專利名稱：一種光纖傳輸?shù)姆墙^熱近場(chǎng)光學(xué)誘導(dǎo)化學(xué)刻蝕方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及量子光學(xué)器件制作領(lǐng)域，特別是涉及一種光纖傳輸?shù)姆墙^熱近場(chǎng)光學(xué)誘導(dǎo)化學(xué)刻蝕方法。
背景技術(shù)：
隨著光學(xué)與微電子學(xué)等的不斷發(fā)展，對(duì)關(guān)鍵零件表面精度的要求越來(lái)越高，需要達(dá)到納米甚至原子級(jí)。光學(xué) 元件的表面加工質(zhì)量不僅直接影響著器件的使用性能，而且對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性及壽命也至關(guān)重要。常規(guī)的超精密光學(xué)器件制作技術(shù)只能夠獲得亞納米表面精度和表面粗糙度的超光滑表面，元件精度最高可達(dá)到面形精度PV 2nm，表面粗糙度RMS 0.2nm。但這些方法在去除表面為凸起、凹坑和納米級(jí)精細(xì)劃痕等微缺陷方面都有其不足之處，要么是加工效率不高，要么是其表面粗糙度控制的不夠低，難以進(jìn)一步降低表面粗糙度獲得無(wú)缺陷的超光滑表面。于是，本發(fā)明的目的是針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了一種光纖傳輸非絕熱近場(chǎng)光學(xué)誘導(dǎo)化學(xué)刻蝕方法，實(shí)現(xiàn)無(wú)表面損傷的精密光學(xué)表面制作方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了保持光化學(xué)反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，減少不必要的機(jī)械摩擦，同時(shí)為了解決上述問題的不足，從降低表面粗糙度入手，提供了一種光纖傳輸?shù)姆墙^熱近場(chǎng)光學(xué)誘導(dǎo)化學(xué)刻蝕方法。該方法可極大地降低表面粗糙度，具有針對(duì)性強(qiáng)、品質(zhì)高、簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)。本發(fā)明提出的光纖傳輸?shù)姆墙^熱近場(chǎng)光學(xué)誘導(dǎo)化學(xué)刻蝕方法，所述方法通過(guò)非絕熱近場(chǎng)光學(xué)誘導(dǎo)化學(xué)刻蝕裝置實(shí)現(xiàn)，所述裝置包括激光器1、快門2、凸透鏡3、光纖4、XYZ平臺(tái)5、半導(dǎo)體激光器8、探測(cè)器9、探測(cè)器位置控制單元10、計(jì)算機(jī)11、ΧΥΖ平臺(tái)控制器12和反應(yīng)室13，XYZ平臺(tái)5上設(shè)有反應(yīng)室13，反應(yīng)室13—側(cè)下部設(shè)有減壓器和電磁閥，用于充入氯氣，上部設(shè)有擴(kuò)散泵和冷卻阱，用于排出氣體，激光器I的出光口通過(guò)快門2對(duì)準(zhǔn)凸透鏡3的進(jìn)光口，凸透鏡3的出光口對(duì)準(zhǔn)光纖4的進(jìn)光口，光線經(jīng)光纖4進(jìn)入反應(yīng)室13垂直入射于基板表面，半導(dǎo)體激光器8連接探測(cè)器9，探測(cè)器9連接探測(cè)器位置控制單元10的輸入端，探測(cè)器位置控制單元10的輸出端連接計(jì)算機(jī)11輸入端，用以檢測(cè)基板是否平整，計(jì)算機(jī)11輸出端連接XYZ平臺(tái)控制器12，XYZ平臺(tái)5通過(guò)XYZ平臺(tái)控制器12進(jìn)行控制；具體步驟如下:
(I)對(duì)反應(yīng)室進(jìn)行排空，隨后充入氯氣，控制氯氣氣壓為10pa_200pa。(2)用蘸有丙酮的棉簽輕拭基板表面，將擦拭后的基板用40%的HF溶液清洗，隨后用蒸餾水清洗，最后再次用丙酮清洗干凈，隨后放入反應(yīng)室。(3)選用波長(zhǎng)為300-700nm，功率密度為0.25-0.35 w/cm2的氬離子激光器I作為光源，打開快門2，光線經(jīng)過(guò)凸透鏡3耦合至光纖4。(4)光線經(jīng)光纖4進(jìn)入反應(yīng)室13垂直入射于基板，此時(shí)納米尺度的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生光學(xué)近場(chǎng)，導(dǎo)致( 分子與基板原子進(jìn)行選擇性光化學(xué)反應(yīng)。一旦粗糙結(jié)構(gòu)消失、光學(xué)近場(chǎng)消失、反應(yīng)也將停止。(5)半導(dǎo)體激光器8的光線經(jīng)基板反射到探測(cè)器9，通過(guò)探測(cè)器位置控制單元10后連接到計(jì)算機(jī)11，以便觀察基板是否平整。(6)待反應(yīng)結(jié)束、反應(yīng)室冷卻至室溫后取出刻蝕好的基板。本發(fā)明中，所述的基板可以是光學(xué)玻璃，或可以是晶體。本發(fā)明中，所述光纖選用直徑100微米、200微米或者500微米，數(shù)值孔徑0.17、
0.2或者0.22的漸變型多模石英光纖。本發(fā)明利用基板微結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生光學(xué)近場(chǎng)，導(dǎo)致Cl2分子與微結(jié)構(gòu)表面原子發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。其原理是:基板表面分子受熱激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，一方面，光電子轉(zhuǎn)移到氯的自由基(氯原子)而產(chǎn)生氯離子，氯離子擴(kuò)散到Si的晶格中與之發(fā)生反應(yīng)，而且光產(chǎn)生于Si表面的電場(chǎng)可以使Cl-擴(kuò)散加強(qiáng)加快反應(yīng)。另一方面，對(duì)于近場(chǎng)而言，場(chǎng)強(qiáng)是不確定的有一定的空間梯度，分子軌道的改變和分子的極化導(dǎo)致了分子的振動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生聲子，此時(shí)光子、電子、聲子構(gòu)成虛擬的EPP(exciton-phonon-polariton)粒子具有很強(qiáng)的能量用以光化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。而一旦納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)消失不足以引起分子晶格的振動(dòng)、光學(xué)近場(chǎng)消失、反應(yīng)也將停止。綜上所述，光纖式非絕熱近場(chǎng)光學(xué)誘導(dǎo)光化學(xué)刻蝕方法最終可有效地降低光學(xué)器件表面粗糙度。本發(fā)明的有益效果如下:
1.過(guò)程中不發(fā)生機(jī)械接觸，可以有效的去除硅基底表面的微缺陷，降低表面粗糙度，獲得超光滑表面。2.可以有效 提高加工效率，不需要其他機(jī)械輔助設(shè)備，光化反應(yīng)使刻蝕速率加快。3.本發(fā)明方法簡(jiǎn)單易行、針對(duì)性強(qiáng)，在整個(gè)刻蝕過(guò)程中微缺陷消失后，反應(yīng)自動(dòng)停止，不需要人為的控制。


圖1為一種光纖傳輸?shù)姆墙^熱近場(chǎng)光學(xué)誘導(dǎo)化學(xué)刻蝕方法設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為一種光纖傳輸?shù)姆墙^熱近場(chǎng)光學(xué)誘導(dǎo)化學(xué)刻蝕方法的工藝流程圖。圖1中標(biāo)號(hào):1為氬離子激光器，2為快門，3為凸透鏡，4為光纖，5為XYZ平臺(tái)，6為減壓器和電磁閥，7為擴(kuò)散泵和冷卻阱，8為半導(dǎo)體激光器，9為探測(cè)器，10為探測(cè)器位置控制單元，11為計(jì)算機(jī)，12為XYZ平臺(tái)控制器，13為反應(yīng)室。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1:
(I)以硅為基板，實(shí)驗(yàn)開始前先對(duì)反應(yīng)室進(jìn)行排空。(2)隨后充入10pa_200pa的氯氣，通過(guò)一個(gè)減壓器和電磁閥的控制保持反應(yīng)室一直充入氯氣，擴(kuò)散泵和冷卻阱則是用于排出氣體，以保持反應(yīng)室處于一個(gè)氣體的流動(dòng)狀態(tài)。(3)用蘸有丙酮的棉簽輕拭基板表面，將擦拭后的基板用40%的HF溶液清洗，隨后用蒸餾水清洗，最后再次用丙酮清洗干凈，隨后放入反應(yīng)室；所述光纖選用直徑100微米、200微米或者500微米，數(shù)值孔徑0.17,0.2或者0.22的漸變型多模石英光纖。
(4)選用波長(zhǎng)為300-700nm，功率密度為0.25-0.35 w/cm2的氬離子激光器I作為光源，打開快門2，光線經(jīng)過(guò)凸透鏡3耦合至光纖4。(5)光線經(jīng)光纖4進(jìn)入反應(yīng)室13垂直入射于基板，此時(shí)納米尺度的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生光學(xué)近場(chǎng)，導(dǎo)致Ci2分子與基板原子進(jìn)行選擇性光化學(xué)反應(yīng)。一旦粗糙結(jié)構(gòu)消失、光學(xué)近場(chǎng)消失、反應(yīng)也將停止。(6)半導(dǎo)體激光器8的光線經(jīng)基板反射到探測(cè)器9，通過(guò)探測(cè)器位置控制單元10后連接到計(jì)算機(jī)11，以便觀察基板是否平整。 (7)待反應(yīng)結(jié)束、反應(yīng)室冷卻至室溫后取出刻蝕好的基板。將經(jīng)過(guò)此方法刻蝕的基板與刻蝕之前的基板對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，方均根粗糙度由
1.5nm下降至0.4nm ;基板橫截面剖面圖的峰谷值也從之前的2.2nm下降至0.6nm,它的光學(xué)特性完全符合使用要求，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。實(shí)施例2:
(I)以碳化硅為基板，實(shí)驗(yàn)開始前先對(duì)反應(yīng)室進(jìn)行排空。(2)隨后充入10pa_200pa的氯氣，通過(guò)一個(gè)減壓器和電磁閥的控制保持反應(yīng)室一直充入氯氣，擴(kuò)散泵和冷卻阱則是用于排出氣體，以保持反應(yīng)室處于一個(gè)氣體的流動(dòng)狀態(tài)。(3)用蘸有丙酮的棉簽輕拭基板表面，將擦拭后的基板用40%的HF溶液清洗，隨后用蒸餾水清洗，最后再次用丙酮清洗干凈，隨后放入反應(yīng)室；所述光纖選用直徑100微米、200微米或者500微米，數(shù)值孔徑0.17,0.2或者0.22的漸變型多模石英光纖。(4)選用波長(zhǎng)為300-700nm，功率密度為0.25-0.35 w/c 2的氬離子激光器I作為光源，打開快門2，光線經(jīng)過(guò)凸透鏡3耦合至光纖4。(5)光線經(jīng)光纖4進(jìn)入反應(yīng)室13垂直入射于基板,此時(shí)納米尺度的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生光學(xué)近場(chǎng)，導(dǎo)致(巧分子與基板原子進(jìn)行選擇性光化學(xué)反應(yīng)。一旦粗糙結(jié)構(gòu)消失、光學(xué)近場(chǎng)消失、反應(yīng)也將停止。(6)半導(dǎo)體激光器8的光線經(jīng)基板反射到探測(cè)器9，通過(guò)探測(cè)器位置控制單元10后連接到計(jì)算機(jī)11，以便觀察基板是否平整。(7)待反應(yīng)結(jié)束、反應(yīng)室冷卻至室溫后取出刻蝕好的基板。將經(jīng)過(guò)此方法刻蝕的基板與刻蝕之前的基板對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，方均根粗糙度由
2.1nm下降至0.6nm ;基板橫截面剖面圖的峰谷值也從之前的2.8nm下降至0.8nm,它的光學(xué)特性完全符合使用要求，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
權(quán)利要求
1.光纖傳輸?shù)姆墙^熱近場(chǎng)光學(xué)誘導(dǎo)化學(xué)刻蝕方法，其特征在于所述方法通過(guò)非絕熱近場(chǎng)光學(xué)誘導(dǎo)化學(xué)刻蝕裝置實(shí)現(xiàn)，所述裝置包括激光器(I)、快門(2)、凸透鏡(3)、光纖(4)、XYZ平臺(tái)(5)、半導(dǎo)體激光器(8)、探測(cè)器(9)、探測(cè)器位置控制單元(10)、計(jì)算機(jī)(11)、XYZ平臺(tái)控制器(12)和反應(yīng)室(13)，XYZ平臺(tái)(5)上設(shè)有反應(yīng)室(13)，反應(yīng)室(13) —側(cè)下部設(shè)有減壓器和電磁閥，用于充入氯氣，上部設(shè)有擴(kuò)散泵和冷卻阱，用于排出氣體，激光器(I)的出光口通過(guò)快門⑵對(duì)準(zhǔn)凸透鏡⑶的進(jìn)光口，凸透鏡⑶的出光口對(duì)準(zhǔn)光纖⑷的進(jìn)光口，光線經(jīng)光纖(4)進(jìn)入反應(yīng)室(13)垂直入射于基板表面，半導(dǎo)體激光器(8)連接探測(cè)器(9)，探測(cè)器(9)連接探測(cè)器位置控制單元(10)的輸入端，探測(cè)器位置控制單元(10)的輸出端連接計(jì)算機(jī)(11)輸入端，用以檢測(cè)基板是否平整，計(jì)算機(jī)(11)輸出端連接XYZ平臺(tái)控制器(12)，XYZ平臺(tái)(5)通過(guò)XYZ平臺(tái)控制器(12)進(jìn)行控制；具體步驟如下: (1)對(duì)反應(yīng)室進(jìn)行排空，隨后充入氯氣，控制氯氣氣壓為10pa-200pa; (2)用蘸有丙酮的棉簽輕拭基板表面，將擦拭后的基板用40%的HF溶液清洗，隨后用蒸餾水清洗，最后再次用丙酮清洗干凈，隨后放入反應(yīng)室； (3)選用波長(zhǎng)為300-700nm，功率密度為0.25-0.35 w/cm2的氬離子激光器作為激光器，打開快門，光線經(jīng)過(guò)凸透鏡耦合至光纖； (4)光線經(jīng)光纖進(jìn)入反應(yīng)室垂直入射于基板，此時(shí)納米尺度的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生光學(xué)近場(chǎng)，導(dǎo)獄Ci2分子與基板原子進(jìn)行選擇性 光化學(xué)反應(yīng)；一旦粗糙結(jié)構(gòu)消失、光學(xué)近場(chǎng)消失、反應(yīng)也將停止； (5)半導(dǎo)體激光器的光線經(jīng)基板反射到探測(cè)器，通過(guò)探測(cè)器位置控制單元后連接到計(jì)算機(jī)，以便觀察基板是否平整； (6)待反應(yīng)結(jié)束、反應(yīng)室冷卻至室溫后取出刻蝕好的基板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳輸?shù)姆墙^熱近場(chǎng)光學(xué)誘導(dǎo)化學(xué)刻蝕方法，其特征在于所述的基板是光學(xué)玻璃或晶體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳輸?shù)姆墙^熱近場(chǎng)光學(xué)誘導(dǎo)化學(xué)刻蝕方法，其特征在于所述光纖選用直徑100微米、200微米或者500微米，數(shù)值孔徑0.17,0.2或者0.22的漸變型多模石英光纖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖傳輸?shù)姆墙^熱近場(chǎng)光學(xué)誘導(dǎo)化學(xué)刻蝕方法，該方法屬于光學(xué)器件制作領(lǐng)域，主要針對(duì)常規(guī)的超精密光學(xué)器件制作技術(shù)要么是加工效率不高，要么是其表面粗糙度控制的不夠低，難以進(jìn)一步降低表面粗糙度獲得無(wú)缺陷的超光滑表面。光纖傳輸?shù)姆墙^熱近場(chǎng)光學(xué)誘導(dǎo)化學(xué)刻蝕方法是基于激光作用下的選擇性化學(xué)反應(yīng)，去除表面的納米凸起、凹坑和劃痕等表面微缺陷，與此同時(shí)在粗糙結(jié)構(gòu)消失時(shí)光化學(xué)反應(yīng)自動(dòng)停止，從而獲得超光滑表面。此方法不僅大大的降低了光學(xué)器件表面的粗糙度，而且具有針對(duì)性強(qiáng)、簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C03C15/00GK103160830SQ20131006679
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月4日
發(fā)明者沈正祥, 孫曉雁, 徐旭東, 王曉強(qiáng), 馬彬, 王占山 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)