光学元件表面的激光清洗技术研究

论文摘要

激光清洗技术是利用激光处理待清洗物体,在激光脉冲作用下使污染物从物体表面脱离。由于激光清洗可通过调整激光波长、脉宽、作用时间和作用方式等来适应不同污染物和不同基底的清洗要求,因此广泛适用于各种清洗对象,并常用于一些特殊功能的清洗,解决常规清洗所不能解决的问题。此外,与其它清洗技术相比,激光清洗具有无污染、效率高、低成本等优点,因而研究和应用更加广泛。本文针对目前常规清洗无法完成的光栅清洗和光学元件在线清洗,开展了基于激光清洗和激光等离子体冲击波清洗的理论与实验研究,为啁啾脉冲放大(CPA)系统中的光栅洁净和高功率固体激光装置中的光学元件在线洁净提供了一条新的路径,为激光清洗光学元件工艺做技术储备。本文的主要研究内容及结论如下：(1)建立干式激光清洗颗粒污染物理论模型,计算准分子(248 nm)激光清洗硅片表面Al203颗粒过程中,基底位移、运动速度和加速度随时间变化关系,并得到在准分子激光的不同脉宽下,不同大小颗粒的激光清洗阈值及其引起的基底损伤阈值。(2)建立激光等离子体冲击波清除颗粒污染物理论模型,模拟了激光产生的等离子体冲击波清洗K9玻璃和镀金K9玻璃表面的Si02颗粒过程,获得各参数(激光参数、颗粒位置等)对清洗效果的影响曲线。(3)建立激光清洗油脂污染物理论模型,计算C02激光清洗金膜表面的二甲基硅油污染物过程中,油膜温度随激光功率和辐照时间变化的曲线。(4)进行1064 nm激光等离子体冲击波法清除K9玻璃和镀金K9玻璃表面的Si02颗粒污染物实验研究。结果表明K9玻璃表面颗粒移除率可达到95%,镀金K9玻璃表面颗粒移除率可达90%,该清洗方法效果良好。得到清洗K9玻璃和镀金K9玻璃的工艺参数,如颗粒位置、激光作用距离、激光能量与移除率的规律曲线等。实验结果与理论计算数值基本吻合且规律一致,验证了计算模型。(5)进行CO2激光清洗镀金K9玻璃表面的二甲基硅油清洗实验,获得了激光功率、照射时间、重复频率与清洗效果的规律。结果表明在不损伤金膜的前提下,激光器功率越高或者辐照时间越长,清洗效果越明显,而激光频率对清洗面积影响不大。实验结果与计算规律一致,验证了计算模型。理论模拟和实验结果表明,激光清洗是一种有效的清洗方法,能清除光学元件表面的颗粒和油脂污染物,可进一步用于光栅清洗和其它光学元件的在线清洗。此外,激光清洗技术还可用于其他领域,具有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 背景与意义
• 1.1.1 需求背景
• 1.1.2 研究背景
• 1.1.3 研究目的与意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 清洗技术的发展历程
• 1.2.2 激光清洗技术的应用领域
• 1.2.2.1 用于精密清洗
• 1.2.2.2 用于大型物体的清洗
• 1.2.2.3 用于在线清洗
• 1.2.2.4 国内的发展状况
• 1.3 本论文的研究内容
• 第二章 激光清洗光学元件表面污染物的理论模型
• 2.1 激光清洗技术原理介绍
• 2.1.1 干式激光清洗原理
• 2.1.2 湿式激光清洗原理
• 2.1.3 激光等离子体冲击波清洗原理
• 2.2 颗粒污染物的吸附模型
• 2.2.1 颗粒在表面的吸附力
• 2.2.2 颗粒在表面的范德华力
• 2.2.3 颗粒表面吸附力引起的形变
• 2.2.4 颗粒吸附力模型
• 2.3 干式激光清洗颗粒污染物的理论模型
• 2.4 激光等离子体冲击波清洗颗粒污染物的理论模型
• 2.4.1 激光等离子体冲击波的产生和传播机理
• 2.4.1.1 激光辐照导致气体的击穿
• 2.4.1.2 激光等离子体冲击波的传播机制
• 2.4.2 激光等离子体冲击波清洗力模型
• 2.4.3 激光等离子体冲击波清除颗粒模型
• 2.5 激光清洗油脂污染物理论模型
• 2.6 本章小结
• 第三章 激光清洗光学元件表面污染物的理论计算
• 3.1 颗粒吸附力的理论计算
• 3.2 干式激光清洗颗粒污染物的理论计算
• 3.3 激光等离子体冲击波移除颗粒污染物理论计算
• 3.3.1 激光等离子体冲击波清洗力的理论计算
• 2颗粒的理论计算'>3.3.2 激光等离子体冲击波清洗K9表面SiO₂颗粒的理论计算
• 2颗粒的理论计算'>3.3.3 激光等离子体冲击波清洗镀金K9表面SiO₂颗粒的理论计算
• 3.3.4 激光等离子体冲击波清洗的安全性讨论
• 3.4 激光清洗油脂污染物的理论计算
• 3.5 本章小结
• 第四章 激光等离子体冲击波清洗光学元件表面颗粒污染物实验研究
• 4.1 清洗K9玻璃表面颗粒污染物
• 4.1.1 实验准备和操作
• 4.1.2 实验结果与讨论
• 4.1.2.1 扫描清洗效果分析
• 4.1.2.2 单点清洗效果分析
• 4.2 清洗镀金K9玻璃表面颗粒污染物
• 4.2.1 实验准备和操作
• 4.2.2 实验结果和讨论
• 4.2.2.1 扫描清洗效果分析
• 4.2.2.2 单点清洗效果分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 激光清洗镀金光学元件表面油脂污染物实验
• 5.1 相同污染程度下的清洗实验
• 5.1.1 实验准备和操作
• 5.1.2 实验结果和讨论
• 5.1.2.1 激光清洗效果判断
• 5.1.2.2 激光能量的影响
• 5.1.2.3 作用时间的影响
• 5.2 不同污染程度下的清洗实验
• 5.2.1 实验准备和操作
• 5.2.2 实验结果和讨论
• 5.2.2.1 实验1结果与讨论
• 5.2.2.2 实验2结果与讨论
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录