光学元件和光子学的表面处理：精密光学抛光
什么是精密光学
精密光学是一门研究在电光设备中使用光学元件和组件的科学。这是一项对光能的检测、传输、感知和作用至关重要的技术。该技术处理特定波长的光能及其光谱变化。材料的光学特性不仅取决于其几何形状，还取决于所用材料的类型。精密光学适用于需要高精度测量、结构化、分析和加工的应用。通过玻璃和塑料光学元件获得一组特定特性的过程称为精密光学。这项技术引入了非常短的交付时间的新概念。现代精密光学概念使得光信号的快速处理成为可能。利用精密光学材料，微型设备和机器得以不断开发。精密光学应用广泛，包括激光光学、红外光学、消色差光学和光学棱镜。激光光学是一项在焊接、切割和钻孔等领域中被广泛应用的重要技术。红外光学用于夜视和热成像应用。消色差光学用于校正色差，而光学棱镜用于光的反射、折射和色散。
光子工程技术
光子工程是一门专注于研究光能和信息以开发各领域先进技术的工程学科。这是一个跨学科领域，结合了物理学、电气工程和材料科学的原理，以创造创新的光学技术。光子工程是开发医疗、建筑、信息技术、通信和其他行业仪器的重要技术。光子工程师在各行业中需求旺盛，因为他们是推动这一领域进步的关键。高效的光子设备需要取代传统的光传输方法，而这些设备可以通过专业的工程技术来开发。光子工程领域在提高通信行业效率和加快交付时间方面发挥了重要作用。该技术使得生成和研究现代光学设备所用的纳米结构材料成为可能。光子工程确定了可视化、监测、修改和使用光学结构的技术、测试和程序。目前正在开发多种元素以提高光电设备中电路的效率。
光子工程的应用
光子工程在许多领域具有广泛的应用。它帮助开发了医疗成像和诊断等医疗领域的新仪器。该技术通过引入光纤进行高速数据传输，彻底改变了电信行业。它还通过支持高精度制造提升了制造业的水平。光子工程还推动了半导体等新材料的开发，这些材料用于光电子设备，包括太阳能板、LED灯和传感器。光子工程还在量子计算等新信息技术的开发中发挥了重要作用。
光电子学与光子学：差异与联系
光电子学和光子学有明显的区别。光电子学关注发光和探测设备，而光子学则涉及光的物理科学及其应用。光电子学是一种专门处理光学应用的电子学分支，而光子学主要关注光学以及光的物理特性和现象的研究。光电子学特别研究光源、探测和控制，尤其是电子设备的光学组件，如二极管和晶体管。而光子学主要研究光的物理性质及其与光学现象的关系。光电子学倾向于将光子学中研究的现象电气化实现。这两个分支共同开发了从家庭用途到太空技术的各种光学设备。
光学元件的表面处理
光学元件制造中使用的表面处理技术取决于材料类型和所需的光学规格。旋转或扫描光学元件于液体中的技术是一种常用的表面处理方法。以下是光学元件制造中使用的表面处理技术：抛光垫用于使光学元件表面光滑。为达到高达0.3纳米RMS值的表面粗糙度，使用了超抛光垫。接触抛光和准抛光垫也用于达到所需的表面光洁度。喷射抛光是一种用于改善光学元件表面光洁度的表面处理技术。在这种技术中，高速喷射的抛光浆料用于抛光光学元件。
清洁光电子组件是制造过程中的关键步骤。它涉及去除可能影响材料光学特性的污垢、灰尘和其他污染物。必须高效清洁材料以获得最佳的视觉效果和图像生成。
Kemet 提供针对各种光学元件和材料的卓越表面处理程序。他们的工艺具有高度精确性和准确性，能够实现所需结果的最佳表面质量。他们的工艺包括精密研磨、抛光和金刚石加工。此外，他们还提供先进的光电子组件清洁工艺。
β-硼酸钡
铍铜
表面处理铍铜 - 材料测试
该工艺的目标是实现没有特定平整度要求的光学表面处理。使用了不同的铍铜样品进行该工艺。
该工艺包括三个阶段，每个阶段具有特定的板/布类型、磨料类型/等级、分配器设置和加工时间。工艺的细节总结如下表所示：
第一阶段
第一阶段使用了Kemet 15” 钻石抛光机，配合Kemet XP抛光盘和3µ K型STD钻石浆料。在4公斤的重量下运行15分钟，以获得良好的反射效果。此阶段后，表面可见一些划痕。
第二阶段
在第二阶段，组件在ASFL-AW丝布上使用3µ K型STD钻石浆料运行5分钟，施加4公斤的重量。此预抛光阶段为最终抛光做准备，并获得了90%无瑕疵的表面效果。
第三阶段
最后阶段是抛光组件，达到无瑕疵的镜面效果。组件在KemCol 15 - 化学机械抛光机上使用CHEM布和COL-K胶体二氧化硅运行5分钟，施加4公斤的重量。
本案例研究中描述的打磨和抛光过程，使铍铜样品达到了无瑕疵的镜面效果。该过程包括三个阶段，使用了特定的机器、抛光盘、布料和磨料浆料。推荐的设备包括钻石抛光机、胶体硅酸盐抛光机及其他必要配件。
抛光前铍铜
抛光后铍铜
硫化镉
氟化钙
熔融石英
熔融石英是二氧化硅的非晶形式，广泛应用于光学仪器，如镜头、镜子、计量组件和光电设备的零件。表面处理对于获得最佳的反射、折射和透光性能至关重要。为了实现这一点，常使用如铈氧化物颗粒等磨料粉末。Kemet已开发出一种有效的抛光程序，能获得高度平坦和纯净的熔融石英表面。
砷化镓
锗
锗部件的表面处理 - 材料测试
为了实现锗圆盘所需的表面处理，采用了两阶段的研磨和抛光过程，使用了特定的机器、磨板、磨料和额外的压力。
第一阶段：在第一阶段，使用了 Kemet 15” 金刚石研磨/抛光机，配合 铸铁研磨板 和 Kemox 0800S 类型/级别的磨料。过程中施加了4公斤的额外压力。锗圆盘每面研磨2分钟。
第二阶段：在第二阶段，使用了同样的 Kemet 15” 金刚石研磨/抛光机，但这次配合了 ASFL 抛光布研磨板和 Kemet Liquid diamond Type K 1 微米标准磨料类型/级别。再次施加了4公斤的额外压力。锗圆盘每面抛光5分钟。
用于研磨和抛光锗圆盘的过程成功实现了所需的表面处理。所获得的平整度超出了要求的规格，尽管 Ra 值略高于要求的规格，但仍在可接受范围内。所获得的 Rz 值完全符合要求的规格。使用特定的机器、磨板、磨料和额外的压力，并对过程进行仔细监控和控制，最终达到了理想的表面处理效果。
锗圆盘的要求和实际结果如下：
要求的平整度：< 3 µm。优选 1 µm
实际平整度：2 条光带 = 0.67 µm
要求的 Ra：0.01 µm
实际 Ra：0.059 µm
要求的 Rz：0.05 µm
实际 Rz：0.0253 µm
研磨和抛光前的锗
研磨和抛光后的锗
铌酸锂
三硼酸锂
氟化镁
石英
石英表面处理 - 材料测试
测试要求：测试目标是研磨和抛光两个石英样品，一个外径约62mm的石英玻璃管和一个外径约41mm的石英玻璃棒。目标是达到优于1 µm的平整度和优于1 nm的Ra值。
过程分为两阶段：研磨和抛光，具体详情如下：
第一阶段 - 研磨：在研磨阶段，使用铸铁板和 Kemox 0-800s 磨料类型和级别，研磨时间为20分钟。使用防滑膜将玻璃固定在配重上，以防止研磨过程中的滑动。
第二阶段 - 抛光：研磨后，使用 PSU-M 抛光垫和 Kemox WC 磨料类型和级别进行抛光，抛光时间为50分钟。抛光时使用相同的配重和防滑膜将玻璃固定。
Micracut 201 精密锯：石英部分最初使用 Micracut 201 精密锯进行切割，采用金刚石切割轮和较慢的进给速度。这一过程产生了干净的切割，最小化了崩边。
结果：研磨和抛光后，零件的中部平整度达到了1-2条光带，小于1微米。此外，Ra值优于1nm。
抛光前的石英
抛光后的石英
PR3板石英抛光测试
进行了另一个测试，评估使用PR3板的表面处理工艺的效果。测试中使用了一个尺寸为φ100mm × 6mmT的石英工件，并采用原位法进行抛光。所用的板材为15” PR3板，通过面对单位调节，转速设定为40rpm。使用了1~2 µm粒度、重量比为5%的铈氧化物浆料，流量为5ml/min。该过程分为两个步骤：
过程1：施加80g/cm²的压力，持续30分钟。
过程2：施加30g/cm²的压力，持续20分钟。
结果：获得的平整度为0.130µm (λ/4.88)。
结论：在石英组件上达到所需的表面光洁度可能具有挑战性，但通过结合钻石研磨和抛光工艺可以实现。该过程能够提供所需的平整度和Ra值，适用于各种工业应用。
蓝宝石
硅
碳化硅 (SiC)
碳化硅表面处理 - 材料测试
测试要求：本测试的目标是在65mmø碳化硅毛坯上达到最佳的表面光洁度，进行精抛处理。使用的材料为碳化硅毛坯。
过程：表面处理过程分为三个阶段，每个阶段使用不同的机器、磨盘、磨料类型/粒度和额外的压力。
阶段1：第一阶段使用Kemet 15钻石研磨/抛光机，配备Kemet铁制螺旋槽磨盘。使用的磨料为Kemet液体钻石K 14微米标准，额外压力为3.5公斤。喷雾器设置为每40秒喷洒2秒，过程时间为5-10分钟（前表面）。
阶段2：第二阶段使用Kemet 15钻石研磨机，配备面对单位和Kemet铜制螺旋槽磨盘。使用的磨料为6-KDS1488（水基）钻石浆料，额外压力为4公斤。喷雾器设置为每40秒喷洒2秒，过程时间为10-15分钟。
阶段3：第三阶段使用Kemet 15钻石研磨机，配备面对单位和纯锡磨盘。使用的磨料为0.75-KDS1438（水基）钻石浆料，额外压力为4公斤。喷雾器设置为每40秒喷洒2秒，过程时间为1.5-2小时。
结果：
阶段1：第一阶段去除了10-20 µm的材料，过程时间为5-10分钟，表面光洁度范围为0.08~0.084µm。
阶段2：第二阶段提供了半反射表面，表面光洁度为Ra 0.056~0.060µm。
阶段3：第三阶段提供了镜面光洁度，表面光洁度为Ra 0.007µm。
根据实验结果，可以得出结论，为了达到所需的表面光洁度和平整度，应使用精抛工艺。平整度在Zygo仪器上测量为0.341 µm（峰谷差），这是在碳化硅最终抛光后的结果。这些结果表明，实施的表面处理工艺成功实现了所需的表面光洁度和平整度。
阶段1抛光后的碳化硅
抛光后的碳化硅最终平整度
铒铝石榴石 (YAG)
硒化锌
PR3 光学抛光板
Kemet PR3 抛光板是一种热稳定的树脂板，提供了一种替代聚氨酯垫片的方法，用于抛光精密光学器件。该板可以与铈氧化物、铝氧化物和金刚石浆料一起使用。Kemet PR3 可以以完整的板材形式供应，适用于大多数直径，或者作为可固定在机器底板上的圆盘。
Kemet PR3 抛光板的优点
使用 Kemet PR3 抛光板的一个重要优点是其能够产生出色的平整度。该板设计旨在实现低于 0.08 微米的平整度，适合抛光精密光学器件。
Kemet PR3 抛光板提供了改进的边缘排除效果，这意味着板边不会出现掉落现象。这一特性对于保持抛光光学器件表面的一致性至关重要。它能够产生优异的表面光洁度，达到 1 纳米。这一特性对于实现最终产品所需的质量非常关键。它易于加工，成为抛光光学玻璃的理想选择。该板可以轻松塑形和配置，以满足光学组件抛光的特定要求。它是替代聚氨酯垫片抛光精密光学器件的极佳选择。该板具有许多优点，包括出色的平整度、改进的边缘排除、能够产生优异的表面光洁度和易加工性。这些特性使 Kemet PR3 抛光板成为抛光光学玻璃和其他精密光学器件的理想选择。
