溶膠-凝膠膜光學(xué)表面激光清洗工藝研究

郭乃豪,王靜軒，向 霞*

(1.電子科技大學(xué) 物理學(xué)院,成都 610054; 2.中國工程物理研究院 激光聚變研究中心,綿陽 621900)

引 言

溶膠-凝膠SiO2薄膜廣泛應(yīng)用于強(qiáng)激光系統(tǒng)作為減反射薄膜，但溶膠-凝膠薄膜具有疏松多孔的納米結(jié)構(gòu)，孔內(nèi)充滿豐富的懸掛鍵，因此很容易吸納各類污染物[1-3]。在大型高功率固體激光裝置中，污染物主要成分為SiO2顆粒[4]。光學(xué)元件在受到其污染后，不僅降低了光學(xué)元件的損傷閾值，還會(huì)嚴(yán)重影響激光的最終輸出通量[5]。激光清洗作為一種新型清洗技術(shù)，可在不損傷基底的情況下，有效清洗基底表面的微米及亞微米尺寸的污染顆粒[6-7]，并可廣泛地應(yīng)用到油脂、薄膜等各類污染物以及各種材料的清洗[8-9]。激光清洗具有可控性好、清洗效率高、設(shè)備壽命長、運(yùn)行成本低、安全性強(qiáng)、非接觸性等諸多優(yōu)點(diǎn)[10]，在電子線路、除銹、脫漆、輪胎模具和文物保護(hù)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景和市場[11-14]。

目前，國內(nèi)外激光清洗技術(shù)發(fā)展迅速，國外相關(guān)機(jī)構(gòu)如新加坡國立大學(xué)，系統(tǒng)性開展了干式激光清洗的機(jī)理研究，提出熱致脫附模型，并基于模型開展多種表面多種附著物的精密去除控制技術(shù)研究，處于國際領(lǐng)先地位[15]。國內(nèi)有中國工程物理研究院激光聚變研究中心、華中科技大學(xué)、江蘇大學(xué)以及大批科研單位院所在多類材料激光清洗機(jī)理、工藝研究、檢測技術(shù)、裝備研發(fā)等方向進(jìn)行了大量的研究工作與探索[16-18]。

激光清洗是復(fù)雜的光物理化學(xué)過程，多場耦合作用機(jī)理復(fù)雜，仍缺乏系統(tǒng)的激光清洗機(jī)理與工藝研究，國內(nèi)外在該方面均處于蓬勃發(fā)展階段[19]。本文中通過對(duì)鍍?nèi)苣z-凝膠SiO2薄膜的熔石英光學(xué)元件進(jìn)行激光清洗工藝研究，獲得了影響激光清洗效果的關(guān)鍵因素，掌握了激光清洗對(duì)SiO2顆粒污染物的相關(guān)清洗工藝參量，提出了氣流置換系統(tǒng)輔助激光清洗的方法。

1 理論分析

1.1 顆粒吸附力

對(duì)于粒徑小于50μm吸附于基底表面的干燥顆粒，可近似認(rèn)為顆粒的吸附力為范德華力。顆粒的吸附力還會(huì)使顆粒產(chǎn)生形變，從而導(dǎo)致顆粒與基底表面之間存在接觸面，根據(jù)Hamaker理論[20]，對(duì)于上述SiO2球狀顆粒，其吸附力可表示為：

(1)

式中，F(xiàn)1,F2分別表示未發(fā)生形變的范德華力與形變所引起的范德華力,A為Hamaker常數(shù)，r為顆粒的半徑，h為顆粒與表面之間的距離，rc為形變導(dǎo)致的顆粒與基底表面的接觸半徑。根據(jù)DERJAGUIN的理論[21]，顆粒半徑與接觸半徑之間的關(guān)系有：

(2)

式中，σ1和E1表示顆粒的泊松系數(shù)和楊氏模量，σ2和E2表示基底的泊松系數(shù)和楊氏模量。

1.2 干式激光清洗移除過程

干式激光清洗的主要原理是利用熱膨脹機(jī)理，激光直接照射在待清洗物基底和表面顆粒上，光能轉(zhuǎn)換為熱能，造成基底熱膨脹、顆粒物自身熱膨脹或兩者同時(shí)吸收熱膨脹，產(chǎn)生位置變化Δz，從而產(chǎn)生加速度使顆粒脫離基底。這3種方法原理相似，清洗模型基本相同，因此以普適性較強(qiáng)的基底膨脹模型為例，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系以及基底的1維溫度場分布可得到：

(3)

式中，I(t1)為激光能量，T(z,t)為基底的1維溫度場分布，c為基底的比熱容，ρ為基底的密度，Rs為表面的反射率，將激光器產(chǎn)生的高斯型脈沖的脈沖形狀等參量代入，可得基底的位移的表達(dá)式:

(4)

式中，αT為基底材料的熱膨脹系數(shù)，Φ為激光通量,τ為激光的脈寬,t是時(shí)間變量。基于上述公式即可得基底與顆粒的位移速度與加速度?；椎募铀俣葹椋?/p>

(5)

顆粒的移除條件可表述為在熱膨脹很短的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生的顆粒的動(dòng)能與彈性勢能克服吸附力所做的功，將此過程化簡、近似，可得顆粒移除過程的簡化式：

(6)

式中,ρ0為顆粒的密度,v是顆粒的速度。

以實(shí)驗(yàn)中所用數(shù)據(jù)為例進(jìn)行計(jì)算，單發(fā)激光清洗未鍍膜熔石英光學(xué)元件表面粒徑為10μm的SiO2顆粒，取激光能量密度為2J/cm2，激光波長為355nm，脈寬為10.7ns，此模型下在激光作用的短時(shí)間內(nèi)，顆粒的瞬間溫度最高可達(dá)8000K，瞬間加速度可達(dá)109m/s2量級(jí)，從而使得顆粒能夠脫離基底表面。

2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)樣品為30mm×30mm的未鍍膜熔石英元件、鍍?nèi)苣z-凝膠SiO2薄膜的三倍頻增透熔石英元件。制備典型污染物的光學(xué)元件樣品時(shí)，以潔凈實(shí)驗(yàn)樣品作為基底，將粒徑為1μm～50μm 的SiO2粉末放入酒精中，震蕩溶液以達(dá)到分散的目的，靜置2h獲得均勻的懸濁液后涂覆于基底，待酒精揮發(fā)后獲得所制備樣品。制備顆粒污染時(shí)使用溶液分散法，配置不同濃度的溶液，以定性的控制污染密度。獲得低污染密度的未鍍膜與鍍膜熔石英樣品，及高污染密度的鍍膜熔石英樣品。

使用波長為355nm，脈寬為10.7ns的Nd∶YAG脈沖激光器，針對(duì)熔石英元件表面的SiO2顆粒污染物進(jìn)行在大氣環(huán)境中的單發(fā)干式激光清洗，于基底下側(cè)平行夾持放置真空度為18kPa、流速為15m/s的氣流置換系統(tǒng)，所使用的氣體種類為潔凈空氣。分析選取典型激光參量、污染密度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方案示意圖如圖1所示。

選取單點(diǎn)作用模式，激光能量為40mJ～240mJ，光斑面積為7mm2(橢圓形，長、短軸為3.4mm×2.6mm@1/e2)，計(jì)算得實(shí)驗(yàn)中所用激光能量密度為0.57J/cm2～3.42J/cm2。清洗過程中使用原位檢測對(duì)比方法，將污染區(qū)域柵格化并進(jìn)行標(biāo)記，保證清洗前后的表征區(qū)域相同。首先分別對(duì)低污染密度的未鍍膜熔石英、鍍膜熔石英樣品，以及高污染密度的鍍膜熔石英樣品進(jìn)行3組單發(fā)激光清洗實(shí)驗(yàn)，并使用塵埃粒子計(jì)數(shù)器對(duì)鍍膜熔石英在清洗過程中的脫附顆粒數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。然后對(duì)高污染密度的鍍膜熔石英樣品進(jìn)行不同激光能量密度的氣流置換輔助激光清洗的對(duì)照實(shí)驗(yàn)。對(duì)清洗樣品上殘留的污染顆粒以0μm～1μm,1μm～5μm,5μm～15μm,15μm～25μm,25μm～50μm 5種顆粒粒徑范圍分類統(tǒng)計(jì)。

Fig.1 Schematic diagram of the proposed system

使用Nikon光學(xué)顯微鏡觀察清洗前后基底表面的潔凈狀況。使用暗場顯微成像方法獲得污染狀態(tài)圖像，二值化處理后使用數(shù)據(jù)平臺(tái)軟件分析，得到目標(biāo)區(qū)域的顆粒數(shù)量與尺寸分布，并針對(duì)不同的粒徑范圍分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與計(jì)算。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 單發(fā)激光清洗

圖2是單發(fā)次激光清洗時(shí)不同激光能量密度對(duì)低污染密度的未鍍膜/鍍膜熔石英樣品的激光清洗效果的影響。如圖2a所示，在正常清洗未產(chǎn)生損傷的情況下，未鍍膜熔石英中，0.57J/cm2處即產(chǎn)生激光清洗效果，但對(duì)污染顆粒的移除率較低。在1.72J/cm2的能量密度下清洗效果最佳。如圖2b所示，對(duì)于鍍膜熔石英樣品，可見2.29J/cm2處清洗效果最佳。兩種樣品的激光清洗最佳工藝參量存在一定差異。

Fig.2 Effect of different laser densities on cleaning effeciency of low contamination density samples a—uncoating fused silica b—coating fused silica

圖3是單發(fā)次激光清洗時(shí)不同激光能量密度對(duì)高污染密度的鍍膜熔石英樣品的移除率。不同激光能量密度對(duì)污染顆粒的移除率在20%～74%之間，移除率最低的1.18J/cm2組為21.51%，最高的3.01J/cm2組移除率為73.58%。但在3.01J/cm2處，基底表面出現(xiàn)大量損傷。污染密度變高會(huì)導(dǎo)致基底的損傷閾值變低。因此有效清洗下，清洗效果最好的是1.72J/cm2組，其污染顆粒的移除率為57.96%。

Fig.3 Relationship between laser fluence and removal rate of high contamination coating fused silica

圖4是分別在最佳激光能量密度下單點(diǎn)作用后的3組樣品的暗場圖。圖4a、圖4c、圖4e與圖4b、圖4d、圖4f分別表示對(duì)應(yīng)樣品的清洗前后的暗場圖。由圖4a、圖4c可見,在最佳激光通量下，低污染密度的未鍍膜與鍍膜熔石英樣品單發(fā)次激光清洗效果良好，且并未產(chǎn)生損傷。但由圖4f高污染密度的鍍膜熔石英樣品可知，當(dāng)光學(xué)元件表面污染顆粒密度較高時(shí)，采用單發(fā)次的激光清洗方法總是成比例的去除污染顆粒。因此，當(dāng)污染密度過高時(shí)，上述激光清洗的方式不足以取得最佳的清洗效果，應(yīng)考慮其它輔助工藝手段。

Fig.4 Dark field of samples before and after laser cleaning under optimum laser energy density a,b—low contamination uncoating fused silica c,d—low contamination coating fused silica e,f—high contamination coating fused silica

3.2 氣流置換輔助的激光清洗實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，激光清洗的能量密度越大，清洗過程中脫離顆粒數(shù)量越多。顆粒脫附現(xiàn)象非常明顯，各個(gè)尺寸的脫離顆粒數(shù)量總計(jì)可達(dá)105量級(jí)。大量的脫附顆?？赡軙?huì)對(duì)激光清洗的效果造成影響。因此,在單發(fā)激光清洗的基礎(chǔ)上加入氣流置換系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖5為兩種清洗方式的清洗后污染顆粒數(shù)量對(duì)比圖。圖5a為單發(fā)次激光清洗，圖5b為使用真空度18kPa、流速約為15m/s的氣流置換系統(tǒng)輔助的激光清洗，所使用的氣體種類為潔凈空氣。經(jīng)前期實(shí)驗(yàn)證明，單獨(dú)的氣流置換系統(tǒng)無法產(chǎn)生清洗效果。而氣流置換系統(tǒng)輔助單發(fā)激光清洗后能夠有效的提高其清洗效果。激光能量密度為1.15J/cm2時(shí)，相對(duì)于單發(fā)次激光清洗，氣流置換系統(tǒng)的加入可減少21.82%的污染顆粒(殘留顆粒的數(shù)量對(duì)比是692和451)；1.72J/cm2組處的減少率最高，達(dá)到66.29%(殘留顆粒的數(shù)量對(duì)比是717和241)，存在最佳工藝區(qū)間。

圖6為在最佳激光能量密度1.72J/cm2組下的清洗效果暗場圖。圖6a為單發(fā)激光清洗時(shí)的暗場圖，圖6b為氣流置換系統(tǒng)輔助單發(fā)激光清洗的暗場圖。由圖可知，氣流置換系統(tǒng)輔助帶來的清洗效果提升明顯，并能夠在單發(fā)次激光清洗的基礎(chǔ)上有效地減少粒徑為0μm～5μm的污染顆粒的殘留數(shù)量。

Fig.5 Residual polluted particles after laser cleaninga—with single laser cleaning b—with airflow displacement system

Fig.6 Dark field after laser cleaning under optimum laser energy densitya—with single laser cleaning b—with airflow displacement system

4 結(jié) 論

本研究使用波長為355nm的Nd∶YAG脈沖激光器，對(duì)鍍?nèi)苣z-凝膠膜熔石英元件表面的SiO2顆粒污染物進(jìn)行單發(fā)次激光干式清洗與氣流置換系統(tǒng)輔助的激光清洗，使用暗場顯微成像和數(shù)據(jù)分析平臺(tái)對(duì)清洗效果進(jìn)行了量化分析。對(duì)于未鍍膜與鍍?nèi)苣z-凝膠膜熔石英樣品，單發(fā)次激光清洗對(duì)于粒徑1μm以上的SiO2顆粒清洗效果明顯，移除率最高可達(dá)82.96%。此外，提出了一種氣流置換輔助的激光清洗方法，結(jié)果表明，此方法可進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)光學(xué)表面顆粒污染的去除效果。