本發(fā)明涉及一種利用微波電離產(chǎn)生氧原子實現(xiàn)清除的系統(tǒng)，具體涉及一種基于微波電離的介質(zhì)膜層表面污染清除系統(tǒng)及其清除方法。
背景技術(shù)：
自1960年美國物理學(xué)家梅曼發(fā)明激光器以來，激光技術(shù)得到飛速發(fā)展。由于激光相比傳統(tǒng)光源具有高能量、高單色性、高相干性、極佳的方向性等優(yōu)點，各科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域紛紛應(yīng)用激光并形成了一系列交叉學(xué)科，包括信息光學(xué)和光電子學(xué)、激光醫(yī)療、激光加工、激光檢測、激光全息、激光雷達等。伴隨著激光技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代光學(xué)也脫胎于古老的光學(xué)學(xué)科，重新煥發(fā)了青春。人們對光學(xué)現(xiàn)象的理解不斷加深，光學(xué)成像、光譜分析等技術(shù)手段廣泛應(yīng)用于社會生產(chǎn)中。
在激光和現(xiàn)代光學(xué)的實際應(yīng)用中，以光學(xué)鏡片為代表的元件構(gòu)成了激光操控和光學(xué)成像的基礎(chǔ)部件。為了增強鏡片的透過率、反射率、濾波效率等性能，在鏡片表面需要進行鍍膜處理。鏡片表面的膜層可以分為介質(zhì)膜和金屬膜，后者主要用于全反鏡設(shè)計，實際應(yīng)用相對較少。介質(zhì)膜通過光學(xué)工程理論和方法設(shè)計出折射率周期性變化的結(jié)構(gòu)，采用電子蒸鍍、磁控濺射等方式實現(xiàn)，可以有效增加元件的透過率。目前選用的鍍膜材料主要有氧化鉿、氧化鋯、氧化硅等氧化物，這些材料化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，在正確的操作和維護下可以達到較長的使用壽命。在實際應(yīng)用中，光學(xué)膜層表面潔凈度對元件特性有著直接的影響，由于操作不當(dāng)在膜層表面引入的指紋等有機污染物，會降低元件透過率、反射率，直接影響對激光的操控特性。表面污染物還會促進膜層對激光能量的吸收和沉積，增加膜層在激光應(yīng)用中損傷的概率，降低元件使用壽命。成像系統(tǒng)中光學(xué)膜層表面的污染會導(dǎo)致成像銳度下降，嚴重影響成像質(zhì)量。
要克服膜層污染帶來的光學(xué)元件效率下降，一方面應(yīng)強調(diào)精密光學(xué)元件的正確操作，減少污染的可能性，另一方面則應(yīng)發(fā)展針對指紋等有機污染物的有效清潔方法。傳統(tǒng)上，對光學(xué)元件表面膜層的清潔一般采用直接法，將酒精、丙酮、乙醚等有機溶劑按一定比例兌制成清潔液，結(jié)合棉簽、無塵布、擦鏡紙等進行擦拭。這是一種直接接觸清潔法，容易造成膜層表面的二次污染甚至永久性損傷。曾有研究表明KrF準分子發(fā)出的紫外波段激光脈沖輻照石英等光學(xué)元件可以對其表面的指紋污染物進行有效清潔，這是一種非物理接觸的清潔方法，但是因諸多限制而沒有大范圍應(yīng)用：一方面這種方法對激光脈沖的能量有嚴格的限制，只有當(dāng)單脈沖能量密度達到450 mJ/cm2以上時才能起到清潔作用，脈沖能量過低時不但清潔無效，反而將指紋徹底固化在元件表面，極大增加了清潔難度；這種清潔方法對激光波長也有嚴格的限制，有效激光波段僅僅限于紫外波段，而眾所周知，除了高品質(zhì)石英元件外，普通光學(xué)玻璃元件等在紫外光的輻照下化合鍵會發(fā)生斷裂，使元件透過率下降，紫外光對光學(xué)膜層造成的影響更加不容忽視，有可能造成膜層的徹底損傷。人類指紋中的成分主要皮膚表面分泌腺的分泌物，以甘油、脂肪酸、醇類等有機物為主，這些油脂類有機物在膜層表面有一定的附著度，不易清理。
專利號為“ZL03116276.2”的中國專利公開了一種材料表面的清潔方法，把需要清潔的材料置于微波輻射源和紫外光之間，由微波能量轉(zhuǎn)化為紫外光能量，同時由紫外光激勵產(chǎn)生臭氧或者由微波能量產(chǎn)生氧等離子體，實現(xiàn)對材料表面的高效清潔。其清潔效果好，使用方便、安全，適用范圍廣，可適用于半導(dǎo)體材料和器件的表面清潔處理，尤其適用于ITO玻璃的表面清洗，可提高ITO玻璃的表面功函數(shù)，優(yōu)化電極性能。但是其是純氧環(huán)境下進行，并且由微波能量轉(zhuǎn)化為紫外光能量，同時由紫外光激勵產(chǎn)生臭氧或者由微波能量產(chǎn)生氧等離子體，增加了中間轉(zhuǎn)換過程，效率低，而且在清潔過程易產(chǎn)生其它污染物，反而造成清理不干凈。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有光學(xué)元件表面的膜層被人類指紋污染后不易清理干凈，甚至清理時會對膜層造成損傷，同時清理時有殘留物或者二次污染風(fēng)險，提供了一種基于微波電離的介質(zhì)膜層表面污染清除系統(tǒng)及其清除方法，該系統(tǒng)及方法針對光學(xué)元件介質(zhì)膜層表面的指紋污染可以通過非接觸的方式進行有效清潔，同時不對膜層造成損傷，保持光學(xué)元件表面的光學(xué)性能符合要求，不會有殘留物，也不會造成二次污染。
本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：
基于微波電離的介質(zhì)膜層表面污染清除系統(tǒng)，包括樣品倉，所述樣品倉外部設(shè)置有微波源、真空機構(gòu)、氣體流量控制系統(tǒng)、氧氣源和惰性氣體氣源，氧氣源和惰性氣體氣源均與氣體流量控制系統(tǒng)連接，微波源、真空機構(gòu)和氣體流量控制系統(tǒng)均與樣品倉內(nèi)部連通，惰性氣體在常溫常壓下，它們都是無色無味的單原子氣體，很難進行化學(xué)反應(yīng)，惰性氣體氣源從成本以及原料獲取難易性等考慮優(yōu)選為氦氣源。人類指紋中的成分主要皮膚表面分泌腺的分泌物，以甘油、脂肪酸、醇類等有機物為主，這些油脂類有機物在膜層表面有一定的附著度，不易清理。因此本方案設(shè)計了一種基于微波電離的介質(zhì)膜層表面污染清除系統(tǒng)，該系統(tǒng)是將樣品倉整體基于氧氣在微波下的電離過程產(chǎn)生氧原子和氧離子，對光學(xué)元件介質(zhì)膜層表面指紋污染進行清除。原子氧是地球高層大氣的主要成分，具有極強的氧化性，甚至高于氟氣。原子氧對有機物有極強的分解作用，可以將有機物分解成CO、CO2、H2O等氣體離開附著表面。在地面通過微波將氧氣進行電離可以產(chǎn)生具有類似高氧化性的原子氧和離子氧，對膜層表面的指紋污染進行清潔。本方案是將氧氣和氦氣以一定比例，通過導(dǎo)管進入樣品倉，在倉內(nèi)樣品周圍形成特定的氣體氛圍。電離產(chǎn)生的原子氧、離子氧在惰性氣體的保護下可以存在較長時間，使得其活性足，充分對樣品表面的指紋污染物進行氧化清潔，清潔的效率大大提高；本方案是基于微波電離直接產(chǎn)生原子氧，在非物理接觸條件下針對光學(xué)元件介質(zhì)膜層表面指紋污染物的清除系統(tǒng)。將裝置樣品倉保持在一定真空度，使氧氣在微波作用下發(fā)生電離產(chǎn)生原子氧和離子氧，并且在He氣氛圍的保護下和光學(xué)膜層表面的有機物發(fā)生作用，產(chǎn)生的CO、CO2、H2O以氣體形式離開膜層表面，達到清潔作用，元件介質(zhì)膜層則不和原子氧發(fā)生相互作用，保留優(yōu)質(zhì)的光學(xué)特性，同時真空機構(gòu)產(chǎn)生的氣流將清除過程中產(chǎn)生的雜物排出系統(tǒng)，不會造成二次污染，克服了現(xiàn)有技術(shù)中存在二次污染的可能性?？梢?，該系統(tǒng)是一種非接觸式清潔系統(tǒng)，可以在不影響介質(zhì)功能的情況下對膜層表面指紋污染進行有效清潔。
真空機構(gòu)主要由真空泵、插板閥、真空規(guī)和真空計構(gòu)成，并且通過波紋管同時與真空泵和樣品倉內(nèi)部連通，插板閥設(shè)置在波紋管和真空泵之間并同時與波紋管和真空泵連接，插板閥能夠完全封閉波紋管的橫截面，并且通過插板閥的開合對波紋管的開閉程度進行控制，將氣壓穩(wěn)定在特定范圍內(nèi)，達到原子氧電離的最佳條件。真空規(guī)設(shè)置在真空泵和樣品倉之間，且真空規(guī)與波紋管內(nèi)部連接，真空規(guī)和真空計連接，將檢測到的數(shù)據(jù)通過電信號傳遞出去，而且在樣品倉中設(shè)置有上電極和下電極，上電極設(shè)置在下電極正上方，上電極和下電極之間設(shè)置有空隙，微波加載過程通過上電極和下電極完成，樣品放置在上下電極之間，受清潔面朝上。上電極和下電極之間保持電隔離，上電極與微波源連接，且下電極與樣品倉外部接地，在兩個電極之間的樣品膜層附近形成微波振蕩。
氣體流量控制系統(tǒng)包括流量閥一和流量閥二，流量閥一同時與氧氣源和樣品倉連接，流量閥二同時與惰性氣體氣源和樣品倉連接。流量閥是用于控制氧氣和惰性氣體分別的注入速度，從而控制兩種氣體在倉內(nèi)氛為中的含量比值，達到最適合氧氣電離和原子氧保持的條件，在通氣過程中流量閥一和流量閥二始終以設(shè)定的狀態(tài)進行通氣，保持系統(tǒng)中能夠形成氣流和穩(wěn)定在設(shè)定的最佳氣壓范圍。
波紋管與樣品倉連接的端頭設(shè)置有法蘭，波紋管遠離真空泵的一端穿過法蘭與樣品倉形成無縫連接，其密封性能好，配合真空機構(gòu)將倉內(nèi)氣壓維持在特定范圍，使氧氣在最優(yōu)條件下電離。
樣品倉是對光學(xué)鏡片進行清潔的工作區(qū)域，由不銹鋼制成，分為倉蓋和托盤兩部分。倉蓋上部通過波紋管和真空機構(gòu)連接，配合倉蓋與托盤之間的橡膠墊設(shè)計，將樣品倉維持在一定的真空度。上下兩片鋁制電極置于樣品倉中，相互之間以及電極和樣品倉之間均保持電絕緣。兩片鋁制電極分別連接微波源和接地，微波振蕩在兩片電極之間產(chǎn)生原子氧和離子氧。托盤有兩個氣體開口分別用于注入氧氣和惰性氣體，提供樣品清潔所需的氣體氛圍。
基于微波電離的介質(zhì)膜層表面污染清除方法，將待清除樣品放置在樣品倉的托盤中后關(guān)閉倉蓋實現(xiàn)對樣品倉的密封，打開真空泵將樣品倉中的氣體抽出后形成真空保持真空泵開啟，從而避免其它雜質(zhì)影響電離過程，打開氧氣源和惰性氣體氣源，通過氣體流量控制系統(tǒng)控制氧氣以20至40 cm3/min的速度注入樣品倉，同時惰性氣體以110 至130cm3/min的速度注入樣品倉，直到在樣品倉中形成1.5×10-1 Pa～2.5×10-1 Pa的氣壓時保持氣體流量控制系統(tǒng)開啟，以這種速度范圍通入，能夠保證快速達到預(yù)定氣壓，同時對于設(shè)備的密封性和成本也在預(yù)設(shè)范圍中，惰性氣體優(yōu)選氦氣，此時樣品倉中氣體只含有氧氣和氦氣，從而在清除過程防止二次污染；再打開微波源，與微波源相連接的上下鋁電極之間形成微波振蕩，通過微波電離作用，將電極之間的氧氣電離產(chǎn)生原子氧、離子氧，在氦氣這種惰性氣體氛圍下對電極之間放置的光學(xué)鏡片進行氧化清潔，消除指紋污染，由于氦氣的保護，能夠保持原子氧或離子氧的活性；在對污染物清除過程中，真空規(guī)對樣品倉中氣壓進行檢測，超過設(shè)定值時通過插板閥對樣品倉內(nèi)氣壓進行調(diào)控，使得清除過程樣品倉中的氣壓保持在1.5×10-1 Pa～2.5×10-1 Pa范圍內(nèi)，在樣品倉中形成恒定的氣壓范圍，通過實驗后總結(jié)，在1.5×10-1 Pa～2.5×10-1 Pa這個范圍內(nèi)對光學(xué)鏡片進行氧化清潔時，是最適合微波電離產(chǎn)生原子氧和離子氧的環(huán)境，實現(xiàn)清潔的效率達到最高，通過插板閥與真空規(guī)連接控制，形成持續(xù)通氣和排氣，既保證了樣品倉中氣壓的穩(wěn)定性，也保持了氣體成分的穩(wěn)定性，將雜質(zhì)快速清理排出，從而對于保持樣品倉中氣壓的穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵性作用，也便于控制，能夠快速進行樣品倉中氣體的更換，不會摻入其它雜質(zhì)。
本方案是針對光學(xué)元件介質(zhì)膜層表面指紋污染物的清除系統(tǒng)，其利用微波電離方法產(chǎn)生原子氧、離子氧，在惰性氣體保護的氛圍下對光學(xué)鏡片表面膜層的指紋污染物進行清潔，清潔效率高，使得光學(xué)鏡片表面干凈，并且清潔時只產(chǎn)生氣體，不會有殘留物或者二次污染物沉積在光學(xué)元件介質(zhì)膜層表面，產(chǎn)生的氣體在持續(xù)通入的氣流作用下排出系統(tǒng)，從而進一步防止殘留產(chǎn)生，同時內(nèi)部氣壓始終在最佳范圍中，由于是采用非接觸清潔，不會對膜層造成物理損傷，保證了膜層的完整性。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果：
1、本發(fā)明對光學(xué)鏡片進行非接觸清潔，不會對膜層造成物理損傷，保護了膜層的安全；
2、本發(fā)明基于原子氧的強氧化作用，指紋污染最終轉(zhuǎn)變?yōu)镃O、CO2、H2O以氣體形式離開膜層表面，清潔徹底且無殘留，不會產(chǎn)生二次附著物殘留在光學(xué)元件介質(zhì)膜層表面；
3、本發(fā)明對光學(xué)鏡片清潔的過程，以及生成物不涉及有毒有害排放物，操作過程安全可靠，而且不會產(chǎn)生二次污染。
附圖說明
此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實施例的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明實施例的限定。在附圖中：
圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖中標記及對應(yīng)的零部件名稱：
1-氧氣源，2-氣體流量控制系統(tǒng)，3-惰性氣體氣源，4-樣品倉，5-微波源，6-真空泵，7-插板閥，8-真空計，9-波紋管，10-真空規(guī)。
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實施例和附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明，本發(fā)明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對本發(fā)明的限定。
實施例：
如圖1所示，基于微波電離的介質(zhì)膜層表面污染清除系統(tǒng)及其清除方法，包括樣品倉4，所述樣品倉4外部設(shè)置有微波源5、真空機構(gòu)、氣體流量控制系統(tǒng)2、氧氣源1和氦氣源，實際使用時氧氣源1是通過氧氣瓶來盛裝，氦氣源是通過氦氣瓶來盛裝，真空機構(gòu)包括真空泵6、插板閥7、真空規(guī)10和真空計8，真空泵6連通有波紋管9，且波紋管9與樣品倉4內(nèi)部連通，真空泵6通過波紋管9對樣品倉4進行抽取空氣，插板閥7設(shè)置在波紋管9和真空泵6之間并同時與波紋管9和真空泵6連接，插板閥7的橫截面大，其能夠完全封閉波紋管9的橫截面，并且通過插板閥7的開合對波紋管9的開閉程度進行控制，真空規(guī)10設(shè)置在真空泵6和樣品倉4之間，且真空規(guī)10與波紋管9連接，真空規(guī)10檢測波紋管9中空腔的真空度，并及時將信號傳遞到真空計8中進行顯示，便于操作人員對狀況的控制，樣品倉4中設(shè)置有上電極和下電極，上電極設(shè)置在下電極正上方，上電極和下電極之間設(shè)置有空隙來保持電隔離，樣品放置在上下電極之間，上電極與微波源5連接，且下電極與樣品倉4外部連接形成接地，氣體流量控制系統(tǒng)2包括流量閥一和流量閥二，流量閥一同時與氧氣源1和樣品倉4連接，流量閥二同時與氦氣源和樣品倉4連接，波紋管9與樣品倉4連接的端頭設(shè)置有法蘭，波紋管9遠離真空泵6的一端穿過法蘭與樣品倉4形成無縫連接。
真空機構(gòu)用于控制樣品倉4內(nèi)的氣壓，使之達到并保持在最適合原子氧產(chǎn)生的壓強，一般為1.5×10-1 Pa～2.5×10-1 Pa；氣體流量控制系統(tǒng)2和氧氣瓶及氦氣瓶連接，氧氣和氦氣的氣體注入速度分別控制在30 cm3/min和120 cm3/min。微波源輸出功率一般控制在400 W，與微波源5相連接的上電極，和下電極之間形成微波電子振蕩，將中間的氧氣進行電離，產(chǎn)生原子氧和離子氧。原子氧和離子氧在He氛圍的保護下具有較長壽命，對光學(xué)鏡片表面的指紋污染物進行氧化反應(yīng)，達到徹底清潔作用。
將光學(xué)鏡片待清潔膜面朝上放置在下電極上。樣品倉4上部通過波紋管9和真空機構(gòu)連接，以一定速率將倉內(nèi)氣體抽出。樣品倉下部和氣體流量控制系統(tǒng)連接，通入一定比例和流速的氧氣及氦氣。真空系統(tǒng)和流量控制系統(tǒng)之間的配合，將樣品倉內(nèi)氣體成分、氣壓控制在最適宜氧氣電離的范圍。當(dāng)鋁制電極連接微波源產(chǎn)生微波輸出時，電極中間氧氣發(fā)生電離產(chǎn)生原子氧和離子氧，在He氣氛圍保護下對指紋污染進行氧化清潔作用，生成物CO、CO2、H2O以氣體形式離開樣品表面，通過真空機構(gòu)排出，在樣品倉4或者光學(xué)鏡片表面無殘留，也沒有其它二次污染物產(chǎn)生。樣品倉4的倉蓋和托盤之間采用橡膠墊進行密封，能夠維持一定氣壓。上電極和下電極之間為電絕緣，分別連接微波源5和接地。
以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。