元件之研磨與拋光

Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖經由玻璃包覆、銅鋁合金包覆之後，以 Buehler 之Isomet 切割機，搭配 Series 20 鑽石切割刀，將其兩端面不規則處 切除，接著以碳化矽(SiC)砂紙，由粗而細依序進行研磨，再使用各 式拋光布搭配不同顆粒大小之鑽石噴霧及氧化鋁，由顆粒大至顆粒小 依序拋光。

研磨是指以銳利的研磨粒(abrasives)切出樣品碎屑的過程，用以 得到一平整的表面；拋光為續研磨後的過程，能將研磨所產生的變形 及刮痕移除。而影響研磨/拋光效果的因素如下所列:

1.研磨/拋光盤之材質

研磨/拋光盤材質越硬，研磨/拋光面越平整。然硬度小的樣品不 適用於材質硬的研磨/拋光盤，應使用材質較軟的研磨/拋光盤，否則 將造成樣品的斷裂或邊緣崩塌。

2.研磨粒的種類、硬度、大小及用量

研磨粒指研磨和拋光所使用的研磨材料。維氏硬度約8000HV 的 鑽石(diamond)是最廣泛使用的研磨粒，維氏硬度約 2500HV 的金鋼砂 (silicon carbide，SiC)為砂紙所採用的研磨粒，維氏硬度約 2000HV 的 氧化鋁(aluminum oxide)拋光則是用以產生一種無刮痕的表面；越硬 的研磨粒磨耗速率越高，但對於硬度小的樣品卻容易造成斷裂或邊緣

製備假象[42]。而研磨粒越小，殘留的刮痕、坑洞也越小，但磨耗速 率低。研磨粒的使用量應視所使用的研磨/拋光盤盤面之種類及樣品 的硬度而定；當硬的樣品配合低彈性拋光布使用時，研磨粒磨損較 快，以致研磨粒的消耗量會大於軟的樣品配合高彈性拋光布之使用方 式。

3.潤滑液(lubricant)成份及用量

在研磨/拋光過程中，需使用潤滑液以減少磨擦對樣品與研磨/拋 光盤的損壞，越軟的材料須用越多的潤滑液，以增加研磨/拋光盤與 拋光布之使用壽命，同時將產生的熱量以及碎屑移除。而潤滑液的用 量也必須調整，以達最佳效果，使拋光布沾濕即可，而非溼透。另外，

須注意潤滑液之成份是否適用於樣品，不會對樣品造成腐蝕或溶解，

亦不會與樣品發生化學反應。

4.研磨/拋光盤轉速

研磨/拋光盤轉速越快，磨耗速率越高，但形成的刮痕與坑洞數 目越多，且產生的熱量亦較多。對於研磨，可使用高轉速以便將材料 快速移除；對於拋光，則使用低轉速以避免研磨粒拋出盤面。

5.施在樣品上的力量

視樣品的面積而定。施在樣品上的力量將影響刮痕與坑洞的大小 與深度，力量越大雖然磨耗速率越高，但刮痕與坑洞越大、越深，且 過大的施力易造成摩擦及溫度增加而使拋光布損壞。

6.時間

視樣品的面積與所使用的研磨粒種類及顆粒大小而定。製備時間

應儘可能縮短，以免造成浮雕(relief)或邊緣圓化(edge rounding)等假 象。

適當地控制以上變因，以期製作出完美的研磨/拋光面。完美的 研磨/拋光面則須滿足以下條件：

1.無變形(deformation)。

2.無刮痕或坑洞存在。

3.無雜質介入。

4.不同材質間的界面清晰。

5.研磨/拋光面平整，無浮雕或邊緣圓化的情形。

浮雕為製備複合材料時，個別材料之硬度及磨耗率不同所致，可 縮短製備時間或選擇低彈性之拋光布以避免之。邊緣圓化則是由於使 用高彈性之拋光布，致使材料從側邊周圍移除，除了適當地選擇拋光 材料，可縮短製備時間，減少施力以及改用低彈性之拋光布以避免之。

6.沒有因研磨/拋光產生之熱而導致之破壞。

本論文使用 Struers 公司所生產的 RotoPol-22 數位式研磨拋光 機，配合 RotoForce-1 數位式自動研磨頭進行研磨拋光，所使用之砂 紙為 Leco 公司所出產，其砂紙號數與顆粒大小的對照表如表 3-3 所 示。

表3-3 砂紙號數與顆粒大小關係(美規)

砂紙號數 120 400 600 800 1200

表3-4 為本論文製備元件的研磨流程，當樣品兩端經切割刀切割 之後，便以此研磨流程研磨，在每一道程序的研磨過程中，需隨時觀 察樣品是否有坑洞或雜質進入，若有，則要繼續研磨以除去之，在每 一道程序需除去上一道程序所留下的刮痕始可換下一道程序。研磨完 成之後再繼續拋光的工作。

表3-4 Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖之研磨流程

樣品 borosilicate、fused silica 玻璃、銅 鋁合金包覆之 Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖

潤滑液種類 水

研磨盤轉速 300RPM

研磨頭施力大小 5N

研磨流程

砂紙種類 研磨時間(分鐘) SiC paper # 800 2-5

SiC paper # 1200 3-5

表 3-5 為製備元件之拋光流程，由於 YAG 的硬度很高，其莫氏 硬度值為8.5，應使鑽石研磨粒拋光，只有鑽石能快速地將材料移除，

如表所示，我們依序使用 3、1、1/4 µm 之鑽石顆粒搭配不同彈性的 拋光布來進行拋光工作，其中3、1 µm 之鑽石顆粒為單晶材料，刮痕 較深；1/4 µm 之鑽石顆粒為多晶材料，顆粒較單晶材料小，所造成的 刮痕也較淺。如圖 3-15 與 3-16 分別為銅鋁合金、borosilicate 包覆與

銅鋁合金、fused silica 包覆之 Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖經研磨、拋光至 1/4 µm 的端視圖，表面有出現裂痕處主要是因為 fused silica 玻璃材料經 過加溫後，沒有做適當退火處理而產生，加溫後所生成的熱應力於研 磨拋光時釋放出來將造成玻璃破裂。然作為雷射晶體，其表面平整度 要求甚高，為了除去光學顯微鏡中看不到的細小刮痕，最後需再以 0.1 µm 顆粒大小的氧化鋁懸浮液拋光。除此之外，圖中可以發現 Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖的橫截面呈六邊形，這在 J. Stone 與 C. A. Burrus 的研究中亦發現相同之情形[3]。此乃因為 Cr:YAG 晶格在[1 1 1]方向 原子呈現六邊形排列的緣故，如圖3-17 所示。

表3-5 Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖拋光流程

樣品 borosilicate、fused silica 玻璃、銅鋁合金包覆之 Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖

潤滑液種類 Struer 紅色拋光潤滑液

研磨盤轉速 150RPM

研磨頭施力大小 5N

拋光流程

拋光布種類 研磨粒顆粒、大小 拋光液滴速 (滴/分)

拋光時間 (分鐘)

MD-Pan 3 µm 單晶鑽石噴霧 6 8

MD-Dur 1 µm 單晶鑽石噴霧 6 8

MD-Nap 1/4 µm 多晶鑽石噴霧 6 6

SP-Policel2 0.1 µm 氧化鋁

結塊懸浮液 適量 5

SP-Policel2 0.1 µm 氧化鋁

適量 5

(a) 拋光面 200 倍放大圖 (b) 中心放大圖

圖3-15 銅鋁合金包覆、borosilicate 包覆之 100 µm Cr⁴⁺:YAG 晶體光 纖經1/4 µm 鑽石拋光後，(a)拋光面 200 倍放大圖與(b)中心放大圖。

中間亮為Cr⁴⁺:YAG，周圍為 borosilicate 玻璃。

(a) 拋光面 200 倍放大圖 (b)中心放大圖

圖3-16 銅鋁合金包覆、fused silica 包覆之 36µm Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖，

經1/4 µm 鑽石拋光後，(a)拋光面 200 倍放大圖與(b)中心放大圖。最 中間纖心部分為Cr⁴⁺:YAG、內層纖衣為 Cr⁴⁺:YAG 與 fused silica 玻璃 互熔區、外層纖衣為 fused silica 玻璃。

圖 3-17 YAG 在 [111]方 向 之 晶 格 結 構 圖，其 中 大 顆 粒 為 釔(Y)、 中 顆 粒 為 鋁 (Al)、 小 顆 粒 為 氧 (O)。 [3]

此外，我們研磨的樣品為銅鋁合金、borosilicate 與 Cr⁴⁺:YAG 的 複合材料，拋光過程中會產生浮雕的現象，當使用鑽石研磨粒拋光 時，YAG 會較周圍玻璃突起，圖 3-18 為 1/4 µm 多晶鑽石噴霧拋光後 拋光面與0.1 µm 氧化鋁拋光後拋光面之表面量測比較圖形。經由 1/4 µm 鑽石顆粒拋光後 YAG 與 borosilicate 玻璃兩介面高度差為 0.333 µm，再經過 0.1 µm 氧化鋁拋光之後，其介面高度差增加至 0.479 µm，

曲率半徑約為 2.61 mm，由此可知氧化鋁拋光使得高度差增加 0.146 µm。而整體來說，拋光至 0.1 µm 之後，由 YAG 頂端至銅鋁合金的 高度差為 2 µm，並產生邊緣圓化情形，其主要原因可表從表 3-6 材 料硬度表了解，包覆元件中心的 YAG 硬度大於纖衣 borosilicate 玻 璃，而外層的銅鋁合金硬度更小，所以將使得在研磨拋光時軟材料較

圖3-18 銅鋁合金、borosilicate 玻璃包覆之 Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖

Borosilicate 418 Fused silica 500

而研磨/拋光的樣品為銅鋁合金、fused silica 與 Cr⁴⁺:YAG 的複合 材料時，浮雕的現象與邊緣圓化的現象亦產生了，如圖 3-19 所示，

YAG 會較周圍微突，而 YAG 與 fused silica 互熔的成份因為硬度較低 而凹陷，而邊緣的fused silica 則呈現較高的情形。中心 Cr⁴⁺:YAG 與 邊緣互熔區的相差高度為0.239 µm，曲率半徑約為 0.42 mm。

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

-0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Fused silica Fused silica

0.239 µm

Cr⁴⁺:YAG + Fused silica Cr⁴⁺:YAG + Fused silica

Cr⁴⁺:YAG

Horizantal (µm)

Vertical (µm)

圖3-19 銅鋁合金、fused silica 玻璃包覆之 Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖 拋光至1/4 µm 後之表面量測