Технологічні основи керування якістю поверхневого шару оптичних матеріалів при електронно-променевій мікрообробці

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.07 – Процеси фізико-технічної обробки. Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут». – Київ, 2010. На основі теоретично-експериментальних досліджень розроблено технологічні основи електронно-променевої мікрообробки оптичних матеріалів з метою створення бездефектних, оптично однорідних поверхонь та шарів багатофункціонального призначення для виготовлення мікроелементів: фокусувальних і розсіювальних лінз, відбивальних, заломлювальних, дифузно-розсіювальних, плат оптичних інтегральних схем, оптичних хвилеводів, лінзових растрів, які використовуються в точному приладобудуванні. Сформульовано основні положення механізму формування мікро- та нанопоказників оптичних поверхонь, згідно з якими створений монолітний бездефектний поверхневий шар і топографія поверхні є наслідком комбінованої теплової й електричної дії електронного потоку, леткості матеріалу розплаву у вакуум та керованого охолодження матеріалу. Вперше розроблено комплексну технологічну систему реалізації процесу електронно-променевої мікрообробки поверхневого шару оптичного матеріалу, спрямованої на підвищення якості, довговічності, експлуатаційної надійності оптичних елементів. Розширено технологічні можливості електронно-променевої обробки оптичних матеріалів стрічковим електронним потоком від однієї операції (полірування) до десяти, а саме: активація поверхні, рафінування поверхневого шару, усунення дефектного та тріщинуватого шарів, зменшення шорсткості поверхні, створення блокуючих шарів для йонного обміну, рельєфоутворення, обробка плівкових елементів, окварцювання поверхні, створення поверхневих шарів зі змінним показником заломлення, відшарування ювенільних поверхонь. Запропоновано технічні рішення з виготовлення окремих оптичних мікроелементів, функціональних шарів, окремих вузлів обладнання, створено адаптивну систему електронно-променевої мікрообробки оптичних матеріалів та розроблено принцип її керування.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.07 – Процессы физико-технической обработки. Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт». – Киев, 2010.

На основе теоретико-экспериментальных исследований разработаны технологические основы электронно-лучевой микрообработки оптических материалов с целью создания бездефектных, оптически однородных поверхностей и слоев многофункционального назначения для изготовления микроэлементов: фокусирующих и рассеивающих линз, зеркально-отражающих, преломляющих, диффузно-рассеивающих, плат оптических интегральных схем, оптических волноводов, линзовых растров, которые используются в точном приборостроении. Сформулированы основные положения механизма формирования микро- и нанопоказателей оптических поверхностей, согласно с которыми созданный монолитный бездефектный приповерхностный слой и топография поверхности являются следствием комбинируемого теплового и электрического воздействия электронного потока, летучести материала в вакууме и управляемого охлаждения материала. Эффективно электронно-лучевой метод обработки оптического стекла реализуется на двух стадиях теплового воздействия (СТВ) ленточного низкоэнергетического (Е  10 кэВ) электронного потока, а именно: І СТВ – без образования жидкой фазы в поверхности материала и ІІ СТВ – с об-разованием жидкой фазы в поверхности материала. Обработка на І СТВ улучшает оптические характеристики приповерхностного слоя оптических изделий, а именно – уменьшает компоненту светорассеяния от оптической поверхности за счет гомогенизации химического состава продуктов гидролиза, которые заполняют дефектный приповерхностный слой. Такая прецизионная обработка проводится электронным потоком на глубину до 2,0 мкм. Обработка на ІІ СТВ улучшает как оптические, так и механические характеристики поверхностей деталей из оптического стекла полным устранением дефектного и трещиноватого слоев и уменьшением микрорельефа оптических поверхностей до 2,5 нм. Такая электронно-лучевая прецизионная обработка проводится с оплавливанием поверхностного слоя на глубину 10…160 мкм. В пределах ІІ СТВ преследуется и другая цель, а именно – создание микропрофиля на поверхности стеклянных пластин с использованием масок и фото- и электронной литографии. В основу создания микропрофиля на поверхности оптического материала положены физические процессы уплотнения материала и его усадка от воздействия электронного потока. Таким образом может создаваться микрорельеф решетки или сетки с шагом от 5 до 100 мкм. По данной технологии электронно-лучевой микрообработки формируются поверхностные слои с новими свойствами на оптических и технических стеклах без оплавливания поверхности и с оплавливанием поверхности на глубину до 160 мкм, а так же и с вплавлением металлических тонких пленок. Формируются микроэлементы: планарные, планарно-выпуклые, планарно-вогнутые, диффузно-рассеивающие, зеркально-отражающие, а так же растры односторонние сферические, ортогональные, линейчатые. Толщина платы лежит в пределах 1...10 мм. Размеры микроэлементов находятся в пределах 10...200 мкм и они могут быть интегрированы на единой основе (плате) с размерами 1...30 см2, что приводит к повышению экономического эффекта существующих в настоящее время микрооптических технологий. Впервые разработана комплексная технологическая система реализации процесса электронно-лучевой микрообработки поверхностного слоя оптического материала, направленная на повышение качества, долговечности, эксплуатационной надежности оптических элементов. Расширены технологические возможности электронно-лучевой обработки оптических материалов ленточным электронным потоком от существующей одной операции (полирование) до десяти операций, а именно: активация поверхности, рафинирование поверхностного слоя, устранение дефектного и трещиноватого слоев, уменьшение шероховатости поверхности, создание блокирующих слоев для ионного обмена, рельефообразование, обработка пленочных элементов, окварцовывание поверхности, создание поверхностных слоев с измененным показателем преломления, создание ювенильных поверхностей. Предложены технические решения по изготовлению отдельных оптических микроэлементов, функциональных слоев, отдельных узлов оборудования, создана адаптивная система электронно-лучевой микрообработки оптических материалов и разработан принцип ее управления.

The thesis for obtaining a scientific degree of Doctor of Engineering in speciality 05.03.07 – The processes of physical and technical treatment. – National Technical University of Ukraine «KPI», Kiev, 2010.

On the basis of theoretical and experimental researches technological principles of electronic-beam microtreatment of optical materials with the aim of creation of defectfree, optically homogeneous multifunctional surfaces and layers for making such microelements as focusings and dispersive lenses, reflecting, refractive, diffusive-reflecting coverages, boards of optical integrated circuits, optical waveguides, lens rasters, which are used in exact instrument engineering, are developed Main points concerning the mechanism of formation of micro- and nanoindexes of optical surfaces, according to which formed monolithic defectfree surface layer and surface topography are the result of combined thermal and electric influence of electron flow, melt material volatility in a vacuum and material guided cooling, are formulated. For the first time complex technological system for realization of the process of electronic-beam microtreatment of optical material surface layer, directed on the improvement of quality, durability, service reliability of optical elements is developed Technological possibilities of electronic-beam treatment of optical materials by band electronic flow from one operation (polishing) to ten operations, notably: surface activation, surface layer refining, removal of defective and cracked layers, diminishing of surface roughness, creation of blocking layers for ion exchange, bulge forming, film elements treatment, surface silicification, formation of surface layers with modified refractive index, delamination of juvenile surfaces are expanded. Technical solutions concerning the formation of separate optical microelements, functional layers, separate pieces of equipment are suggested, adaptive system of electronic-beam microtreatment of optical materials is created and the principle of its management is developed.