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為了實現光學元件表面污染物的無損去除,國內外學者研究了光學元器件表面污染物的清洗技術。目前,光學元件清洗的形式可以分為濕法清洗及干法清洗,濕法清洗技術是實現光學元件污染物去除的常用方法,但是濕法清洗存在一些缺陷,且無法實現在線清洗,后續提出一系列干法清洗技術。

濕法清洗

濕法清洗在硅基材料上有廣泛的應用,且光學元件最初的清洗方式便是濕法清洗。濕法清洗一般需要液體的參與。常用的濕法清洗方法有:浸泡清洗、蒸汽清洗及超聲清洗等。

干法清洗

干法清洗方式近年來得到了快速發展,并且該方法不需要液體參與,可以精確控制清洗位置,并且清洗后不會在清洗表面引入雜質,可以反復對表面清洗。干法清洗廣泛應用在各種表面清洗,主要包括:激光清洗、紫外線/臭氧清潔以及等離子清洗等。

等離子清洗原理

等離子體是物質的第四態,廣泛存在于自然界中,是宇宙的基本組成物質,如圖1(a)所示。等離子體的產生是通過外界能量的持續注入,誘導氣體分子中的原子相互解離,導致原子中的電子擺脫質子的束縛,最終形成等離子體,如圖1(b)所示。

圖1 等離子體的分布和產生

等離子體清洗機制是以化學反應為主,物理作用促進化學反應的進行。等離子體清洗過程主要是分為兩階段:第一階段是等離子體中產生的真空紫外線能率先破壞表面有機污染物的大多數有機化學鍵(C-H、C-C、C=C、C-O和C-N)。第二階段是由等離子體中產生的反應氧基團(O2+、O2-、O3、O、O+、O-、電離臭氧、亞穩態激發氧)和自由電子與有機污染物發生化學反應形成H2O、CO、CO2等小分子化合物。由于等離子體清洗所生成的小分子基團懸浮在環境中,在清洗過程中被不斷地從真空腔室中抽出,去除的有機污染物不會殘留在裝置中產生二次污染,從而獲得潔凈表面,如圖2(a)所示。

圖2 等離子體與污染物的相互作用過程 

傳統的有機污染物去除手段,如紫外線清洗、二氧化碳雪清洗、激光清洗,一般具有清洗效率低、過程不可控、對光學元件產生損傷等缺點。而等離子體清洗技術作為一種大面積、高效、可控的污染物去除手段彌補了傳統清洗污染物技術的不足,是光學元件潔凈的潛在工具之一。等離子體在去除光學元件表面有機污染物的同時對光學元件表面進行了改性,環境中水蒸汽分子在改性后的光學元件表面形成超親水表面,降低了激光輻照時的散射,有效地抑制了水污染,增加了光學元件的環境適應性。