Ионная полировка оптических материалов аморфного строения в условиях ВЧ-разряда пониженного давления

УДК 535: 533.9

И. С. Мифтахов, Э. Ф. Вознесенский, И. Ш. Абдуллин, Л. Гатауллин

ИОННАЯ ПОЛИРОВКА ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ АМОРФНОГО СТРОЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ВЧ-РАЗРЯДА ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ

Ключевые слова: полировка, ВЧ-разряд, распыление, аморфная структура, шероховатость, атомно-силовая микроскопия.

Целью исследования являлось изучение возможности ионной полировки кварцевого стекла в условиях ВЧ-разряда. Методом атомно-силовой микроскопии исследовалось воздействие ВЧИ и ВЧЕ-разрядов на поверхность обрабатываемых образцов. Установлена целесообразность использования метода ионной полировки поверхности кварцевого стекла.

Keywords: polishing, RF-discharge, sputtering, an amorphous structure, roughness, atomic-force microscopy.

The aim of the research was to study the possibility of ion polishing of quartz glass in the conditions of the RF discharge. Using atomic force microscopy, we investigated the effects of VCI, VCE discharges on the surface of the treated samples. Established the feasibility of using the method of ion polishing the surface of the quartz glass.

Шлифовка и полировка являются наиболее важными операциями холодной обработки стекла. Шлифовка - это процесс, при котором обрабатываемое стекло получает определенную форму, а полировка - это процесс, при котором готовое изделие получает окончательное качество (блеск, прозрачность).

Полированная поверхность имеет глубину неровностей меньше длины волны видимого света. Она прозрачна, не рассеивает световых лучей и обладает совершенным блеском [1,2].

В современной технологии обработки материалов большое внимание уделяется квантовым методам, предполагающим использование для целей формирования поверхностей заданного рельефа контролируемых пучков частиц, позволяющей создавать управляемые технологические комплексы.

Наиболее перспективным и качественно новым методом обработки является ионная обработка оптических материалов, получившая наиболее систематическое и всестороннее развитие в работах ГОИ (государственный оптический институт). На базе проведенного комплекса научно-исследовательских и конструкторских разработок по исследованию процесса взаимодействия ионов с поверхностью твердого тела создано принципиально новое технологическое направление - ионная обработка оптических материалов.

В настоящее время разработаны следующие разделы этого направления:

- ионная полировка, т.е. удаление дефектного слоя с поверхности оптического элемента, что представляется принципиально важным в ряде перспективных задач оптического приборостроения;

- ионная и ионно-химическая асферизация -метод, позволяющий получать и использовать при конструировании оптических систем новый класс высокоточных асферических поверхностей высших порядков;

- ионная ретушь - метод, который в сочетании с интерферометрическим контролем и расчетом профиля волновых фронтов на ЭВМ

явился эффективным средством улучшения качества оптических систем;

- высокоточная размерная ионная обработка - принципиально новый технологический прием, который позволяет проводить обработку оптических деталей с точностью долей длины волны и создавать целый ряд уникальных оптических элементов;

- технология изготовления элементов микротроптики, обеспечивающая создание элементов с заданной микротопографией рельефа оптической поверхности для электронной, дифракционной, в том числе и киноформной оптики;

- ионная обработка оптических покрытий, использование которой позволяет существенно повысить эксплуатационные характеристики получаемых покрытий.

В качестве объектов исследования использовались образцы кварцевого стекла КУ-2. Обработка проводилась в экспериментальной ВЧИ плазменной установке и в опытно-промышленной ВЧЕ-плазменной установках [3,4]. Режимы плазменной обработки в табл 1.

Таблица 1 - Режимы плазменной обработки образцов кварцевого стекла

Образец Режим НТП обработки

№ 1 ВЧЕ-разряд: 1а =1,7 А; иа = 7 кВ; О = 0,04 г/с, Р = 60 Па; т = 30 мин плазмообразующий газ - аргон

№ 2 ВЧЕ-разряд: 1а = 1,7 А; иа = 7 кВ; О = 0,04 г/с, Р = 60 Па; т = 90 мин плазмообразующий газ - аргон

№ 3 ВЧИ-разряд: 1а = 1,5 А; О = 0,04 г/с, Р = 60 Па; т = 30 мин плазмообразующий газ - аргон

Рельеф образцов до и после НТП обработки исследовался методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) в контактном режиме.расчет параметров шероховатости проводился с применением ПО для обработки АСМ-данных №уаЭТ-МБТ. Результаты АСМ-исследований образца №1 представлены на

рис. 1-2, расчетные параметры шероховатости образцов приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Параметры шероховатости образцов

Пара- Значение, Значение, Значение,

метр нм нм нм

шерохо- Обр 1 Обр 2 Обр 3

ватости Без Пос Без Пос Без Пос

НТП ле НТ ле НТ ле

НТ П НТ П НТ

П П П

Zmax 12,99 20,78 8,22 9,44 81,8 22,17

AZ 12,99 20,78 8,22 9,44 81,8 22,17

Ra 0,72 0,43 0,58 0,51 1,26 0,5970

Root Mea: 0,909 0,606 0,736 0,658 1,886 0,7512

Square

а б

Рис. 1 - АСМ-изображение поверхности стекла без НТП обработки, образец № 1

а б

Рис. 2 - АСМ-изображение поверхности стекла после НТП обработки, образец № 1

Как видно из полученных данных (табл. 1) ВЧЕ-плазменная обработка в среде аргона позволяет реализовать процессы ионной полировки кварцевого стекла, как при использовании образцов с начальным рельефом поверхности 3-4 нм, так и при 10-15 нм. При этом, если амплитудные значения высот рельефа увеличиваются на 10-30 %, а расчетные усредненные значения шероховатости Ra и RMS снижаются от 10 до 40 %.

Ионная полировка кварцевого стекла в условиях ВЧИ-разряда на 75 % снижает амплитудные значения шероховатости и на 50-60 параметры Ra и RMS.

Таким образом, процессы прецизионной ионной полировки оптических материалов и изделий наиболее целесообразно проводить в условиях ВЧИ-разряда, при этом определенного усреднения рельефа можно добиться и в ВЧЕ-разряде.

Литература

1. Вильчинская, С.С. Оптические материалы и технологии: учебное пособие / С.С. Вильчинская, В.М Лисицын. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - 107 с.

2. М.С. Петровнина, П.В. Гришин, В.Е. Катнов, С.Н. Степин // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - № 6. - С. 67-69.

3. Абдуллин И.Ш. Применение низкотемпературной плазмы в процессах депигментирования волосяного покрова шубной овчины / И.Ш. Абдуллин, М.В. Антонова // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - № 11. - С. 536-537.

4. . И. Ш. Абдуллин, В. С. Желтухин. Применение ВЧ плазмы пониженного давления в процессах полировки поверхности твердых тел. Вестник Казанского технологического университета. 2003. № 1. С. 149-154.

© И. С. Мифтахов - асп. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, fortmayn@mail.ru; Э. Ф. Вознесенский - д.т.н., профессор той же кафедры, howrip@mail.ru; И. Ш. Абдуллин - д.т.н., проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, abdullin_i@kstu.ru; Л. Гатауллин -студ. той же кафедры.

© 1 S. Miftakhov - graduate student of « Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, KNRTU, fortmayn@mail.ru; E. F. Voznesensky - Doctor of Technical Sciences, Professor of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, KNRTU, howrip@mail.ru; I. Sh. Abdullin - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of. « Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, KNRTU, abdullin_i@kstu.ru; L. Gataullin -student of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, KNRTU.