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第十八章 用软质晶体制造光学零件
第十八章 用软质晶体制造光学零件
从光学工司，例如Optovac (North Brookfield,MA 01538)工司及Harshaw Chemical(6801 cochran Road,Colon,ohio 44139)工司可以买到大量光学晶体。Optovac工司的出版物No50(1959)叙述了这类晶体的加工枝术，例如CaF2、MnF2 BaF、SrF 、LiF、NaCL、KCL、KBr、NaF、CdF、CdF 、PbF 、KRS-5、Csl，激光晶体及掺铀CaF 和掺镝CaF 晶体。本章从该出版物中选取了很多技术资料，在此详加论述。Exotic材料公司（2968 Randoenh Ave,CostaMesa,CA92626）是制造的厂家多晶硅多晶锗以及砷化镓。Koda Kertran红外材料可以从Eastman Kodak（901 Eemgrove Rd,Rochester,NY 14650）等处获得，他们还供应氟化镁、硫化锌、氟化钙-72的Vrtran1-5中。本章中叙述的许多光学技术一部分是从这本优秀刊物中选取的。至于日益增加的晶体表格中的各种晶体的命名，显然超出了本书的范围。
关于晶体材料光学加工的更详细的资料，可参阅D.F.霍恩著的Optical Production Technology P546～547页，并参阅Technology Manual and Application Notes（Hacher Jnstruments,Inc., Northfield, NJ07006）。

1.晶轴旋转检测法
在加工光学表面前需要利用正交偏振片来检验一些晶体中的透射光的旋转轴。检验时晶体的各个端面预先用120号金刚砂研磨，并用加拿大树脂胶与显微镜波片粘结。该胶合体必须按预定的中心用清漆（透明漆）粘在一块玻璃板上以垂直于光轴的方向切割晶体并在一个转动的万向架上摆动，使其在需要时能够处于晶轴的倾斜位置，以便作第二次切割。如果胶合体逆时针方向转动时观察到条纹向内移动，则晶体是左旋的；如图所示条纹向外移动，在是右旋的晶体（如图18.1所示）。该装置见斯特朗（Strong）所著Procedures in Experimented Physics第五版第三章第38图（Prentice-Hall, Englewood Cliffs,NT,1948）。 图18.1 检验天然石英、方解石
激光晶体是昂贵的，在切割以前必须知道它们的旋转轴。 和同类光学晶体的主光轴方向
切割时用一台万向旋转装置来测定需要切割晶体的轴向。供
应晶体的商行通常提供劳厄（Laul）晶体后反射的x射线照片，以表示晶轴的方向。
天然石英和方解石（CaCO3）晶体有轴的旋转特性。许多电光晶体必须预先确定轴的方向。磷化镓和掺铀铌酸锂晶体是许多激光物质中的两种。

2.均匀性检验
象所有透射系统一样，晶体均匀性的检验是重要的。H.索尔泽曼（Saljman）在在Applied Optics，9,1943～44（1940）中叙述了一种简单的测量晶体材料均匀性的干涉测量方法（罗契法）。图18.2说明罗契检验装置在原理上就象是一台干涉仪。经过透镜的一束准直性很好的光束被分成横向剪切的干涉条纹。当使用一块高频光栅与发散的光锥相交并用空间相干光源在观察屏上观察罗契图时，如果观察到的是一组等距直条 图18.2 用折射率匹配的油，将晶
纹，则均匀性是优等的。大多数情况下横向剪切条纹 体试样的粗磨表面与显微镜盖玻
在半个条纹以内并可能会有些象散。由供货商提供的 片湿粘在一起进行均匀性检验（注
天然石英和方解石往往是一些无法切割和研磨的不规 意这就是罗契检验装置）
则的晶块。天然晶体必须浸入1gal(1USgal=3.785dm3)容积的玻璃缸槽中进行检验槽的玻璃壁应事先在正交偏振片之间检验其应力。
晶体放入加热的浓缩草酸溶液中以清除其上的氧化铁，然后用水洗涤干燥后全部浸入白矿油或20%二甲苯和80%乙基肉桂酸盐（按体积）的混合溶液中。最好把晶体放在粗的铁网筛上，以预防破碎。
把一个明亮的光源如美国光学显微镜的照明系统汇聚在浸没的石英晶体上，并且在晶体缓慢旋转时从上面进行观察的表面不存在大量聚集的条纹和气泡，则可在符合要求的晶体的两个端面上切割薄片。斯特朗和保罗（Paul）提出了定向石英晶体的具体过程。尤其是保罗提出的临时应急的方法即使在小的光学车间也能应用(详见Billiography第十七章)。
本节对几种可用来检验光学晶体均匀性的方法进行了讨论。浸液检验法提出的是不用锯切晶体的一种均匀性检验方法。罗契法是一种用220号金刚砂研磨表面并用软树脂胶粘结显微镜载玻片上的一种简易的均匀性检验法。折射率低于2.0的匹配油可在市场上买到，并且可以找到其它许多用作匹配液的液体。

3.晶体的研磨与抛光
天然晶体和人工晶体的研磨和抛光技术可以划分为3类。由于金刚石晶体极其坚硬，必须在高速旋转的铸铁平板上用金刚石研磨粉研磨。蓝宝石（二氧化硅）和许多激光晶体被划入这一类，它们要用金属抛光模具来加工；任何一种类型到石英均可用常规的玻璃研磨方法来处理；第三类软晶体的典型代表是方解石或CaF2，这类晶体或半晶体可以锯切成粗坯。
在研磨或抛光之前可以用上述三种方法之一制成光学零件毛坯。
劈裂法
许多立方晶体，例如金刚石、盐NaCl和KCl可以劈裂成棱镜。劈裂是一项值得重视的技术，它象光胶一样是能够掌握的。一旦掌握了这项技术就可以从大块晶体上劈裂0.02in的薄片。待加工的盐块放在涂有橡胶的毛毡上或几张纸上，以防弄破盐立方块的底部。将一片单面剃须刀片平行于已经劈开的断面，仔细地放在晶体将要劈开的地方，用小锤迅速敲击切割工具（通常是一片剃须刀）。如果敲了几下还未劈裂，则要移动切割刀具，重新放在新的位置上再做一次尝试。要劈开一个平滑表面是比较困难的。
L.B.哈里斯设计了一架剪切式的劈裂机。这台设备有一个带动30°切割刀片的杠杆机构和一个可以将轴台提升到八个不同高度的转轴。盐块靠着一个金属档块，而刀片的基座放在橡皮上，这样可以从大块盐上分裂开切片。装在重的黄铜框架上的橡皮缓冲器，可以防止框架撞击劈裂机的基体。即使不熟练的工人使用这种型式的劈裂机也可以几乎有100%的可靠性，并且对各种不同尺寸的盐块均可使用。
湿的线切割法
哈里斯也讨论了水溶性晶体的湿的线切割法，用这种方法生产无应变晶体。若用其他方法切割晶体则在表面上会产生硬化层且难以用细磨将它磨掉。湿线切割法是基于带锯的原理。弦线是直径0.1in的抗晶体腐蚀的镍铬合金线，让其两端重叠0.1in并用银焊接。银不直接加热而是在不锈钢线上使其过热，并用来焊接镍铬合金丝的两端，线的长度一般为9ft。晶体被装在以个滑动的工作台上，用自由悬挂的重物使其进入运动着的湿线。
湿线法用于较软的晶体，例如ADP、KDP、和KDDP以及KCl、KCL和CsI。
如果运动着的线携带着由碳化硅或金刚石粉末组成的湿泥浆，则线锯对软晶体和硬质晶体材料均可使用。Laser Technology公司(North Hollywood, CA,9160)制造的一种线锯可以具有不同的运转速度，以适应较硬的晶体，切割这类晶体的速度应较慢，以免在研磨抛光过程中因应力释放而出现条纹并导致最后表面完工后抛光面出现扭曲。
很薄的晶片，例如二氧化硅的需要量很大，为此可以用多张金刚石锯切以200～300r/min速度进行切割。加工这类晶体时，大多数是胶在铸铁平行平面工具中实现的。两面同时细磨与抛光。在微电子电路中要用到大量的硅片和太阳能电池片（见图18.3）。
软晶体的研磨和抛光
市场上有一些按冶金学家曾经用过的研磨和抛光预成型晶体的工具。这套工具包括各种粒度的砂纸或砂布，用来粗加工所要求的形状。很细的砂纸用以细磨，通常用煤油作润滑剂，并用橡胶粘结着砂纸的平面磨具进行手工研磨。更换其它号数的砂纸时采用老的方法。
用金属环绷紧平面模具上的薄呢布来抛光这类软晶体。一般用消毒酒精与Linde B配成抛光液，用一把平刷子将这种悬浮液刷在呢布上。抛光过程中加入的酒精越来越少直到抛光盘几乎干了为止。由于这种细的几乎是干的抛光使表面的粗糙度较好。

4.软晶体的精密制造 图18.3 激光技术公司制造的No.2006线锯，
比岩盐还要软的晶体，例如磷酸盐、氯化钾、 用带有金刚石湿泥浆的钢丝切割晶体
溴化钾甚至碘化钾需要一些特殊的处理方法。 （冷却液必须仔细选择）
预先成形的棱镜、透镜和其它光学元件在用
95号刚玉砂细磨或最后的尺寸公差之前应有粗抛光的磨边和倒角。因为多数晶体会析出晶粒而落入细磨模具或抛光模上，因而大大影响了粗糙度，所以需要倒角。圆零件的倒角是用一个半径较深的玻璃模具来完成的。一般将晶体元件装在夹具上来磨外圆与倒角。使用玻璃模具时都要用95号砂浆和煤油作润滑剂，并用毡布和Linde A与消毒酒精来抛光倒角面及外圆，但只要粗抛光即可。
在平板玻璃模具上用95号砂倒边棱镜，且尽量倒得大一些，以增加强度防止破损。倒边时必须仔细，若不均匀，有损于光学元件的外观。用金属环夹住并拉紧Pellon布的平面模来抛光磨砂的外圆。当然，要在慢速旋转的轴上(100r/min)进行研磨与抛光。将倒角模具放在晶体元件上及晶体放在平磨模上时都要非常细心，不能象加工冕牌玻璃那样来加工晶体。
5.研磨
由于盐类化合物对铸铁有腐蚀作用，应该改用市场上可以买到的玻璃磨具。为了研磨平面或加工光学表面有必要使用两块平的磨模。玻璃磨具的直径要大于光学零件的直径，比例通常为4:1。一只磨具用于粗磨，320号金刚砂是最粗的；另一只磨具表面应略为鼓起。这一专用工具用于光学晶体抛光前最后一道砂的研磨。零件表面稍微凹下是比较好的，因为这样易于使表面不塌边。
细磨时用煤油作润滑剂和用145号或90号刚玉砂组成的悬浮液。用95号砂细磨前，应先用145号砂磨。
许多缺陷是来自砂的粒度和未能建立粒度分级标准。制造砂的每个公司都有自己的分级方法。95号砂的粒度等于9.5mm，303.5号砂粒度是10mm(见附录5)。
用洗盘子的清洁剂将晶体上的研磨混合物洗去，再擦干并放进干燥器内，用干燥剂如氯化钙将水汽吸收掉。
加工中注意添加新的研磨液，否则晶体会粘在旋转的模具上。
常用的四种砂号是：320号金刚砂、225号、145号、95号刚玉。320号金刚砂和225号刚玉用于粗磨；145号和95号刚玉用于细磨。
研磨平面的过程中应记住：旋转模具外边缘的运动速度总是比中心区域快，因而外边缘的研磨量较大。由于一边比另一边磨损得更快，使光学晶体元件很快磨成楔形，所以在整个研磨期间，工件应在模具上采用椭圆形或8字形的动程，并要旋转光学零件。这种方法既能保持模具的面形，又能防止工件呈楔形。
如果已用分厘卡仔细地测量了平行平板或窗的楔度，则可在研磨过程中对厚的区域施加压力。因为软质晶体磨损很快，使用不旋转的模具对于修正小的楔角比较合适。
以上叙述的是加工平面的方法，但对于晶体棱镜或晶体锥体则必须控制尖塔差或侧面角。有些晶体棱镜的反射角要求±30²，有的棱镜要求30¢。对于要求30¢的棱镜，用精密的卡板或机械角R来测量就足够了。对于要求±30²的棱镜或用角锥棱镜可以用前面所叙述过的测试棱镜角度的光学装置来检验。
6.抛光
大多数软晶体要进行粗抛光，以释放加工过程中夹持所引起的应力。布抛光工艺已在前面第五段中叙述了，棱镜各侧面的细磨与以上所述相同。
光学软晶体零件的平面沥青抛光是一次加工一个面，没有进行大批量生产、成盘加工的必要。略硬一些的氟化锂和氟化钙窗已经成功地用擦镜纸蜡胶到平行垫板上进行加工。
软晶体的沥青抛光最近已由美国Mount Wilson的D.亨德里克斯实际使用过，并由斯特朗进行探讨。
亨德里克斯采用的手工抛光的沥青抛光模含有5lb水白松香和5oz松木焦油，一般抛光模直径与工件直径的比值为5:1。在抛光模上切出深度为沥青厚度一半、小手指宽的方格槽，其上再用尼龙或塑料丝网覆盖，以增加一些小起伏的方格槽用Barnsite抛光液润湿丝网布并将它放在沥青模上。将一个平铸铁模用热水加热后放在湿丝网布上，并使只要1/3的网线压入沥青，否则在移开丝网时，会有沥青从模子上拉下来。可以将热的铸铁模滑过模子边缘，将丝网从沥青上掀起一点，观察并检查压下的深度。为了将蜂蜡涂覆整个抛光模，亨德里克斯用一只中等尺寸的漆刷把冒烟的液态蜡顺一个方向只刷一次。即使没有涂覆的面积大到0.125in也不再重新涂抹，而宁愿用Treswax或类似的软膏蜡，用一块沾满蜡的布轻轻地涂抹整个区域。可以用三个手指以很轻的压力将软膏蜡压入抛光模，然后干燥15min。
用凹的玻璃压板将沥青抛光模形成略微凸起的表面轮廓(见第三章)。
因为抛光模使用的是软蜡涂层，易于形成起伏的表面轮廓，所以将它放在一块重物下面以加速其成形。这样形成的抛光模随时可以使用。图14.2给出了一个类似的抛光模。
棱镜的细磨是用双手以舒服的手势抓住棱镜按W形的动程在整个抛光模上进行抛光。一些常用的动程可以分为：越出边界的长动程使表面凹下，中心区域的短动程使表面凸起。抛光混合液由一份LindeA和4份异丙醇或乙二醇组成。亨德里克斯用饱和盐溶液和研磨40h的铈粉做成抛光液。当抛光模快要干时，最后一个动程直接在一只绷紧着抛光布的软的木制圆模上完成。这样可以除去积聚在晶体表面上的悬浮液并同时使表面干燥。
由于棱镜要吸收潜热，使抛光面达到1/4的光圈是困难的。晶片窗必须装在一片有机玻璃上，晶体与塑料间夹有软木或涂有橡胶的毡，并用胶带纸将其固定在一起。
已完工的光学零件的表面都必须喷漆或者用其它塑料喷涂保护之，而且都可以用丙酮揩掉。棱镜和其它光学零件上所有的粗抛光表面都必须喷漆保护，否则工人手指上的湿气会腐蚀光学表面。
7.擦亮
表面起雾的软晶体零件要通过擦亮工序使其恢复到抛光表面。Pellon (New York)或Microcloth (Buchler, Chicago)制造的用棉布与粘结板粘结而成的一块双面绒工具可用来半干、擦光。将光学晶体在手背上摩擦所产生的湿气就是唯一的润滑剂，也可以在布抛光模上呵口气来增加湿气，但擦光后就不允许在抛光好的晶体表面呼气，而应放在干燥箱中。
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