提高复杂真空环境下光学镜片的使用寿命

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)核工业理化工程研究院 作者:刘海勇

  在大多数的真空环境的科学试验中,多数都会用到光学器件,而在真空环境中,粒子的运动自由程非常大,一旦真空环境中存在粒子化(分子、离子、原子、粒子团)的工作物质或附带杂质,都会对光学元件造成污染从而破坏光学器件的特性,大大减小光学器件的使用寿命,本文主要提供一种装置和方法,可以确保光学器件的使用寿命,维持光学器件的自身特性。

  在光与原子作用真空环境中,如吸收法测量原子密度、原子激光法同位素分离及各种测量元素的原子能级寿命等科学试验中以及真空镀膜行业中,都会遇到工作物质原子密度很高的情况,由于真空环境的存在,高密度原子会迅速扩散;另外,工作物质原子化的方式不同,导致原子束中也会含有离子、电子、原子、分子以及原子团,这些都会随时间的积累在光学器件上沉积,造成对光学器件的污染,破坏光学器件的光学特性,例如,高反射率镜片的反射率会随沉积物的积累而降低,恶劣环境下会很快失去其光学特性。

1、实验

  1.1、实验装置及实验现象

  在激光吸收法测量工作物质原子密度装置中,为了提高吸收的信号强度,一般会用到光腔装置,这种光腔装置可以实现激光多次往返传输于整个装置,如图1 所示。

提高复杂真空环境下光学镜片的使用寿命

图1 光腔装置

  如果在光腔中的工作物质的原子密度过高,很容易扩散到光腔两端的反射镜的反射薄膜上,很快光腔两端的反射镜片的反射率会急剧下降出现如图2 所示现象。

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图2 反射率逐渐下降

  随着污染的加重,镜片的反射率逐渐降低,甚至导致反射薄膜直接吸热爆膜,结果导致光子的利用率急剧下降,爆膜后的镜片反射率下降到原来的5%左右,如图3,最终导致实验达不到预想的效果。

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图3 镜片损伤图

  观察实验后的问题镜片表面,镜片的薄膜表面在灯光下出现明显的彩虹色,如图3,显然镜片薄膜表面被蒸镀了不同厚度的污染物质形成的衍射现象。轻擦无效,用脱脂棉沾丙酮用力擦拭,反射率回复如初,如图4。但镜片的整体面型下降5%-10%,镜片反复使用2-3 次后,面型达不到使用要求后返修重新镀膜。可见镜片污染严重影响镜片的使用质量和使用寿命,如何提高这种复杂真空环境中的光学镜片寿命正是本文研究的目的和方向。

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图4 反射率试验前后对比图

  1.2、分析污染物来源及成份

  分析装置的真空获得方式及实验过程中的蒸发和挥发的工作物质,污染物主要由以几方面构成:

  1)高真空扩散泵返油,试验所用扩散泵油为275#,主要产生C,H,CH 组合物,颗粒物及大型原子团(较多)。

  2) 电子枪蒸发出来的工作物质原子、热离子、原子团、氧化物等(大量),光电离的工作物质的离子。

  3)电子枪加热灯丝钨、加速电极铁及水冷坩埚中的铜(微量)(质谱法测得)。

  4) 真空快速获得时气流携带粉尘(工作物质,空气中粉尘,等等)(较多)。

  不同污染物质对镜片薄膜的影响不一样,金属原子蒸镀到薄膜表面,宽带薄膜的反射率主要损失在短波长(<600 nm),而碳氢化合物主要损失在(450-650 nm)波长,而气流带起的粉尘则对任何波长的薄膜都会造成很大影响,所以要根据实验使用的相应波长,采取相应的镜片保护措施。

2、结论

  1)经过一系列的腔镜片保护措施,建立一套保护真空室内的光学镜片(反射镜、透射镜、晶体等)不受污染的装置和方法,有效提高了光学镜片在复杂重污染的真空环境下的使用寿命,为该领域试验研究提供了高效长时间运行的可能性。

  2) 此装置和方法可大量节约光学器件的加工成本,光学领域的器件大多比较昂贵,提高使用寿命无疑就是节约成本。

  3) 引入缓冲惰性气体保护的方法可借鉴应用于复杂重污染的环境中保护各种重要精密设备和仪器,有广泛的扩展应用性。

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