1 Definizione e cause dei danni del sottosuolo
Il danno sotto la superficie dei componenti ottici (SSD, danno sotto la superficie) è solitamente menzionato in applicazioni ottiche ad alta precisione come sistemi laser intensi e macchine litografiche e la sua esistenza limita la precisione di elaborazione finale dei componenti ottici e influisce ulteriormente sull'imaging prestazioni dei sistemi ottici, quindi è necessario prestare sufficiente attenzione.Il danno al sottosuolo è solitamente caratterizzato da crepe all'interno della superficie dell'elemento e da strati di tensione interni, che sono causati da una frammentazione residua e da una deformazione della composizione del materiale nell'area vicina alla superficie.Il modello di danno del sottosuolo è mostrato come segue: lo strato superiore è lo strato di sedimento levigato, quindi lo strato di difetto di fessurazione e lo strato di deformazione da stress sono lo strato inferiore e lo strato di materiale senza danni è lo strato più interno.Tra questi, lo strato di difetto della fessura e lo strato di deformazione da stress costituiscono danni al sottosuolo.
Modello di danneggiamento del sottosuolo di materiali ottici
I componenti ottici del materiale sono generalmente vetro, ceramica e altri materiali duri e fragili, nella fase iniziale di lavorazione dei componenti, devono passare attraverso processi di fresatura, stampaggio, macinazione fine e lucidatura grossolana, in questi processi esistono macinazione meccanica e reazioni chimiche e svolgere un ruolo.Lo strumento abrasivo o abrasivo a contatto con la superficie dell'elemento ha le caratteristiche di una dimensione delle particelle irregolare e la forza di ciascun punto di contatto sulla superficie dell'elemento non è uniforme, quindi lo strato convesso e concavo e lo strato di fessura interna lo faranno essere prodotto sulla superficie del vetro.Il materiale presente nello strato fessurato è il componente che si è rotto durante il processo di molatura, ma non è caduto dalla superficie, quindi si formeranno danni sotto la superficie.Che si tratti di rettifica abrasiva di particelle sciolte o di rettifica CNC, questo fenomeno si formerà sulla superficie del materiale.L'effetto reale del danno sotto la superficie è mostrato nella figura seguente:
Rendering dei danni al sottosuolo
2 Metodi di misurazione dei danni al sottosuolo
Poiché i danni sotto la superficie non possono essere ignorati, devono essere efficacemente controllati dai produttori di componenti ottici.Per controllarlo efficacemente, è necessario identificare e rilevare accuratamente la dimensione del danno sotterraneo sulla superficie del componente. Sin dall'inizio del secolo scorso, le persone hanno sviluppato una varietà di metodi per misurare e valutare la dimensione. del danno sotterraneo del componente, a seconda della modalità del grado di influenza sul componente ottico, può essere suddiviso in due categorie: misurazione distruttiva e misurazione non distruttiva (test non distruttivo).
Il metodo di misurazione distruttivo, come suggerisce il nome, è la necessità di modificare la struttura superficiale dell'elemento ottico, in modo che possa essere rivelato il danno sotterraneo che non è facile da osservare, quindi utilizzare un microscopio e altri strumenti per osservare il metodo di misurazione, questo metodo richiede solitamente molto tempo, ma i suoi risultati di misurazione sono affidabili e accurati.Metodi di misurazione non distruttivi, che non causano danni aggiuntivi alla superficie del componente, utilizzano la luce, il suono o altre onde elettromagnetiche per rilevare lo strato danneggiato nel sottosuolo e utilizzano la quantità di cambiamenti di proprietà che si verificano nello strato per valutare la dimensione del danno. l'SSD, tali metodi sono relativamente convenienti e rapidi, ma di solito un'osservazione qualitativa.Secondo questa classificazione, gli attuali metodi di rilevamento dei danni sotterranei sono mostrati nella figura seguente:
Classificazione e sintesi dei metodi di rilevamento dei danni nel sottosuolo
Segue una breve descrizione di questi metodi di misurazione:
A. Metodi distruttivi
a) Metodo di lucidatura
Prima della comparsa della lucidatura magnetoreologica, gli ottici usavano solitamente la lucidatura Taper per analizzare il danno sotterraneo dei componenti ottici, cioè tagliando la superficie ottica lungo un angolo obliquo per formare una superficie interna obliqua e quindi lucidando la superficie obliqua.Si ritiene generalmente che la lucidatura non aggravi il danno originale del sottosuolo.Le crepe dello strato SSD verranno rivelate in modo più evidente attraverso la corrosione per immersione con reagenti chimici.La profondità, la lunghezza e altre informazioni dello strato danneggiato sotto la superficie possono essere misurate mediante l'osservazione ottica della superficie inclinata dopo l'immersione.Successivamente, gli scienziati hanno inventato il metodo Ball dimpling (Ball dimpling), che consiste nell'utilizzare uno strumento di lucidatura sferico per lucidare la superficie dopo la molatura, gettando fuori un nocciolo, la profondità del nocciolo deve essere la più profonda possibile, in modo che l'analisi del lato della fossa è possibile ottenere informazioni sui danni del sottosuolo della superficie originale.
Metodi comuni per rilevare danni al sottosuolo degli elementi ottici
La lucidatura magnetoreologica (MRF) è una tecnica che utilizza una striscia fluida magnetica per lucidare i componenti ottici, diversa dalla tradizionale lucidatura di asfalto/poliuretano.Nel metodo di lucidatura tradizionale, lo strumento di lucidatura di solito esercita una grande forza normale sulla superficie ottica, mentre Mr Polishing rimuove la superficie ottica in direzione tangenziale, quindi Mr Polishing non modifica le caratteristiche originali di danno sotterraneo della superficie ottica.Pertanto, Mr Polishing può essere utilizzato per lucidare una scanalatura sulla superficie ottica.Quindi viene analizzata l'area di lucidatura per valutare l'entità del danno sotterraneo della superficie ottica originale.
a) Metodo di incollaggio a blocchi
Questo metodo è stato utilizzato anche per testare i danni sotto la superficie.Infatti, seleziona un campione quadrato con la stessa forma e materiale, lucida le due superfici del campione, quindi usa l'adesivo per incollare insieme le due superfici lucidate del campione, quindi leviga insieme i lati dei due campioni allo stesso tempo tempo.Dopo la macinazione, vengono utilizzati reagenti chimici per separare i due campioni quadrati.L'entità del danno al sottosuolo causato dalla fase di macinazione può essere valutata osservando al microscopio la superficie levigata separata.Il diagramma schematico del processo del metodo è il seguente:
Diagramma schematico del rilevamento dei danni nel sottosuolo mediante il metodo dell'adesivo a blocchi
Questo metodo presenta alcune limitazioni.Poiché è presente una superficie appiccicosa, la situazione della superficie appiccicosa potrebbe non riflettere completamente l'effettivo danno sotterraneo all'interno del materiale dopo la macinazione, quindi i risultati della misurazione possono riflettere solo in una certa misura la situazione dell'SSD.
a) Incisione chimica
Il metodo utilizza idonei agenti chimici per erodere lo strato danneggiato della superficie ottica.Una volta completato il processo di erosione, il danno del sottosuolo viene valutato in base alla forma superficiale e alla rugosità della superficie del componente e alla variazione dell'indice del tasso di erosione.I reagenti chimici comunemente utilizzati sono l'acido fluoridrico (HF), l'acido fluoridrico di ammonio (NH4HF) e altri agenti corrosivi.
b) Metodo della sezione trasversale
Il campione viene sezionato e viene utilizzato un microscopio elettronico a scansione per osservare direttamente l'entità del danno nel sottosuolo.
c) Metodo di impregnazione del colorante
Poiché lo strato superficiale dell'elemento ottico rettificato contiene un gran numero di microfessure, nel materiale possono essere pressati coloranti che possono formare un contrasto cromatico con il substrato ottico o un contrasto con il substrato.Se il substrato è costituito da un materiale scuro, è possibile utilizzare coloranti fluorescenti.I danni al sottosuolo possono quindi essere facilmente controllati otticamente o elettronicamente.Poiché le crepe sono generalmente molto sottili e interne al materiale, quando la profondità di penetrazione del colorante non è sufficiente, potrebbe non rappresentare la vera profondità della microfessura.Per ottenere la profondità della fessura nel modo più accurato possibile, sono stati proposti numerosi metodi per l'impregnazione dei coloranti: prepressatura meccanica e pressatura isostatica a freddo e l'uso della microanalisi con sonda elettronica (EPMA) per rilevare tracce di colorante a concentrazioni molto basse.
B, metodi non distruttivi
a) Metodo di stima
Il metodo di stima stima principalmente la profondità del danno sotterraneo in base alla dimensione delle particelle del materiale abrasivo e alla dimensione della rugosità superficiale del componente.I ricercatori utilizzano un gran numero di test per stabilire la relazione corrispondente tra la dimensione delle particelle del materiale abrasivo e la profondità del danno sottosuperficiale, nonché la tabella di corrispondenza tra le dimensioni della ruvidità superficiale del componente e il livello del sottosuolo. danno superficiale.Il danno al sottosuolo della superficie del componente attuale può essere stimato utilizzando la loro corrispondenza.
b) Tomografia a coerenza ottica (OCT)
La tomografia a coerenza ottica, il cui principio fondamentale è l'interferenza di Michelson, valuta le informazioni misurate attraverso i segnali di interferenza di due raggi di luce.Questa tecnica è comunemente utilizzata per osservare i tessuti biologici e fornire una tomografia in sezione trasversale della struttura sotterranea del tessuto.Quando si utilizza la tecnica OCT per osservare il danno sotterraneo della superficie ottica, è necessario considerare il parametro dell'indice di rifrazione del campione misurato per ottenere la profondità effettiva della fessura.Secondo quanto riferito, il metodo può rilevare difetti a una profondità di 500 μm con una risoluzione verticale migliore di 20 μm.Tuttavia, quando viene utilizzato per il rilevamento SSD di materiali ottici, la luce riflessa dallo strato SSD è relativamente debole, quindi è difficile che si formino interferenze.Inoltre, anche la dispersione superficiale influirà sui risultati della misurazione e la precisione della misurazione deve essere migliorata.
c) Metodo di diffusione laser
È stata ampiamente studiata anche l'irradiazione laser sulla superficie fotometrica, utilizzando le proprietà di diffusione del laser per valutare l'entità del danno sotterraneo.Quelli comuni includono la microscopia a refezione interna totale (TIRM), la microscopia confocale a scansione laser (CLSM) e la microscopia confocale a polarizzazione intersecante (CPCM).microscopia confocale a polarizzazione incrociata, ecc.
d) Microscopio acustico a scansione
La microscopia acustica a scansione (SAM), come metodo di rilevamento ad ultrasuoni, è un metodo di controllo non distruttivo ampiamente utilizzato per rilevare difetti interni.Questo metodo viene solitamente utilizzato per misurare campioni con superfici lisce.Quando la superficie del campione è molto ruvida, la precisione della misurazione sarà ridotta a causa dell'influenza delle onde diffuse superficiali.
3 Metodi di controllo dei danni al sottosuolo
Il nostro obiettivo finale è controllare efficacemente il danno sotterraneo dei componenti ottici e ottenere componenti che rimuovano completamente gli SSD.In circostanze normali, la profondità del danno sotto la superficie è proporzionale alla dimensione delle particelle dell'abrasivo, minore è la dimensione delle particelle dell'abrasivo, più superficiale è il danno sotto la superficie, quindi, riducendo la granularità della molatura e completamente rettifica, è possibile migliorare efficacemente il grado di danno sotto la superficie.Il diagramma di elaborazione del controllo del danno nel sottosuolo in più fasi è mostrato nella figura seguente:
Il danno al sottosuolo viene controllato per fasi
La prima fase di macinazione rimuoverà completamente il danno del sottosuolo sulla superficie grezza e produrrà un nuovo sottosuolo in questa fase, quindi nella seconda fase di macinazione sarà necessario rimuovere l'SSD generato nella prima fase e produrre un nuovo danno del sottosuolo ancora una volta, elaborando a turno, e controllando la dimensione delle particelle e la purezza dell'abrasivo, e infine ottenendo la superficie ottica prevista.Questa è anche la strategia di lavorazione che la produzione ottica segue da centinaia di anni.
Inoltre, dopo il processo di rettifica, il decapaggio della superficie del componente può rimuovere efficacemente i danni sotto la superficie, migliorando così la qualità della superficie e l'efficienza della lavorazione.
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Orario di pubblicazione: 18 aprile 2024
