光學(xué)設(shè)計(jì)(光學(xué)零件加工工藝)晶體光學(xué)零件工藝

光學(xué)零件加工工藝第八章晶體光學(xué)零件工藝概述是做成各種樣式的偏光棱鏡、分光棱鏡、聚光鏡或發(fā)散透鏡，儀器的光學(xué)窗口濾光片、減光器以及激光工作物質(zhì)，X射線分光元件、光電元件等等，所以光學(xué)晶體的加工也就更加重要。晶體光學(xué)零件加工的過程與一般光學(xué)零件加工過程大致相仿。但是與光學(xué)玻璃比較，一些特點(diǎn)。晶體定向晶體和雙軸晶體。晶體內(nèi)僅有一個(gè)方向不發(fā)生雙折射，此方向稱為光軸方向，這類晶體稱與晶軸必需保持預(yù)定的角度，因此，單軸晶體加工前必需找正晶軸，磨出一個(gè)與晶軸垂直的外表作為加工基準(zhǔn)面，工藝上稱此為晶體的定向。選擇適宜的切割與粗磨方法，也正由于解理性，要防止切割時(shí)的振動(dòng)，以避開由于振動(dòng)，造成在不需要沿解理方向切開時(shí)形成沿解理方向的劈開。對于易潮解和軟的晶體，不能用一般光學(xué)玻璃的切割方法。上盤特點(diǎn)不少晶體由于熱膨脹系數(shù)的各向異性于晶體零件。必需針對不同材料承受一些特別的上盤方法。磨料與拋光粉依據(jù)晶體硬度而異比玻璃軟的晶體常選用氧化鐵、氧化鉻、氧化鈦、氧化錫和氧化鎂等作拋光粉。工房溫濕度要求嚴(yán)加工一般的光學(xué)零件要求一個(gè)較穩(wěn)定的溫濕度環(huán)境溫濕度環(huán)境。例如易潮解晶體要求濕度低一些，而加工方解石、石英則需濕度高一些。勞動(dòng)保護(hù)或氣體，將嚴(yán)峻危害加工者的安康。因此，加工有毒晶體時(shí)，必需加強(qiáng)防毒勞動(dòng)保護(hù)。晶體的選料與定向晶體的選料藝條件，操作技能等的影響，晶體材料總是具有肯定的缺陷，從而影響晶體的質(zhì)量。這些陷在空間延長的線度，可以分為四類：1．點(diǎn)缺陷，如空位、填隙原子．雜質(zhì)原子、色心等；2．線缺陷，如位錯(cuò)；3，面缺陷，如層錯(cuò)、孿晶介、生長層、胞壁、電疇介、磁疇介等；4．體缺陷，如沉淀相、包裹物、空洞等。學(xué)法、腐蝕法、X射線衍射法、電子探針及掃描電子顯微鏡法。其中，光學(xué)法是最簡便和最普遍的方法，可觀看出宏觀亞微觀缺陷。它們又細(xì)分為：超顯微鏡觀看法超顯微鏡觀看法裝置用20毫瓦功率的He-Ne激光器作光源。使一束平行光通過已拋光光前進(jìn)的方向上，可以觀看到小于1μm的雜質(zhì)顆粒，從而確定在晶體各部位散射顆粒的多少，并觀看其外形。偏光儀法體中的生長應(yīng)力線、小晶面、錯(cuò)位引起的應(yīng)力圖等。光軸定向儀法〔錐光儀法〕畸變。干預(yù)儀觀看晶體的光學(xué)不均勻性法據(jù)干預(yù)條紋圖檢查晶體的光學(xué)不均勻性。晶體的定向方法體光軸成預(yù)定角度方向的基準(zhǔn)面。晶體定向的常用方法有以下幾種：1．依據(jù)完整晶體外形初步定向某些晶體在生長結(jié)晶過程中，外形完整，可推斷出大致的光軸方向，如KDP、ADP、KD?P、釔鋁石榴石棒等，其長方向即為其光軸方向；石英晶體依據(jù)其外形即可判別光軸方向及旋向；方解石晶體的光軸就是三個(gè)101°55′鈍偶角的中心線，如圖8-1所示。圖8-1幾種晶體的晶軸方向方解石晶體及其光軸 (b)石英晶體解理法定向的光軸，常用晶體的解理面如表8-1所示。表8-1常用晶體的解理面白云母NaCl KClLiFCaF2KB5CaCO3石墨金剛石CaAsGe解理面 (100)(100) (100)(100)(111)(100)(101)(001) (111) (110)(111)用偏光顯微鏡定向利用偏光顯微鏡對晶體定向的原理是利用會(huì)聚光的色偏振條紋，如圖8-2所示。具體方法是在晶體上先磨出兩個(gè)大致垂直于晶體光軸的平面，并法的定向精度一般可達(dá)5′～10′，但不能嚴(yán)格定量。圖中，會(huì)聚于干下涉場M點(diǎn)的偏振光，當(dāng)它通過品體K時(shí)是一組平行光，所以干預(yù)場中M點(diǎn)的照度可以用平行光色偏振中干預(yù)場的照度公式表示如下：II

0 2 〔8-1〕式中是平行光色偏振中起偏振器的主方向與晶片主方向間的夾角檢偏振器主方向間的夾角，是通過晶片后兩束偏振光的位相差，I是干預(yù)場的照度。圖8-2偏光顯微鏡定向法S-光源P1-起偏器P2-檢偏器K-試樣O1-聚光鏡O2-物鏡BB-物鏡的焦平面圖X射線衍射法定向X射線衍射法定向是一種高精度的定向，需要在X光機(jī)上進(jìn)展。例如在YX-1型X射線定向儀上定向精度可達(dá)30“左右．工作原理圖8-3X射線散射如圖8-3所示，當(dāng)一束與晶面的掠射角為θ的X射線射到晶面上時(shí)，其中一局部〔L〕被晶面散射為N，另一局部〔L1〕透入晶體到另一晶面后，又被散射為N2，當(dāng)L與L1的程差滿足式(8-2)時(shí)，L與L便發(fā)生干預(yù)，散射〔衍射〕強(qiáng)度到達(dá)最大，即12dsinn

(8-2)式中d—兩晶面間的距離n—不等于0的正整數(shù)，n=1，2，3……式(8-2)晶面有不同的d值，因此，對于確定波長的X射線，其θ值就不一樣。X射線定向儀就是基于這一原理。如圖8-4所示，由X光管發(fā)出的射線通過準(zhǔn)直狹縫到達(dá)被測晶體。此晶體可在P點(diǎn)繞垂直于紙面〔水平面〕的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。此轉(zhuǎn)動(dòng)軸是儀器轉(zhuǎn)角裝置的中心軸，晶體的定向斷面需在此軸線上，被晶體衍射的X射線用一檢測器〔蓋革計(jì)數(shù)管〕來檢測。當(dāng)晶體轉(zhuǎn)動(dòng)到衍射線滿足布喇格公式時(shí)，也即入射X射線和晶體某點(diǎn)陣平面的夾角為θ時(shí)，置于2θ位置的檢則臺(tái)的角標(biāo)上讀出。檢測器也可在P點(diǎn)繞垂直于紙面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，它的放置位置也可從它的相應(yīng)角標(biāo)上讀出。圖8-4單色X射線衍射法定向原理1-入射X射線2-衍射X射線3-計(jì)數(shù)管標(biāo)尺4-GM計(jì)數(shù)管5-放大器6-μA表7-樣品臺(tái)角度標(biāo)尺8-晶體9-點(diǎn)陣平面(2)YX-1型定向儀操作方法YX-1型X射線定向儀外形如圖8-5所示，它主要由XX射線檢測器、轉(zhuǎn)角測量局部、機(jī)身等五局部組成。圖8-5YX-1型X射線定向儀其定向操作方法如下：①初定晶面方向X的狀況下〔10X射線定向儀上準(zhǔn)確定向；②依據(jù)晶體的衍射角確定探測器的2θ位置；③啟動(dòng)電源預(yù)熱10分鐘后加高壓，X射線管的工作電流以2mA左右為宜；④擦凈被定向面與儀器吸盤，開動(dòng)氣泵，如圖8-6所示，將被定向面安置于吸盤上；圖8-6定向晶片安放圖⑤測定最大衍射角2轉(zhuǎn)開工作臺(tái)〔X射線檢測器隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)〕使μA表指針到最大，記錄此時(shí)鼓輪讀數(shù)，再將晶體轉(zhuǎn)動(dòng)90°，讀取另一個(gè)方向最大衍射角，一般是測量晶面在水平和垂直兩個(gè)方向的衍射偏離角，取其平均值。當(dāng)水平偏離角為δ1，垂直偏離角為δ，則被測晶面與主晶面間的偏離角φ可按式(8-3)確定：2coscoscos1 2當(dāng)φ<5°時(shí)

(8-3)222 (8-4)1 2⑥依據(jù)δ1、δ2之大小，手工修磨相應(yīng)部位，重復(fù)校準(zhǔn)，直至被測晶面與主晶面重合到規(guī)定的精度要求以內(nèi)。常用晶體典型晶面衍射角如表8-2所示。晶體名稱化學(xué)符號(hào)衍射角表8-2晶體名稱化學(xué)符號(hào)衍射角X晶面Y晶面Z晶面氟化鋇BaF2θ(200)=14°26′同X晶面同X晶面氟化鈣CaF2θ(400)=34°20′同X晶面同X晶面氟化鋰LiFθ(200)=22°30′同X晶面同X晶面鍺酸鉍Bi12GeO20θ(600)=27°6′同X晶面同X晶面方解石CaCO3θ(1100)=17°59′θ(006)=15°43′砷化鎵CaAsθ(400)=33°7′同X晶面同X晶面磷酸二氫鉀KH2PO4θ(200)=11°56′同X晶面衍射線太弱磷酸二氫銨NH4H2PO4θ(200)=11°51′同X晶面θ(200)=11°46′鈮酸鋰LiNbO3θ(110)=17°24′θ(030)=31°12′θ(006)=19°28′鉭酸鋰LiTaO3(110θ(030)=31°9′θ(006)=19°36′碘酸鋰LiIO3θ(110)=16°20′θ(010)=9°20′θ(002)=17°20′鉬酸鉛PbM0O4θ(200)=16°28′同X晶面θ(004)=14°44′二氧化碲TeO2θ(200)=18°41′同X晶面θ(004)=23°53′石英SiO2θ(110)=18°19′θ(010)=10°27′θ(003)=25°22′鈦酸鍶SrTiO2θ(200)=23°14′同X晶面同X晶面金紅石TiO2θ(200)=19°36′同X晶面θ(002)=31°22′晶體的加工工藝硬質(zhì)晶體零件加工特點(diǎn)硬質(zhì)晶體主要包括石英晶體〔Si2、紅寶石〔A23、釔鋁石榴石〔YA〕等，以石英晶體為代表說明這類晶體的加工特點(diǎn)。石英晶體加工最突出的問題是除晶軸定向外還有一個(gè)旋光性的推斷問題。晶軸定向方法與前節(jié)有關(guān)內(nèi)容一樣，旋向推斷可按如下方法進(jìn)展：①外形識(shí)別法自然的石英晶體的抱負(fù)外形如圖8-7所示。有六個(gè)柱面m、正菱面R，負(fù)菱面r，三方雙錐面S和三方偏方面X，沒有對稱面和對稱中心。有兩種左右對稱形的變體——左旋石英與右旋石英。其旋向可用S和X晶面的位置來推斷：X面在m面的上方與R面的左邊稱為左旋石英，X面在m面的上方與R面的右邊稱為右旋石項(xiàng)。 左旋晶體 (b)右旋晶體圖8-7石英晶體的抱負(fù)外形②偏光干預(yù)法方法之一：將已定好向的石英晶體切片放入圖8-8所示會(huì)聚光正交干預(yù)系統(tǒng)中，當(dāng)晶軸與光軸平行時(shí)，得到如圖8-9所示的同心圓環(huán)狀干預(yù)圖樣。當(dāng)檢偏器6順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，同心圓環(huán)向四周集中，側(cè)為右旋晶體，反之，則為左旋晶體。方法之二：切片在會(huì)聚光正交系統(tǒng)中，當(dāng)用白光照明時(shí)，檢偏器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，視場中心顏色變化的挨次是紅——黃——綠，則為右旋晶體。假設(shè)按紅——綠——黃變化旋晶體。方法之三：石英楔補(bǔ)償法。切片在會(huì)聚光正交系統(tǒng)之中，用石英楔片沿與起偏器2的偏振軸成45°的方向插入，即沿如圖8-9中的A方向插入，當(dāng)I、II象限的干預(yù)環(huán)從中心向邊緣移動(dòng)，而I、IV象限向中心移動(dòng)，則為右旋石英，反之則為左旋石英。當(dāng)旋轉(zhuǎn)檢偏器6，使干預(yù)環(huán)恢復(fù)原來的外形所轉(zhuǎn)的角度，則可測出旋光角的大小。圖8-8會(huì)聚光正交偏光干預(yù)系統(tǒng)(a)偏光儀(b)晶軸傾斜時(shí)的視場1-光源2-起偏鏡3-工作臺(tái)4-晶片5-物鏡6-檢偏鏡7-目鏡圖8-9晶軸與系統(tǒng)光軸平行視場石英晶體的切割，研磨與拋光根本上與光學(xué)玻璃一樣，研磨時(shí)應(yīng)用硬質(zhì)磨料，如膏拋光。由于石英具有不完全解理的性質(zhì)，切割研磨與拋光均不能沿晶面的方向，否則很難拋亮。由于石英各個(gè)方向的熱膨脹系數(shù)不等，拋光時(shí)不宜過快，以免產(chǎn)生“光圈變形/波片的加工過程定向。將石英晶體從晶種處剖開，在偏光儀上定光軸，找到一個(gè)與光軸嚴(yán)格垂直的基準(zhǔn)面。λ/40.2mm，如圖8-10所示。切片：在內(nèi)圓切割機(jī)上切出一片片與基準(zhǔn)面嚴(yán)格垂直的平面，如圖8-11所示。磨外圓：磨出外徑為D的圓片，再在圓片的兩頂端加工出尺寸一樣的兩平口，使兩平口中心連線標(biāo)示圓片的Z軸方向，如圖8-12所示。拋光：先拋光一面到達(dá)圖紙要求，再光膠上盤拋光另一面。拋光厚度比理論值大約10μm時(shí)，在應(yīng)力儀上檢驗(yàn)。檢驗(yàn)方法，當(dāng)被檢工件未放入光路時(shí)，旋轉(zhuǎn)檢偏器，使檢流器的讀數(shù)最小，當(dāng)工件插入后，檢偏器旋轉(zhuǎn)45°，假設(shè)檢流器讀數(shù)最小，則λ/4波片已加工合格，否則連續(xù)拋光，直至到達(dá)要求為止。圖8-10λ/4波片光軸基準(zhǔn)面切割尺寸示意圖ZZ-光軸1-基準(zhǔn)面圖8-11λ/4波片切割示意圖ZZ-光軸1-基準(zhǔn)面圖8-12/波片磨外圓示意圖ZZ-光軸軟質(zhì)晶體零件加工要點(diǎn)do 體。另外易潮解的晶體也大多屬軟質(zhì)晶體。螢石其有低的折射率〔n=1.43390〕和低的色散。對紅外、紫外透過性能好，是復(fù)消色差物鏡和紅外紫外儀器的貴重材料。冰洲石良好的雙折射〔n-n=0.172do 冰洲石和螢石常常帶色，加工成的工件透射率相應(yīng)要削減。為此，對這類晶體，下料之前都要進(jìn)展退色。定向，按工件精度要求不同，可實(shí)行不同的定向方法。假設(shè)是一般精度，可在偏3～5精度可達(dá)30“。，如圖8-13所示。對于非潮解性晶體，可用手鋸〔鋼鋸、鋼絲鋸〕切割，如圖8-14所示，切割時(shí)不能用粗砂，用W28的砂子即可，鋸片要平穩(wěn)，速度不宜大快。為了防止切割時(shí)的解理現(xiàn)象，可在底面膠上一層保護(hù)玻璃。圖8-13晶體的水線切割1-氯化鈉晶體2-滾輪3-水圖8-14晶體的手鋸切割1-鋼鋸〔鋼絲鋸〕2-夾具3-加工晶體〔比垂直于晶軸的面與解理面所形成的角度要小，易于消滅解理，不好拋光毛及“粘盤”的現(xiàn)象，要特別留意。法進(jìn)展精拋。如圖8-15所示，工件與拋光模均浸入氧化鎂的懸浮液中并進(jìn)展恒溫掌握，拋光摩擦熱不致使拋光模溫度上升，故可承受純柏油模，拋光液旋轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)入拋光模的將是粒度均勻的細(xì)粒子的拋光劑，使外表光滑度及精度均可得到提高。圖8-15水中拋光裝置1-純柏油拋光模2-容器3-恒溫槽4-水定量供給裝置5-拋光液6-晶體7-荷重8-晶體夾具9-攪拌板裝置上盤與下盤只能用小刀一點(diǎn)點(diǎn)的剔除石膏，否則造成工件碎裂，要特別留意。湯普森棱鏡的加工過程湯普森梭鏡是由冰洲石制成的偏光技術(shù)中獲得廣泛應(yīng)用的一種棱鏡，如圖8-16所示，其加工過程如下：圖8-16湯普森棱鏡依據(jù)圖紙上給出的各項(xiàng)技術(shù)要求，選擇具有適宜等級(jí)的無色冰洲石材料，并在X射線定向儀上定向，確定加工基準(zhǔn)面。502膠粘在開有等間距槽的平行平板上，磨制其次基準(zhǔn)面時(shí)，要掌握平面度、平行度和厚度，然后用丙酮浸泡下盤。切割成形按零件尺寸如圖8-17所示在基準(zhǔn)面上劃線，用鋼絲鋸加W28號(hào)砂漿手工鋸割，然后磨出與基準(zhǔn)面垂直的平面，并成形、倒棱。圖8-17冰洲石切割劃線細(xì)磨拋光膠合面選取同肯定向精度的毛坯用502膠成對粘結(jié)，上石膏盤，先加工膠合面，細(xì)磨用W20和W14后用氧化鎂粉精拋，膠合面加工完成后，涂δ-4膠保護(hù)拋光