing agglomeration of charged colloids without loss of surface activity. US Provisional Patent Application. , (2012).
- Dylla-Spears, R., Wong, L., Miller, P., Feit, M., Steele, R., Suratwala, T. Charged Micelle Halo Mechanism for Agglomeration Reduction in Metal Oxide Particle Based Polishing Slurries. Colloid Surface A. 447, 32-43 (2014).
- Wong, L., Suratwala, T., Feit, M., Miller, P., Steele, R. The Effect of HF/NH4F Etching on the Morphology of Surface Fractures on Fused Silica. J. Non-Crystal. Solids. 355, 797 (2009).
- Feit, M., DesJardin, R., Steele, R., Suratwala, T. Optimized pitch button blocking for polishing high-aspect-ratio optics. Appl. Opt. 51 (35), 8350-8359 (2013).
- Suratwala, T., et al. Sub-surface mechanical damage distributions during grinding of fused silica. J. Non-Crystal. Solids. 352, 5601 (2006).
- Miller, P., et al. The Distribution of Sub-surface Damage in Fused Silica. SPIE. 5991, (2005).
- Suratwala, T., et al. Effect of Rogue particles on the sub-surface damage of fused silica during grinding/polishing. J. Non-Crystal. Solids. 354, 2003 (2008).
- Suratwala, T., Miller, P., Ehrmann, P., Steele, R. Polishing slurry induced surface haze on phosphate laser glasses. J. Non-Crystal. Solids. 351, 2091-2101 (2004).
