偏振激光散射探测地下损伤引起的石英玻璃的磨削
方圆史
Guowen乔
齐心Lv
钱呗- 国家重点实验室的高性能精密制造、大连理工大学、大连,中国
地下损伤(SSD)石英玻璃的磨削过程中不可避免地产生。它有一个伟大的对可持续性的影响,一生和光学石英玻璃组件和系统的性能。提出了一种无损检测方法检测SSD在地面石英玻璃基于偏振激光散射(PLS)。请系统是建立在地面发现SSD石英玻璃样品准备不同的磨料颗粒尺寸。请检测信号值与SSD深度正相关。时域有限差分(FDTD)方法被用来模拟SSD的激光散射过程。电场强度的分布可以反映固态硬盘的位置。结果表明,请系统可以有效地检测在地上SSD石英玻璃。
1介绍
包括硬脆材料玻璃、陶瓷和半导体被广泛用于光学仪器、航空航天、微电子学、和其他工业应用,由于其优异的机械、光学和化学性质(你et al ., 2020)。石英玻璃,作为一个容易硬脆性材料,具有高的硬度、耐磨性、耐蚀性和低的热膨胀系数(信德et al ., 2020)。目前,磨削是最重要的一个技术生产的石英玻璃。在磨削过程中,不可避免地产生SSD在石英玻璃(郭et al ., 2020),这对可持续发展有很大的影响,一生中,石英玻璃组件和系统的光学性能(陈et al ., 2020)。减少和消除石英玻璃SSD在接下来的过程中,重要的是要检测SSD。因此,它是非常重要的,提出一个准确和有效的方法来检测SSD的石英玻璃优化精密机械加工过程,提高石英玻璃的表面质量和处理效率。
目前的检测方法在石英玻璃为SSD主要分为破坏性和非破坏性方法方法。在破坏性方法,SSD暴露,然后SSD显微观察获得的信息(金et al ., 2019)。破坏性检测的常用方法包括横断面显微镜(Esmaeilzare et al ., 2014),角抛光(郭et al ., 2005)、高频化学腐蚀(朱et al ., 2017),TEM和FIB(的组合技术李et al ., 2019;李et al ., 2022)。非破坏性方法相比,具有破坏性的方法更加成熟,但是样品的破坏可能极大地传播SSD,这极大地影响了实验条件和操作(阴et al ., 2018)。非破坏性方法能够实现SSD与光学和电子检测方法。结合现有的计算机和自动化技术,非破坏性方法可以实现细致的检测样本的SSD (Zhang et al ., 2021)。
无损检测方法对石英玻璃SSD主要包括荧光渗透检验(造船台et al ., 2019),x射线显微镜(jaime et al ., 2021)、光学相干断层扫描(王Tuchin, 2013)、全内反射技术(徐et al ., 2016),扫描声学显微镜(Bauermann et al ., 2020)和非线性声学(Klepka et al ., 2019)。荧光显微镜可以提供有效的观察表面扩展的伤害,但这是困难的荧光剂渗透SSD和准确检测到它们。x射线显微镜是低效的,只能在一定范围内的检测样本的大小。光学相干断层扫描可以实现全球损伤检测的样本。然而,表面的散射和反射可以影响SSD检测的准确性。全内反射显微镜可以有效地检测损伤大孔径光学组件,但是它需要一个高水平的平面度的样品,测试结果是极大的表面粗糙度的影响。扫描声学显微镜具有很高的纵向分辨率,但样品的检测信号主要是内部,这是很难准确地检测SSD。非线性acoustic-based方法用于检测局部损伤更敏感,速度比线性技术,但它是难以实现的确切位置表面/地下损伤。
SSD的偏振激光散射导致激光去极化(阴et al ., 2019)。这种方法适用于可传输光硬脆材料在一定深度,如硼硅玻璃、石英玻璃、硅片,等等,避免表面粗糙度的影响(李et al ., 2020)。在这项研究中,请系统构建和用于检测SSD在地面石英玻璃。激光散射偏振激光在不同深度的SSD的过程使用的FDTD方法模拟。检测信号与模拟结果相一致,表明请系统可以有效地探测SSD在石英玻璃。
2实验过程
2.1请检测原理和系统设置
请所示的原则图1。当偏振光入射表面的样本,它表面散射,发射光的偏振状态是一样的偏振光。当偏振光传输到地面的地下石英玻璃,它是由SSD multi-scattered,导致去极化,因此,发射光的偏振状态显著改变。
图1。请方法的原则。
基于以上原则,请,请系统建于所示图2。激光发射探测激光束,变成P-polarized光的偏振器。然后P-polarized扩束光放大,通过偏振分束器。反射镜反射,P-polarized光之中地上石英玻璃样品的表面,并形成的光斑直径1.5毫米。P-polarized光单次散射和反射在地上石英玻璃表面,和multiple-scattered SSD。单分散和反射光的偏振状态表面上几乎是一样的事件P-polarized光,虽然multi-scattered光的偏振状态显著改变。部分偏振光分开的散射光偏振分束器,然后S-polarized轻,携带的信息在地上SSD石英玻璃样品,终于收集的探测器。通过控制精度的运动运动阶段,光斑扫描样本。
图2。请检测系统。
在这项研究中,请检测系统包括激光模型mil - iii - 914 - 50,输出激光功率15兆瓦,偏振激光波长为914 nm,和激光的波束宽度是1.5毫米。公斤- pr - 100 - ma - fs探测器是用来捕捉来自SSD的去极化的光信号,将光信号转换为电信号。作为pcie - 6320 NI数据采集卡是用来收集检测数据。样品被发现被放在一个精密移动平台(XYZPPS-20、鹰、中国)。
2.2样品制备,请检测程序
调查请检测地面石英玻璃,SSD的三套研磨实验。样品用于磨削实验双面光学级抛光JGS1石英玻璃基板15μm直径和厚度1.5μm。磨床(hd - 380 x,安诚,中国)使用。自由磨料磨削,磨削方法和研磨液是金刚石磨料研磨液(so1 - 1104 d、中卫、中国)。石英玻璃的磨削过程中,SSD深度最显著受到磨料粒度、研磨压力和研磨盘的速度(王et al ., 2008)。其中,磨料粒度最大影响深度的SSD (周et al ., 2022)。在这项研究中,三组样品用不同的SSD深处获得通过控制磨料粒度(5μm 15μm, 20μm)金刚石磨料粒子。其他磨削参数所示表1。
表1。磨削实验参数。
这些准备三套地面的表面粗糙度石英玻璃样品测量的三维表面轮廓曲线仪(美国9000年新视图,ZYGO)。所示的表面形态图3。表面粗糙度与磨料颗粒尺寸的5μm 15μm,和20μm Ra 81.1 nm, 217.4 nm,分别和306.6海里。
图3。表面形态与磨料粒子的大小(一)5μm,(B)15μm,(C)20μm。
调查SSD深度之间的关系,请系统的检测信号,SSD深度由断裂力学计算。李et al。(2008)表示,SSD的深度呈正相关,表面粗糙度,并提出一个模型来预测磨削SSD的深度,如情商所示。1
在哪里δ是中等破坏深度;ψ的semi-angle尖锥;E,H,K集成电路弹性模量、硬度、断裂韧性的石英玻璃,分别;αK,米常系数;类风湿性关节炎表面粗糙度。所示的参数的值表2。根据情商。1,地面的三组样品的SSD深度μm被计算为1.96,7.28μm,分别和11.51μm。
表2。石英玻璃的断裂力学性能参数(Lambropoulos et al ., 1999)。
三组不同的磨料颗粒大小的石英玻璃地面被请检测系统。地面样本放置在移动平台上。P-polarized光辐照样品表面和扫描4毫米的距离。检测信号分析和处理的计算机。
3结果和讨论
3.1请检测的结果
所示图4一,三组石英玻璃样本请检测到的系统。检测检测距离是4毫米,宽度是1.5毫米。请检测信号的SSD三石英玻璃样品用不同的磨料颗粒尺寸所示图4 b。在检测信号的波动是因为磨引起的SSD的深度不均匀(赵et al ., 2007)。发现检测信号值与磨料颗粒的大小有关。根据情商。1SSD的深度增加,磨料粒子的大小。因此,请系统生成大量检测信号时损伤深度大。
图4。(一)检测过程的示意图(B)请检测信号不同的磨料颗粒大小的样本。
3.2 FDTD模拟请检测
验证请SSD系统检测的可行性,SSD的偏振光的散射过程模拟了石英玻璃FDTD方法。FDTD方法是一个严格的和强大的工具建模散射的影响,传播,反射和吸收的光。通过使用这种方法,麦克斯韦方程直接求解基于网格没有物理近似(李et al ., 2020)。
所示图5一个在FDTD模拟,作为入射光P-polarized光。SSDμm深处被设置为1.96,7.28μm,和11.51μm一致的请检测实验。FDTD仿真结果所示图5 b。圆圈表示SSD的位置。可以看出,在固态硬盘的位置,电场的强度是很大的。与损伤深度的增加,增加价值。当SSD深度μmμm的1.96提高到11.51,电场强度从6.37 V / m提高到12.6 V / m。
图5。(一)激光散射FDTD仿真模型,(B)电场强度分布的数值模拟。
自从SSD的分布在磨砂玻璃由于磨料粒子的随机分布不均匀,请检测信号图4 b波动在移动精度的阶段。因此,请为每个样本信号的平均值得到图6。结果表明,请检测信号和电场强度的FDTD模拟是一致的。SSD深度的增加,请检测信号和电场强度增加。错误也增加,SSD深度的增加,由于叠加SSD引起大的磨料颗粒大小。在这项研究中,请系统的分辨率可以达到一微米级别,这是在同一数量级x射线显微镜(jaime et al ., 2021)、光学相干断层扫描(王Tuchin, 2013)、全内反射技术(徐et al ., 2016)和扫描声学显微镜(Bauermann et al ., 2020),远高于荧光渗透检验(造船台et al ., 2019)和非线性声学(Klepka et al ., 2019)。
图6。比较检测信号和电场强度的SSD深度1.96μmμmμm 7.28和11.51。
4结论
摘要,请系统检测SSD在地面石英玻璃。三个样品,制备了不同的磨料颗粒大小。这些样品的SSD被使用请系统探测到。的激光散射FDTD模拟损伤。得到了以下结论:
1)请系统可以有效地探测SSD在石英玻璃。
2)请检测信号值与地下深度正相关。
3)激光散射模型利用FDTD方法表明,电场强度的分布可以反映固态硬盘的位置。
数据可用性声明
最初的贡献提出了研究中都包含在本文/辅料,可以针对相应的作者进一步询问。
作者的贡献
FS写主要的手稿文本和地下质量进行观察。《GQ》, QL, QB提供想法和协助讨论的结果。
资金
这项工作是在经济上支持中国国家重点研究和发展计划(2022 yfb3403602)。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
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关键词:偏振激光散射、无损检测、石英玻璃、FDTD方法,地下损伤
引用:施F,乔G, Lv Q和白问(2023)偏振激光散射探测地下损伤引起的石英玻璃的磨削。前面。板牙。10:1167271。doi: 10.3389 / fmats.2023.1167271
收到:2023年2月16日;接受:2023年3月13日;
发表:2023年3月29日。
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