Convergente Polijsten: Een eenvoudige, snelle, volledige Aperture polijsten van hoogwaardige optische Flats & Spheres
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
Convergente Polijsten is een nieuw polijst systeem en werkwijze voor het afwerken vlakke en sferische glasoptiek waarin een werkstuk, onafhankelijk van de oorspronkelijke vorm (dwz oppervlaktepatroon) convergeren naar uiteindelijke oppervlaktevorm uitstekende oppervlaktekwaliteit onder vaste, onveranderlijke reeks polijsten parameters in één polijsten iteratie. In tegenstelling tot conventionele volle lensopening polijsten methoden vereisen meerdere, vaak lang, iteratieve cycli waarbij polijsten, metrologie en procesveranderingen de gewenste oppervlakte figuur te bereiken. Het Convergent Polijsten is gebaseerd op het concept van werkstuk-lap hoogte mismatch gevolg drukverschil die afneemt met verwijdering en resulteert in het werkstuk convergeert naar de vorm van de schoot. De succesvolle implementatie van de convergente Polijsten proces is een gevolg van de combinatie van een aantal technologieën om alle bronnen van niet-uniforme ruimtelijke materiaal verwijderen (verwijderen behalve voor werkstuk-lapmismatch) voor oppervlakte figuur convergentie en om het aantal malafide deeltjes te verminderen in het systeem voor lage kras dichtheden en lage ruwheid. De convergente Polijsten proces is aangetoond voor de fabricage van zowel flats en sferen van verschillende vormen, maten, en beeldverhoudingen op diverse glas materialen. De praktische gevolgen is dat hoogwaardige optische componenten sneller kunnen worden vervaardigd, meer herhaald, met minder metrologie, en met minder arbeid, wat resulteert in lagere kosten per eenheid. In deze studie wordt de convergente Polijsten protocol specifiek beschreven voor het vervaardigen van 26,5 cm in het vierkant kwartsglas flats van een fijn grondvlak om een gepolijst ~ λ / 2 oppervlak figuur na het polijsten 4 uur per oppervlak op een 81 cm diameter polijstmachine.
Introduction
De belangrijkste stappen in een typische optische fabricageproces onder vormgeven, slijpen, volle lensopening polijsten, en soms kleine tool polijsten 1-3. Met de toenemende vraag naar kwalitatief hoogwaardige optische componenten voor de beeldvorming en lasersystemen, zijn er aanzienlijke vooruitgang in optische fabricage in de afgelopen decennia. Bijvoorbeeld, precisie, deterministische materiaal verwijderen is nu mogelijk tijdens het vormen en slijpen processen met ontwikkelingen in Computer Numerical Controlled (CNC) glas vormgeven machines. Ook kleine tool polijsten technologieën (zoals computergestuurde optische verhardingen (CCO), ion uitzoeken, en magneto-rheologische afwerking (MRF)) hebben geleid tot een deterministische materiaal verwijderen en het oppervlak figuur controle, dus sterk invloed op de optische fabricage-industrie. Echter, de tussenstap van de afwerking, volle lensopening polijsten, ontbreekt nog steeds hoog determinisme, meestal vereisen geschoolde opticians voor het uitvoeren van meerdere, vaak lang, iteratieve cycli met meerdere wijzigingen proces te bereiken om de gewenste oppervlakte figuur 1-3.
Het grote aantal polijsten methoden, procesvariabelen, en de complexe chemische en mechanische interacties tussen het werkstuk, rondetijd en drijfmest 3-4 hebben gemaakt het een uitdaging om optische polijsten transformeren van een 'kunst' om een wetenschap. Deterministische volle lensopening polijsten bereiken, moet de afname goed worden begrepen. Historisch gezien is afname is beschreven door de veel gebruikte Preston vergelijking 5
(1)
waar dh / dt is de gemiddelde dikte afneemvermogen, k p is de constante Preston, σ ode toegepaste druk, en V r de gemiddelde relatieve snelheid tussen het werkstuk en de schoot. Figuur 1 schematisch de fysieke concepten afname beïnvloeden zoals beschreven Preston vergelijking, inclusief ruimtelijke en temporele variaties in snelheid en druk verschillen tussen de toegepaste druk en de drukverdeling het werkstuk ervaringen en wrijvingseffecten 6-8. In het bijzonder wordt de werkelijke drukverdeling ervaren door het werkstuk onder een aantal verschijnselen die sterk beïnvloeden verkregen oppervlaktepatroon van het werkstuk (elders uitvoerig beschreven 08/06). Ook in de Preston vergelijking, de microscopische en moleculaire niveau effecten zijn grotendeels gevouwen in de macroscopische Preston (k p), die de totale afname, micro-ruwheid, en zelfs krassen op het werkstuk beïnvloedt. Diverse studies hebben Preston's model uitgebreid om rekening te houden voor microscopisch drijfmest particle-pad-werkstuk interacties tot afname en microruwheid 9-16 verklaren.
Om deterministische controle oppervlaktepatroon in volle opening polijsten bereiken, elk van de bovenbeschreven verschijnselen moet worden begrepen, gekwantificeerd en daarna gecontroleerd. De strategie achter Convergente Polijsten is te elimineren of te minimaliseren van de ongewenste oorzaken van niet-uniforme materiaal verwijdering, hetzij door middel van gemanipuleerde polijstmachine ontwerp of door controle van processen, zodanig dat verwijdering alleen wordt aangedreven door de werkstuk-lap mismatch te wijten aan het werkstuk vorm 7,17- 18. Figuur 2 illustreert hoe werkstuk vorm kan leiden tot convergentie op basis van het werkstuk-lap mismatch concept. Overweeg een platte lap en een hypothetische werkstuk van complexe vorm getoond in de linker bovenhoek. De interface hoogte mismatch (aangeduid als de spleet, Ah oL) beïnvloedt de interface drukverdeling (σ) als:
content "fo: keep-together.within-page =" always ">
(2) waarbij h een constante beschrijft de snelheid waarmee de druk afneemt met een toename spleet Ah oL 6. In dit voorbeeld is het werkstuk heeft de hoogste lokale druk in het midden (zie links onderaan figuur 2), en vandaar deze locatie zal de hoogste initiële afname in acht te nemen tijdens het polijsten. Zoals wordt verwijderd, wordt het drukverschil over het werkstuk afnemen door een afname van de werkstuk-lap mismatch en het werkstuk zal convergeren naar de vorm van de schoot. Bij convergentie, het werkstuk drukverdeling en bijgevolg materiaalverwijdering wordt uniform over het werkstuk (zie rechterzijde van figuur 2). Dit voorbeeld wordt geïllustreerd voor een platte lap, howeveh, hetzelfde concept geldt voor een bolvormige ronde (hetzij hol of bol). Nogmaals, deze convergentie proces werkt alleen als alle andere verschijnselen die ruimtelijke materiële niet-uniformiteit zijn geëlimineerd. De specifieke procedurele en technische beperkende factoren in de convergente Polijsten protocol geïmplementeerd worden beschreven in de discussie.
De in de volgende studie beschreven protocol is de convergente Polijsten proces specifiek voor een 26,5 cm in het vierkant fused silica glas werkstuk vanuit een fijne ondergrond. In 8 uur van polijsten (4 uur / oppervlak), kan dit werkstuk een gepolijste vlakheid van ~ λ / 2 te bereiken met een zeer hoge kwaliteit van het oppervlak (dat wil zeggen, lage kras dichtheid).
Protocol
Representative Results
Discussion
Zoals besproken in de inleiding, succesvolle implementatie van convergente Polijsten met betrekking tot figuur de oppervlakte gaat het elimineren of minimaliseren van alle verschijnselen die ruimtelijke materiële niet-uniformiteit uitzondering van die van het werkstuk-lap mismatch beïnvloeden vanwege werkstuk vorm. Als een van deze verschijnselen is niet op de juiste wijze verzacht, hetzij door middel van process control of door middel van passende engineering van de polijstmachine, dan is de gewenste convergentie pun…
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).
