[发明专利]一种超声波‑兆声波复合频率全自动光学元件清洗装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声波-兆声波复合频率全自动光学元件清洗装置，特别适用于大尺寸、高精度光学元件的超洁净清洗，频率覆盖低、中、高频和兆声频率，能够有效去除光学元件表面从微米级到纳米级尺度的有机、无机污染物。

背景技术

现代高精度光学系统对光学元件表面的洁净度要求越来越高，传统常规工艺加工的光学元件表面存在油污、微粒、人体污染等成分复杂的污染物。在激光陀螺的研制中，为了提高环形腔的闭锁阈值，要求环形腔的高反片具有极低损耗和很高的反射率，薄膜反射率甚至达到99.99%以上。由于光学基板表面微米、纳米级污染物引起的散射损耗是其中一种重要的损耗形式，光学表面微米级、纳米级颗粒会导致激光陀螺在运行中的等离子体放电损伤，严重影响激光陀螺的有效寿命。激光薄膜的损伤阈值一直是提高激光系统输出功率的制约因素之一，也是强激光技术进一步发展的瓶颈因素之一。薄膜元件表面的污染一方面会使光束质量发生变化，导致光束能量重新分布，另一方面会引起光学元件的局部吸收过高而引起损伤阈值下降，甚至破坏光学元件。因此必须对光学元件的基板表面洁净度提出严格的要求。

根据损伤机理的不同，将影响损伤阈值的因素分为微米级节瘤缺陷和纳米吸收中心，节瘤缺陷起源于基板表面或薄膜中间的某种种子源，种子源被后续的薄膜包裹，在薄膜表面形成的球冠状突起。种子源指的是形成节瘤的微米量级大小的杂质。节瘤区域与无节瘤区域界面的力学稳定性较差，在较高能量的激光辐照下，由于电场放大效应，使节瘤内部温度场分布不均，从而产生热应力，沿力学最薄弱的路径造成薄膜损伤。纳米吸收中心的损伤都是由纳米量级大小的吸收源（最小的吸收源粒径低于10nm）熔融或者等离子体化开始的。吸收源可能是抛光、研磨、清洗过程中残留在基板表面及亚表面的颗粒或者是未被完全氧化的金属纳米微颗粒。根据颗粒的尺度不同可将污染物分为如下三种：（1）数微米及以上数十微米的大尺度颗粒；（2）数百纳米至1μm的亚微米尺度颗粒；（3）纳米吸收中心。

通过镀膜前对基板的清洗，去除种子源和纳米吸收中心，能有效提高光学元件损伤阈值。对于高功率激光薄膜基板表面来说，常用的清洗方法有水合平面旋转法、RCA法和超声波清洗法。RCA法最早应用于半导体行业，属于湿法化学清洗中的最基础和最广泛使用的一种。另一种广泛使用的清洗技术是超声波清洗技术，其与精密制造工业密切相关。超声清洗设备基本由超声波发生器、超声换能器和清洗槽三部分组成。超声波发生器产生高频电信号，超声换能器将电能转化为机械能，清洗槽用来盛放清洗液，是超声波清洗装置的核心器件。

超声清洗的主要原理是超声空化效应。在空化作用过程中，连续不断地产生瞬间高压就像一连串小“爆炸”不断地冲击物件表面，可以击碎不溶性污染物使它们散落到清洗液中。冲击压力还可以使清洗液中的膜料粒子以极高的速度撞击工件表面和缝隙中的污垢，使其侵蚀而迅速剥落，从而达到元件表面净化的目的。空化作用产生的气泡必须达到一个不稳定的最小尺寸才会发生“爆炸”，如果气泡的生长局限在一个范围内，就只能形成振荡而无法发生“爆炸”，会大大降低超声波的作用。高频率的超声相比于低频率的超声，不需要太大的空间，更容易在靠近表面的位置产生空化的气泡。超声波的频率越高，产生的气泡尺寸就越小，如图1.2所示。高频产生的气泡尺寸较小，形状复杂的元件表面或者尺寸较小污染在高频下更容易被去除。

除了空化效应外，对清洗起作用的还有辐射压和声流。辐射压是大振幅声波在介质中传播时，对阻挡的物体产生压力；声流则是由于声场的存在而引起介质的流动，二者都能够起到搅拌作用。

超声波清洗的基本原理是当超声波通过液体冲击表面时，在靠近表面的位置处会形成一个超声边界层，气泡振动引起的微冲流在液体中运动，当表面的污染颗粒尺寸大于超声边界层的厚度，污染颗粒在边界层的部分会受到微冲流的作用，边界层的厚度与超声波频率成反比，由下式计算得到：

(1)

其中是液体的动粘滞系数，是超声波的振动频率。对于水，当超声波频率为40kHz时，边界层厚度为2.82μm，超声波频率为400 kHz时，边界层厚度为0.89μm，采用1400kHz的兆声波清洗时，边界层厚度为0.48μm。

边界层的尺寸决定了超声对不同尺寸微粒的清洗效率，超声波频率较低时，边界层厚度较大，较小的颗粒会“躲藏”在边界层里，微冲流难以接触，去除变得困难；反之，边界层厚度越小，微冲流对颗粒污染的接触面积就越大，越容易去除颗粒。