boe分步腐蚀法测量光学元件亚表面损伤的实验研究(附件)
光学元件在制造过程中，材料在制造加工过程中造成的亚表面损伤会导致光学元件的寿命、稳定性、成像效果等变差。所以准确的测量出光学元件的亚表面损伤是控制光学元件亚表面质量的重要前提，本文主要是研究BOE分步腐蚀法测量光学元件的亚表面损伤，并且利用修正系数Ki对不同腐蚀阶段的环境影响进行修正。最后用分步腐蚀法测量结果和磁流变抛光斑点法的结果以及差动腐蚀法的结果进行对比研究，得出结论分步腐蚀法测量精度更高。关键词 光学元件，分步腐蚀法，腐蚀速度，修正系数目录
1引言 4
1.1课题研究的意义 4
1.2光学材料特性 5
1.3常见的光学元件表面检测技术 6
1.3.1破坏性检测技术 6
1.3.2非破坏性检测技术 6
1.4本课题主要研究内容 7
2实验原理 8
2.1腐蚀原理 8
2.1.1 HF腐蚀玻璃的化学基础 8
2.1.2影响反应速率的因素 8
2.2测量原理 9
2.3本章总结 10
3实验样品制备与参数设计 11
3.1样品制备 11
3.2对比样品的制备 12
3.3差动腐蚀试验和测量方法 12
3.4本章总结 13
4实验结果与分析改进 14
4.1实验修正系数Ki 14
4.2实验数据整理 14
4.3 HF酸分步腐蚀法HF酸差动腐蚀法比较 23
4.4对实验器材的改进 24
4.5本章总结 24
结 论 26
致 谢 27
参 考 文 献 28
1 引言
1.1 课题研究的意义
随着现代科技的发展，光学的发展地位越发的凸显，光学的发展加速推动了其他学科的发展，光学元件的应用更加的广泛，包含了工业生产、农业生产、航天工业、国防科技等等。不论是神州飞船探索太空，还是蛟龙载人潜水器探索深海，我们都可以看到光学元件扮演着非常重要的角色。
随着光学材料广泛的应用，人们对光学元件表面质量的要求也越来越高。这样就要求在光学元件加工
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1.1 课题研究的意义
随着现代科技的发展，光学的发展地位越发的凸显，光学的发展加速推动了其他学科的发展，光学元件的应用更加的广泛，包含了工业生产、农业生产、航天工业、国防科技等等。不论是神州飞船探索太空，还是蛟龙载人潜水器探索深海，我们都可以看到光学元件扮演着非常重要的角色。
随着光学材料广泛的应用，人们对光学元件表面质量的要求也越来越高。这样就要求在光学元件加工的过程中要精益求精以保证加工的精度。光学元件的加工主要是磨削、研磨和抛光这三个部分组成的，其中磨削和研磨是成型加工，成型加工后面形基本形成,因为主要是脆性碎裂，所以去除的效率比较高[2]。但是,在加工处理过程中，很容易会带入表面再沉积层中的氧化物颗粒，以及难以避免的会造成裂纹、划痕、残余应力之类的亚表面损伤。而亚表面损伤会影响光学元件的成像质量、使用寿命等主要使用性能[3-7]。
图1.1 加工过程中产生的裂纹[9]
近年来，激光核聚变技术的发展成为各国科技发展的中点方向，很多国家都投资建立了大型激光设备，美国的国家点火装置(NIF)就是这么多台设备中最先进的一个，它包含了超过190门的激光，超过7000块光学元件(如图1.2所示)。最终要做到同时让近两百门激光在短时间内发射激光击中非常小的燃料球(如图 1.3所示)，时间误差要控制在非常小的范围内，这也让NIF成为目前最大最先进的精密光学系统[8]。与此同时，我国的科学家也进行了类似的研究，在这一方面也取得了不错的进展，并且自主研发出了质量和性能都达到全球先进水平的“神光”系列激光系统。[9-10]
图1.2 NIF装置图[9] 图1.3 NIF靶心装置[9]
在NIF和ICF的研发过程中，光学材料的加工过程中会产生的裂痕，划伤等损伤，会导致性能受到大幅影响，会直接影响到光学元件的激光损伤敏感性。随着激光照射数量的增加，光学元件的亚表面损伤裂纹会扩大几十倍，产生强烈的散射，严重影响光束的能量集中度[11]。
总的来说，加工过程中带来亚表面损伤会对整个光学系统造成及其不好的影响，尤其是对光学材料的长期稳定、成像质量和抗激光损伤阈值等重要的性能指标造成的影响，如果问题过于严重甚至会导致整个系统的损坏，给人们的生命和财产带来损失。如何高效并且精准地测量和控制亚表面损伤已经成为阻碍光学制造水平得到更好发展的一块巨大的绊脚石。
1.2 光学材料特性
光学材料是用于光学实验和光学仪器中的具有一定光学特性的材料的统称，包括光学玻璃、微晶玻璃、光学晶体和光学塑料等[14]。其中，光学玻璃在科学实验和实际生活中应用中最多也是最为常见的，这种玻璃具有非常典型的光学材料的特性。所以，在此就以光学玻璃作为案例，研究光学材料的材料去除原理。光学玻璃属于特种玻璃，拥有高透性、物理及化学上的高度均匀性等特性。光学器材中的透镜、棱镜、反射镜等都是由光学玻璃制成的。[15]。光学玻璃多以二氧化硅为主要组成元素，属于硅酸盐玻璃，具有如下特性[14～19]：
1.化学成分决定了光学玻璃的各种特性。玻璃的组成十分复杂，有的玻璃可能由几十种元素构成，正是如此导致了光学玻璃的光学常数的多变性。
2.光学玻璃具有很好的抗腐蚀性能，硫酸、盐酸、等对玻璃的腐蚀非常低效，但是氢氟酸对于光学玻璃的腐蚀却是十分高效，因此氢氟酸也常常被用来加工光学玻璃。还有就是，碱对光学玻璃的腐蚀性也是较强的。
3.玻璃是均匀化的，所以玻璃沿任何方向度量，其物理性能都是相同的。
4.光学玻璃的导热系数小，常温下的导热系数平均值为0.0017，。正是因为玻璃导热系数非常小，所以在遇见温度突然变化时候容易炸裂，对安全造成影响。
5.光学玻璃的光学特性是得到广泛使用的前提，通常使用玻璃的光学常数来表征。折射率，平均色散系数都是描述光学玻璃性能的一些最为基本的参数。
表 1.1 常用光学玻璃的机械性质
6. 光学玻璃具有良好机械性能，具有高硬度、高强度、脆性大等特点。
7.由于光学玻璃属于非晶体，因此无法通过射线方法检查其亚表面损伤状况，所以都是采用破坏性方法来进行亚表面质量的检测。
1.3 常见的光学元件表面检测技术
从上世纪70年代起，科研人员就着手对光学元件表面检测技术的研究。当前世界上主流的检测技术可以简单的分为破坏性检测和非破坏性检测两种。
1.3.1 破坏性检测技术
破坏性检测技术从字面上就可以理解，就是用破坏所要检测的样件，使样件的损伤体现出来，再利用相关仪器进行检测，最后计算处理得出结果。这种检测方式会给检测对象带来损伤，因此在应用的时候，有一定的限制，。尽管如此，在亚表面损伤的研究过程中，这类检测技术
1引言 4
1.1课题研究的意义 4
1.2光学材料特性 5
1.3常见的光学元件表面检测技术 6
1.3.1破坏性检测技术 6
1.3.2非破坏性检测技术 6
1.4本课题主要研究内容 7
2实验原理 8
2.1腐蚀原理 8
2.1.1 HF腐蚀玻璃的化学基础 8
2.1.2影响反应速率的因素 8
2.2测量原理 9
2.3本章总结 10
3实验样品制备与参数设计 11
3.1样品制备 11
3.2对比样品的制备 12
3.3差动腐蚀试验和测量方法 12
3.4本章总结 13
4实验结果与分析改进 14
4.1实验修正系数Ki 14
4.2实验数据整理 14
4.3 HF酸分步腐蚀法HF酸差动腐蚀法比较 23
4.4对实验器材的改进 24
4.5本章总结 24
结 论 26
致 谢 27
参 考 文 献 28
1 引言
1.1 课题研究的意义
随着现代科技的发展，光学的发展地位越发的凸显，光学的发展加速推动了其他学科的发展，光学元件的应用更加的广泛，包含了工业生产、农业生产、航天工业、国防科技等等。不论是神州飞船探索太空，还是蛟龙载人潜水器探索深海，我们都可以看到光学元件扮演着非常重要的角色。
随着光学材料广泛的应用，人们对光学元件表面质量的要求也越来越高。这样就要求在光学元件加工
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1.1 课题研究的意义
随着现代科技的发展，光学的发展地位越发的凸显，光学的发展加速推动了其他学科的发展，光学元件的应用更加的广泛，包含了工业生产、农业生产、航天工业、国防科技等等。不论是神州飞船探索太空，还是蛟龙载人潜水器探索深海，我们都可以看到光学元件扮演着非常重要的角色。
随着光学材料广泛的应用，人们对光学元件表面质量的要求也越来越高。这样就要求在光学元件加工的过程中要精益求精以保证加工的精度。光学元件的加工主要是磨削、研磨和抛光这三个部分组成的，其中磨削和研磨是成型加工，成型加工后面形基本形成,因为主要是脆性碎裂，所以去除的效率比较高[2]。但是,在加工处理过程中，很容易会带入表面再沉积层中的氧化物颗粒，以及难以避免的会造成裂纹、划痕、残余应力之类的亚表面损伤。而亚表面损伤会影响光学元件的成像质量、使用寿命等主要使用性能[3-7]。
图1.1 加工过程中产生的裂纹[9]
近年来，激光核聚变技术的发展成为各国科技发展的中点方向，很多国家都投资建立了大型激光设备，美国的国家点火装置(NIF)就是这么多台设备中最先进的一个，它包含了超过190门的激光，超过7000块光学元件(如图1.2所示)。最终要做到同时让近两百门激光在短时间内发射激光击中非常小的燃料球(如图 1.3所示)，时间误差要控制在非常小的范围内，这也让NIF成为目前最大最先进的精密光学系统[8]。与此同时，我国的科学家也进行了类似的研究，在这一方面也取得了不错的进展，并且自主研发出了质量和性能都达到全球先进水平的“神光”系列激光系统。[9-10]
图1.2 NIF装置图[9] 图1.3 NIF靶心装置[9]
在NIF和ICF的研发过程中，光学材料的加工过程中会产生的裂痕，划伤等损伤，会导致性能受到大幅影响，会直接影响到光学元件的激光损伤敏感性。随着激光照射数量的增加，光学元件的亚表面损伤裂纹会扩大几十倍，产生强烈的散射，严重影响光束的能量集中度[11]。
总的来说，加工过程中带来亚表面损伤会对整个光学系统造成及其不好的影响，尤其是对光学材料的长期稳定、成像质量和抗激光损伤阈值等重要的性能指标造成的影响，如果问题过于严重甚至会导致整个系统的损坏，给人们的生命和财产带来损失。如何高效并且精准地测量和控制亚表面损伤已经成为阻碍光学制造水平得到更好发展的一块巨大的绊脚石。
1.2 光学材料特性
光学材料是用于光学实验和光学仪器中的具有一定光学特性的材料的统称，包括光学玻璃、微晶玻璃、光学晶体和光学塑料等[14]。其中，光学玻璃在科学实验和实际生活中应用中最多也是最为常见的，这种玻璃具有非常典型的光学材料的特性。所以，在此就以光学玻璃作为案例，研究光学材料的材料去除原理。光学玻璃属于特种玻璃，拥有高透性、物理及化学上的高度均匀性等特性。光学器材中的透镜、棱镜、反射镜等都是由光学玻璃制成的。[15]。光学玻璃多以二氧化硅为主要组成元素，属于硅酸盐玻璃，具有如下特性[14～19]：
1.化学成分决定了光学玻璃的各种特性。玻璃的组成十分复杂，有的玻璃可能由几十种元素构成，正是如此导致了光学玻璃的光学常数的多变性。
2.光学玻璃具有很好的抗腐蚀性能，硫酸、盐酸、等对玻璃的腐蚀非常低效，但是氢氟酸对于光学玻璃的腐蚀却是十分高效，因此氢氟酸也常常被用来加工光学玻璃。还有就是，碱对光学玻璃的腐蚀性也是较强的。
3.玻璃是均匀化的，所以玻璃沿任何方向度量，其物理性能都是相同的。
4.光学玻璃的导热系数小，常温下的导热系数平均值为0.0017，。正是因为玻璃导热系数非常小，所以在遇见温度突然变化时候容易炸裂，对安全造成影响。
5.光学玻璃的光学特性是得到广泛使用的前提，通常使用玻璃的光学常数来表征。折射率，平均色散系数都是描述光学玻璃性能的一些最为基本的参数。
表 1.1 常用光学玻璃的机械性质
6. 光学玻璃具有良好机械性能，具有高硬度、高强度、脆性大等特点。
7.由于光学玻璃属于非晶体，因此无法通过射线方法检查其亚表面损伤状况，所以都是采用破坏性方法来进行亚表面质量的检测。
1.3 常见的光学元件表面检测技术
从上世纪70年代起，科研人员就着手对光学元件表面检测技术的研究。当前世界上主流的检测技术可以简单的分为破坏性检测和非破坏性检测两种。
1.3.1 破坏性检测技术
破坏性检测技术从字面上就可以理解，就是用破坏所要检测的样件，使样件的损伤体现出来，再利用相关仪器进行检测，最后计算处理得出结果。这种检测方式会给检测对象带来损伤，因此在应用的时候，有一定的限制，。尽管如此，在亚表面损伤的研究过程中，这类检测技术
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