胡富国简历吴沿鹏;杨炜;叶卉;胡陈林
【摘 要】根据化学蚀刻法,提出了一种光学元件亚表面损伤的检测方法,分别观测了磨削和抛光后K9玻璃蚀刻后的亚表面损伤.研究表明:光学元件磨削亚表面损伤在光学显微镜下的表现形式为弹坑状缺陷和脆性裂纹；光学元件抛光后也产生了亚表面缺陷,其在AFM下的表现形式为细长条纹状划痕. 【期刊名称】《制造技术与机床》中国青年运动的时代主题
【年(卷),期】2013(000)010
【总页数】氯化铝4页(P74-77)
【关键词】光学元件;磨削;抛光;亚表面损伤;蚀刻;检测
【作 者】吴沿鹏;杨炜;叶卉;胡陈林
【作者单位】厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门361005;厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门361005;厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门361005;厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门361005
【正文语种】中 文
【中图分类】TH161+.14
随着光学技术领域的迅速发展，目前对光学元件的质量要求越来越高，不仅要求其具有很好的表面光滑度，而且还要求无亚表面损伤(Subsurface damage，简称SSD)存在。残留的亚表面损伤将直接降低光学元件的强度、长期稳定性、成像质量、镀膜质量和抗激光损伤阈值等重要性能指标［1－3］。因此有效地对光学元件亚表面损伤进行检测对后续精密加工具有非常大的指导作用［4］。
亚表面损伤的测试技术包括破坏性检测方法和非破坏性检测方法。其中，常用的破坏性检测方法有化学蚀刻法、截面显微法、角度抛光法、BallDimpling和磁流变抛光斑点技术等［5－8］。近年来又开发出共焦扫描激光显微法、基于强度检测的全内反射显微法和准偏
振光技术等非破坏性检测方法［10－12］。破坏性检测技术是检测亚表面损伤最为直接、有效及基本的一类方法，而化学蚀刻法又是一种应用较为广泛的破坏性检测方法，因此直接采用化学蚀刻破坏性检测方法。
本文根据化学蚀刻法，利用HF等化学溶液与光学元件进行化学反应，暴露出光学元件亚表面，然后利用LED强光照射+光学显微镜、粗糙度轮廓仪、原子力显微镜等观测不同深度下亚表面损伤层的形貌。本文分别对磨削后和抛光后的光学元件进行实验，得到了光学元件磨削亚表面损伤的深度，并估算了抛光亚表面损伤的深度。进出口差额
1 亚表面损伤的形成机理及表现形式
1.1 亚表面损伤的形成机理
所谓的光学元件亚表面损伤是指传统的接触式加工方法中不可避免地会对光学元件表面施加一定的压力，从而造成表面以下产生杂质、划痕和微裂纹等缺陷的现象［9］。如图1，传统加工后光学元件表面结构分为4个部分:深度在0.1～1 μm的抛光层，主要由抛光引起;深度在1～100 μm的缺陷层，主要在元件磨削加工阶段形成;深度在100～200 μm的变形层，主要是由裂纹尖端应力场产生的残余应力所引起;光学材料本体。
1.2亚表面损伤的不同表现形式
试件在磨削过程中，金刚石砂轮上有尖锐磨粒印压脆性材料，在一定压力下，磨粒压头下方产生一个非弹性变形区，当印压载荷超过某一临界值时，会在材料内部产生竖直方向的径向裂纹。故磨削产生的亚表面损伤为脆性损伤，包括径向裂纹延伸至表面产生的弹坑状缺陷和亚表面裂纹且尺寸较大、深度较深。而在用光学显微镜对试件进行观测的同时加以LED强光照射，由于亚表面损伤的存在，将使得光照被反射回来，从而可看到试件上有一个一个的亮斑点(SSD)即为亚表面损伤。以此可判断亚表面损伤存在与否。
1.2.2 抛光试件
抛光的目的是获得光滑、无损伤的加工表面。在抛光时，抛光试件相对于抛光垫做旋转运动，抛光颗粒、试件、抛光垫之间产生塑性形变，抛光颗粒嵌入到硬度较软的抛光垫和试件内部。就单颗抛光颗粒而言，磨粒处于一个静止的状态，通过试件和抛光垫的相对运动，抛光颗粒在试件表面产生塑性划擦。因为是塑性划擦，不会产生裂纹，所以理论上抛
光试件不存在亚表面损伤。但在实际加工过程中，由于少量粒度较大的磨粒印压试件表面，因此抛光试件仍会存在少量亚表面损伤。
2 实验
2.1 试件制备
slie2.1.1 磨削试件
在2MK1760型平面磨床上加工K9玻璃，试件尺寸为20 mm×20 mm，厚度为0.5 mm，选用的砂轮规格为D91，金刚石粒度75～90 μm，砂轮转速为1 500 r/min，材料表面去除量为10 μm。
2.1.2 抛光试件
用PKLI－400L化学机械抛光机对K9玻璃进行抛光，试件尺寸为20 mm×20 mm，厚度为0.5 mm，选用KlebosolII1501－50抛光液及IC1000K抛光垫，设定下压力为25 N，主轴转速40 r/min，抛光时间为3 min。
2.2 亚表面损伤观测
2.2.1 磨削试件
采用化学蚀刻法对试件进行蚀刻，观测磨削后K9玻璃亚表面损伤。试验流程如图2。以下为具体实验步骤:
①选取一组相同试件，在试件表面使用耐高温耐强酸的Nittotape光刻胶覆盖一半面积，以此作为测量蚀刻深度时的参考平面，利用磨削表面蚀刻前后的高度差确定蚀刻深度。
②配置30 mL 5%HF溶液和30 mL浓HNO3溶液再加入3 mL HAC缓冲液，组成的混合溶液作为蚀刻液。将一组试件浸入盛有蚀刻液的塑料杯，保持蚀刻液温度为20℃，蚀刻时间分别为40 min、60 min、80 min、100 min、120 min。《关于分类推进事业单位改革的指导意见》
③反应完成后取出试件，放入90 mL浓H2SO4溶液加30 mL H2O2溶液组成的清洗液中进行清洗，加热15～20 min。然后按顺序用丙酮、酒精、蒸馏水分别超声波10 min。
④充分去除光刻胶和杂质后将该组试件分别置于120×光学显微镜下观测，同时对试件表面加以LED强光照射，记录显微图像。
⑤最后进行深度测量，利用Talysurf PGI 1240粗糙度轮廓仪的表面粗糙度测量功能，以蚀刻线为分界线，测量分界线两侧的磨削表面和蚀刻后表面间台阶的相对高度，即为蚀刻深度。
2.2.2 抛光试件
抛光试件亚表面损伤的观测过程与磨削试件类似。由于抛光所带来的亚表面损伤深度较浅，故控制蚀刻时间比磨削试件时间短，对一组相同试件分别蚀刻 30 s、60 s、90 s、120 s、150 s。而且由于抛光带来的亚表面损伤缺陷尺寸较小，用120×光学显微镜无法观测其亚表面损伤形貌，因此采用扫描SPA400原子力扫描探针显微镜进行观测。
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