Investigation of high power laser coatings

High laser-induced damage threshold and large aperture were focuses on the studies of high power laser coatings. This paper reports the research activities at our center. Several measures were developed for evaluating characters of laser damage, including determination of laser induced damage threshold and detection of absorption based on surface thermal lensing technique. Defect was deemed to be the initial source of laser damage, and was the main factor restricting the laser damage resistance of optical coatings. The contribution of several kinds of typical defects to laser damage was analyzed, and some deposition measures were adopted to control and eliminate the origin of defect. Furthermore, some post-treatment methods were also employed to alleviate the influence of the defect and to improve the laser damage resistance. Correction mask was introduced to improve the thickness uniformity, and the thickness uniformity can be amended to less than 1% in the range of Φ650 mm. Preliminary investigation related to surface deformation was also conducted.

喷涂角度对螺栓表面涂层厚度均匀性的影响

针对工程中采用铝涂料涂覆螺栓时螺栓表面铝涂层易出现的厚度不均匀问题,研究喷涂角度对螺栓表面涂层均匀性的影响规律。对喷涂系统的喷嘴和螺栓进行建模,通过计算流体动力学仿真软件Fluent建立了雾化流场的气液两相流物理模型,使用离散相模型(discrete phase model, DPM)分析了流场中气相和液相的相互作用,获得了在不同角度下的喷涂流场,预测了螺栓表面液膜沉积厚度。搭建了喷涂试验系统并与模拟结果进行了验证,模拟和试验研究均表明在喷涂角度为30°时螺栓表面涂层均匀性最佳。

基于拉曼光谱技术药物包衣厚度分布预测模型的构建

为了实现药物包衣层厚度分布的实时在线检测,解决离线检测平均厚度或称重不能满足均匀性分析及判断终点等问题,以蛋白哂双凸片的包衣过程为例,采用探头式拉曼光谱仪实时在线采集片剂表面拉曼光谱的同时,离线采集并统计包衣层厚度分布。分别采用偏最小二乘法(PLS)和卷积神经网络(CNN)两种方法建立包衣厚度定量校正模型。结果表明,PLS模型预测相关性Rp2为0.923,CNN模型Rp2高达0.996,其模型的泛化能力更高,较PLS模型展现出更好的准确性。且CNN模型预测的包衣层厚度分布与离线统计的厚度分布结果较为一致(包衣时间为60 min,最可几厚度和分布宽度偏差仅为0.44%和1.24%),实现了药物包衣层厚度分布的准确预测。

基于红外热成像的涂层厚度检测及均匀性评价

锁相红外涂层厚度检测技术具有非接触、面测量等优势,具有广阔的应用前景。制作变厚度涂层试件对锁相红外涂层厚度检测参数进行优化,建立了锁相红外涂层厚度检测标定曲线,制定了其涂层厚度检测合格要求与均匀性评价方法。最后,通过试验验证了基于锁相红外热成像技术的涂层均匀性评价方法的准确性和有效性。

垂直电镀挂具对TO封装陶瓷外壳表面镀镍层厚度均匀性的影响

针对封装陶瓷外壳表面镀层厚度均匀性方面的重要性,利用定制的TO封装陶瓷外壳垂直电镀专用挂具,通过电沉积的方式在TO封装陶瓷外壳的表面电镀镍层。利用X射线荧光(XRF)光谱仪测量研究了TO封装陶瓷外壳相对阳极所在平面与阳极平面间的夹角(θ)对镀镍层厚度均匀性的影响。结果表明,当θ为30°时,在键合指与引线端表面电镀镍层能够实现较好的均匀性,此时的镀层厚度变异系数为24.42%,相比θ为0°和45°时,明显降低了镀镍层厚度的波动范围,有效提升了镀镍层厚度的均匀性。

2.4米主镜反射膜膜厚均匀性的优化设计

膜厚均匀性是制备高性能光学薄膜的一项重要指标。为进一步提高2.4 m主镜反射膜膜厚均匀性,针对大口径望远镜镀膜设计了膜厚均匀性优化方案。基于真空热蒸发遵循的余弦分布律,结合ZZ3200型真空镀膜机的几何结构和望远镜镀膜的实际需求,编写膜厚计算程序,模拟膜厚理论分布情况,给出膜厚优化设计方法和优化结果。方法一:在蒸发源内侧合适的位置加入修正挡板,结果表明,挡板的曲率半径安装误差在3 mm以内,膜厚均匀性峰谷(Peak to Valley,PV)值由不加挡板时的15%下降到4%,该方法具有一定的普适性,但是挡板安装位置要精确控制;方法二:结合反射主镜中间的圆孔结构,设计双圈蒸发源,结果表明,当内外圈蒸发源的中心距分别为10 cm和130 cm,且满足外圈蒸发源的数量为内圈的12倍时,膜厚均匀性峰谷值为1.85%。该方法是针对中心具有圆孔镜面设计的,适用于大多数反射式天文望远镜镀膜。

氧化物激光薄膜的离子束溅射制备技术

研究了由Ta2O5和SiO2组成的多层氧化物激光薄膜的双离子束溅射制备工艺。简要介绍了离子束溅射技术的基本工作原理和应用,着重分析了薄膜厚度均匀性的调控方法。先后得到了Ta2O5和SiO2单层薄膜厚度均匀性调控结果以及不同波长处薄膜折射率,并定性地分析比较了离子束溅射和电子束蒸发制备的薄膜结构;制备并测试了633nm,1315nm反射薄膜以及增透膜。结果表明:采用离子束溅射技术能够制备出优良的、满足需要的激光高反射薄膜元件。

基于遮挡矩阵的膜厚修正挡板的设计

为了在光学元件镀膜过程中精确控制膜厚均匀性,通常需要有针对性地设计并制作膜厚修正挡板。然而,由于基底在真空室内运动方式复杂,实际工作中通常采用多次试验,反复进行局部修正的方法来确定挡板形状。为解决这一问题,本文提出了遮挡矩阵的概念。基于这一概念,提出了膜厚修正挡板的设计方法。通过对挡板进行合理的划分,对膜厚空间分布与挡板形状建立起精确的定量关系,从而可在不需进行事后修正的情况下,准确计算出修正挡板的形状。针对平面行星夹具,设计并制作了膜厚修正挡板,在φ300mm的口径上实现了膜厚均匀性的PV值优于0.3%、rms值优于0.1%。这些结果验证了这一方法的有效性,表明该方法满足光学元件镀膜过程中高效、可靠地调整膜厚均匀性的要求。

热镀锌过程挡板对镀层均匀性影响的模拟研究

为解决热镀锌过程中常出现的边部过镀锌缺陷,利用数值模拟方法对热镀锌气刀射流喷吹过程进行仿真研究,分析了挡板厚度对带钢边部压力场的影响;并借助镀层厚度计算模型,计算挡板厚度和边部角度对镀层厚度的作用关系;同时通过不同拉钢速度、气刀狭缝总压等工况,对挡板的厚度及边部角度进行优化.结果表明:随挡板厚度减小,带钢边部作用力增大并逐渐接近中心处;带钢边部镀层厚度随挡板厚度的减小而变薄,随挡板边部角度的增加而先减小后增大;挡板厚度2 mm、边部角度90°时,能有效提高带钢横向作用力和镀层分布的均匀性.

喷涂轨迹对齿柱表面耐磨涂层沉积均匀性的影响

设计和采用不同的喷涂轨迹,通过超音速火焰喷涂技术在铝齿柱表面制备了WC-10Co4Cr涂层,利用金相显微镜(OM)、SEM和显微硬度测试等进行了涂层的微观组织观测和厚度、硬度均匀性分析。结果表明:涂层致密,与基体结合非常好。涂层厚度和硬度分布不均匀,齿槽底沉积率高,厚度偏大,啮合面和齿顶位置厚度在160～210μm之间,数值分散性较小,齿槽底涂层硬度低,HV0.3≈700～800,啮合面和齿顶位置涂层硬度高,HV0.3在1150～1300范围内。齿形件的喷涂轨迹参数2 H影响齿顶面、啮合面和齿槽等不同位置的喷涂角度和沉积环境,导致涂层形貌、沉积率和硬度均有差别。2 H=55mm时,不同齿形位置的涂层厚度和硬度分布更均匀,但齿槽底涂层存在孔隙,硬度偏低。

全自动荧光粉涂覆工艺研究

自行设计并搭建了一套全自动荧光粉涂覆系统。针对涂覆工艺,通过扫描电子显微镜研究真空搅拌除泡处理时间对涂覆质量的影响,结果发现未经真空搅拌除泡处理的荧光粉涂覆层中有直径达140μm的气泡,且涂覆层厚度均匀性较差;经过20和40 s真空搅拌除泡处理后涂覆层中气泡直径和数量都明显减少,涂覆层厚度均匀性也变好;经过60 s真空搅拌除泡处理后涂覆层中无明显气泡,涂覆层厚度均匀性进一步提高至1μm。分别不通过真空搅拌除泡处理和通过60 s真空搅拌除泡处理实现LED器件涂覆,通过LED器件光学参数综合测试仪测试上述两类器件的发光特性,结果发现60 s真空搅拌除泡处理能明显降低LED器件色坐标的离散性。

离子束辅助沉积大口径光学薄膜

利用国内最大箱式高真空镀膜设备ZZS3600,开展了双离子束辅助反应蒸发技术及光学薄膜厚度均匀性研究。借助MarkⅡ离子源辅助反应蒸发技术,对Ta_2O_5、SiO_2常见的高、低折射率光学薄膜进行了制备与特性分析。结果表明:在蒸发源与沉积基底距离较大的镀膜环境下,具有低能、高束流密度离子源有利于薄膜结构的致密化,薄膜性能的改善。根据大口径光学元件尺寸,结合真空室空间几何配置,开展了行星及单轴转动方式下镀膜膜厚均匀性的研究。行星转动方式下,分析了直径140 cm行星盘工件膜厚均匀性,无修正挡板运行时膜厚不均匀性优于0.4%。单轴转动方式下,分析了200 cm光学元件膜厚均匀性,并通过设计修正挡板将膜厚不均匀性控制在0.6%以内。采用双离子束辅助反应蒸发技术有利于实现高性能大口径光学薄膜的制备。

椭球反射镜膜厚均匀性与工艺技术的探讨

讨论了深紫外曝光系统中椭球反射镜镀制装置在薄膜沉积中的镀制条件对膜厚和膜厚均匀性的影响 ,计算了椭球镜的膜厚均匀性并对如何改善椭球镜膜厚分布作了介绍 ,实验得到均匀性符合要求的反射镜。

弯月面涂胶及其胶厚均匀性的测量

为实现大面积基片的均匀涂胶,设计组装了一台小型弯月面涂胶样机,实验了200mm×200mm基片的涂胶。利用白光干涉光谱仪扫描测量了弯月面涂胶的胶厚分布,其胶厚均匀性峰谷值偏差低于5%。对弯月面涂胶系统引起的均匀度偏差做了初步分析研究,并对比了测试系统与经校准的台阶仪胶厚测量结果,偏差小于0.8%。

正交试验法优化聚酰亚胺表面喷涂有机硅涂层的工艺参数

为了实现太阳能电池基板对原子氧的防护功能,以涂层表观形貌、最低厚度和厚度一致性作为质量评价指标,通过正交试验考察了几个主要的喷涂工艺参数对在聚酰亚胺表面制备有机硅涂层的影响。结果表明,喷嘴运行速率越快,涂层越薄;行间距越小,涂层厚度越均匀;空气压力越高,涂层表观形貌越好,但厚度一致性越差。经过第二次正交试验验证,得出优化的工艺参数为:喷嘴运行速率70~130 mm/s,雾化压力0.36~0.54 MPa,空气压力0.24~0.33 MPa,喷涂距离140~200 mm,行间距18~21 mm。在上述条件下可制得厚度为40~140μm的合格涂层。

光刻工艺中关键流程参数分析

主要介绍了光刻工艺的基本流程,并分析了光刻工艺中的流程参数及影响光刻质量的主要因素,讨论了两种不同光刻胶在不同转速下的厚度、均匀性及留膜率,提出了光刻工艺中部分常见问题的解决方法。通过工艺优化,确定AZ3100和AZ703两种光刻胶的最佳工艺参数。

基于激光双测头的印铁涂层湿膜厚度测量评估系统设计

为满足工业印铁涂层厚度高精度测量需求,基于激光测厚技术,结合机械伺服装置研制了一种非接触、高精度的印铁涂层湿膜厚度测量评估系统。设定激光双测头工作在线性度误差较小的中心范围内,采用激光双测头对印铁表面测量区域的湿膜厚度进行差分测量,根据这些测量值拟合整个金属薄板表面的涂层厚度情况。详细介绍了系统的硬件及软件设计,并对系统进行了精度实验。结果表明系统可以对印铁湿膜厚度进行检测,测量精度达±3.72μm,同时可快速拟合膜厚三维曲面图形,实现湿膜厚度均匀性评估。

真空蒸镀氟化镁增透膜的厚度与均匀性控制

基于光学增透膜与真空蒸发镀膜的基本原理,从MgF2原料状态、原料蒸镀质量、蒸发源与基片间距等方面,研究了热电阻和电子束蒸镀的MgF2薄膜厚度与其均匀性的控制工艺,以制备出高效的MgF2增透膜。结果表明:对于颗粒度较小或熔点较低的原料,热电阻比电子束蒸镀更易控制,并可避免原料污染;原料实际蒸镀质量与膜厚呈较好的线性关系;实际蒸镀质量相同的多晶颗粒与粉末状原料相比,前者蒸镀膜更厚;基片置于旋转工转盘中心比其侧部区域蒸镀膜更厚、均匀性更好。最后利用旋转球面夹具的小平面源蒸发模型很好地解释了上述实验结果。

RF-PECVD制备类金刚石膜的研究

采用RF-PECVD法在锗(Ge)基片上沉积类金刚石(DLC)薄膜,研究了气体流量和气压对沉积区域均匀性的影响,以及基片厚度与沉积时间的关系。用拉曼光谱(Raman)分析DLC膜的结构组成,用傅立叶红外光谱仪(IR)对DLC膜的透过率进行了测量。结果表明,在气体流量为50 sccm,气压为10 Pa,功率800 W条件下薄膜厚度均匀性可达2.1%,极值透过率达62%。

面向圆形弯管的喷涂机器人喷枪参数优化

针对喷涂机器人喷涂圆形弯管内壁时的涂层均匀性问题,提出了一种喷枪参数的优化方法。基于椭圆双β分布喷枪数学模型,采用钣金展开原理对圆形弯管处进行面片划分,进而推导得到面片宽度的变化规律,提出机器人喷涂圆形弯管时喷枪移动速度应与面片的宽度保持一定的反比例关系,在此基础上根据涂层厚度叠加原理对相邻喷枪轨迹间的距离进行优化,最后利用流量守恒原理和数值仿真实验验证了分片算法的可行性。数值仿真结果表明,该喷枪参数优化方法能够保证涂层厚度偏差在10%以内,与传统方法相比可以显著提高圆形弯管内壁涂层厚度的均匀性。