平面光学元件超平整吸附装载的优化设计与分析

doi:10.3901/JME.2024.05.241

机械工程学报 ›› 2024, Vol. 60 ›› Issue (5): 241-248.doi: 10.3901/JME.2024.05.241

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平面光学元件超平整吸附装载的优化设计与分析

赵承伟^1,2,3, 张文豪^1,2, 龚天诚^1,2, 张逸云^1,2, 王长涛^1,2, 罗先刚^1,2

1. 中国科学院光场调控科学技术全国重点实验室成都 610209;
2. 中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室成都 610209;
3. 中国科学院大学北京 100049

收稿日期:2023-03-14 修回日期:2023-09-26 出版日期:2024-03-05 发布日期:2024-05-30
通讯作者: 罗先刚，男，1970年出生，博士，研究员，博士研究生导师。主要研究方向为数字光学、悬链线光学、微纳光刻、亚波长电磁学、结构功能材料及器件、仿生光子器件及系统等。E-maillxg@ioe.ac.cn
作者简介:赵承伟，男，1988年出生，博士，副研究员。主要研究方向为光机系统集成、超精密检测与控制。E-mailgdyzxnjd@163.com
基金资助:
四川省科技计划(2022YFG0001)和中国科学院青年创新促进会(202238)资助项目。

Optimal Design and Analysis of Ultra-flat Adsorption Loading for Planar Optical Components

ZHAO Chengwei^1,2,3, ZHANG Wenhao^1,2, GONG Tiancheng^1,2, ZHANG Yiyun^1,2, WANG Changtao^1,2, LUO Xiangang^1,2

1. National Key Laboratory of Optical Field Manipulation Science and Technology, Chinese Acadeng of Science, Chengdu 610209;
2. State Key Laboratory of Optical Technologies on Nano-Fabrication and Micro-Engineering, Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049

Received:2023-03-14 Revised:2023-09-26 Online:2024-03-05 Published:2024-05-30

摘要/Abstract

摘要： 在平面光学元件加工和应用中，采用真空吸附方式进行装载，具有快速、稳定的优势，而真空吸附对平面光学元件的面形影响不可忽视。基于有限元分析方法，针对功能窗口限制、倒立装载等特殊需求，对真空吸盘气道进行优化设计，并通过实验对真空吸盘的实际效果进行分析。实验结果表明，在吸盘不锁紧状态下吸附，平面光学元件在中心Ф10 mm、Ф20 mm和Ф40 mm范围内，面形PV分别为1.2 nm、5.1 nm和20.8 nm。在此基础上，论文进一步分析了装载平台平整度、吸盘装载方式和吸盘锁紧力对吸附结果的影响，结果表明：平面光学元件吸面型随着装载平台平整度的提升而提升；装载平台平整度2 µm条件下，采用四螺钉、2.5 N·m扭矩进行边沿固定，吸附效果达到最好，在中心Ф10 mm、Ф20 mm和Ф40 mm范围内，面形PV平均值分别为7.8 nm、27.7 nm和114.2 nm，装载重复性标准差为0.93 nm、3.2 nm和10.6 nm。

关键词: 真空吸附, 气道优化, 有限元分析, 面形测量, 扭矩控制

Abstract: In the processing and application of flat optical components, vacuum adsorption loading has the advantages of fast and stable. However, the influence of vacuum adsorption on the surface shape of flat optical components cannot be ignored. Based on the finite element analysis method, the airway of the vacuum sucker is optimized for special requirements such as functional window limitation and inverted loading. Meanwhile, the actual effect of vacuum sucker is analyzed through experiments. The experimental results show that when the vacuum sucker is not locked, the surface PV(Peak to Valley) at the substrate center, within the range of Ф 10 mm、Ф20 mm and Ф40 mm, are 1.2 nm, 5.1 nm and 20.8 nm, respectively. On this basis, the effects about the flatness of the loading platform, the loading method of the suction cup and the locking force of the suction cup on the adsorption effect are further analyzed. The results show that the surface PV of the flat optical element decreases with the increase of the flatness of the loading platform; When the flatness of the loading platform is 2 µm, four screws and 2.5 N·m torque are used to fix the edge, and the adsorption result is the best; In the center range of Ф10 mm,Ф20 mm and Ф40 mm, the mean surface PV are 7.8 nm, 27.7 nm and 114.2 nm, respectively, and the loading repeatability standard deviations are 0.93 nm, 3.2 nm and 10.6 nm.

Key words: vacuum adsorption, airway optimization, finite element analysis, optical surface measurement, torque control

中图分类号:

TH122

赵承伟, 张文豪, 龚天诚, 张逸云, 王长涛, 罗先刚. 平面光学元件超平整吸附装载的优化设计与分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(5): 241-248.

ZHAO Chengwei, ZHANG Wenhao, GONG Tiancheng, ZHANG Yiyun, WANG Changtao, LUO Xiangang. Optimal Design and Analysis of Ultra-flat Adsorption Loading for Planar Optical Components[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2024, 60(5): 241-248.

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