納米級(jí)面形精度光學(xué)平面鏡加工

張 峰

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所

光學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)制造技術(shù)中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春130033)

1 引言

高精度平面鏡廣泛應(yīng)用于各類光學(xué)系統(tǒng)中。例如在強(qiáng)激光、短波段光學(xué)系統(tǒng)中，為了減小散射損失，提高抗破壞閾值，所使用的光學(xué)平面鏡應(yīng)該具有很高的面形精度和非常低的表面粗糙度。這些苛刻的要求對(duì)光學(xué)加工提出了巨大的挑戰(zhàn)。

光學(xué)加工是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，單一的加工方法很難加工出同時(shí)滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求的光學(xué)元件。為了對(duì)某些光學(xué)元件進(jìn)行合理的加工，人們將不同加工技術(shù)結(jié)合在一起，提出了許多組合加工方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這些光學(xué)元件的有效加工［1-3］。高精度平面鏡的加工也是如此。

目前常用的光學(xué)拋光方法有:傳統(tǒng)古典拋光、計(jì)算機(jī)控制小磨頭拋光［4-5］、應(yīng)力盤拋光［6］、磁流變拋光［7］、離子束拋光［8-10］等。計(jì)算機(jī)控制小磨頭拋光、應(yīng)力盤拋光及磁流變拋光采用尺寸小于被加工工件的小磨頭進(jìn)行子口徑加工，加工效率相對(duì)較低，且容易產(chǎn)生中頻誤差，適合表面各帶區(qū)曲率不同的非球面的加工。傳統(tǒng)古典法采用尺寸與被加工工件相等、甚至更大的拋光盤進(jìn)行全口徑加工，加工效率較高，同時(shí)避免了中高頻誤差的產(chǎn)生，適合表面各點(diǎn)曲率一致的平面、球面加工。而離子束拋光是高精度確定性拋光，特別適合工件最后加工階段的面形修正。因此，將古典法拋光和離子束拋光相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)高精度光學(xué)平面鏡的有效加工。

目前高精度平面鏡較普遍的加工方法是環(huán)帶拋光技術(shù)［11-13］，該技術(shù)是由傳統(tǒng)的古典拋光法派生而來(lái)的。環(huán)帶拋光技術(shù)利用不停轉(zhuǎn)動(dòng)的直徑大于被加工平面鏡3倍以上的環(huán)形拋光盤對(duì)放置其上的平面鏡進(jìn)行連續(xù)拋光。環(huán)帶拋光技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是:可以同時(shí)加工多塊平面鏡;平面鏡以復(fù)合軌跡運(yùn)動(dòng)，具有均化拋光效果;平面鏡浮動(dòng)加工，不存在由于粘接或夾持而產(chǎn)生的鏡面變形;可以通過(guò)自由加壓提高加工效率，將被加工平面鏡快速加工到一定精度。環(huán)帶拋光技術(shù)的缺點(diǎn)是過(guò)分依賴加工者的經(jīng)驗(yàn)，拋光穩(wěn)定性較差。先進(jìn)的離子束拋光技術(shù)可以很好地克服環(huán)帶拋光技術(shù)的缺點(diǎn)，與環(huán)帶拋光技術(shù)形成互補(bǔ)，用來(lái)完成環(huán)帶拋光后平面鏡面形后續(xù)的最終精密修正。本文將環(huán)帶拋光技術(shù)和離子束拋光技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米級(jí)面形精度光學(xué)平面鏡進(jìn)行高效精密加工。

2 環(huán)帶拋光技術(shù)

環(huán)帶拋光機(jī)主要由環(huán)形拋光盤、圓形光學(xué)玻璃校正板以及平面元件加持器等幾部分組成，圖1(a)和(b)分別為環(huán)帶拋光機(jī)的實(shí)物照片和工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖1 環(huán)帶拋光機(jī)Fig.1 Continuous polishing machine

在拋光過(guò)程中，表面開有溝槽的環(huán)形瀝青拋光盤由電機(jī)驅(qū)動(dòng)以穩(wěn)定的速度連續(xù)不停的轉(zhuǎn)動(dòng)。平面鏡固定在夾持器內(nèi)，被加工表面朝下與環(huán)形拋光盤相接觸被均勻地拋光。平面鏡面形在被修正的同時(shí)也會(huì)造成拋光盤的磨損，從而會(huì)使拋光盤的面形變差。校正板在主動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用下以一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，其作用是始終修正拋光盤的面形。校正板直徑比工件直徑大得多，校正板對(duì)拋光盤面形的影響比工件對(duì)于拋光盤面形的影響要大，校正板的面形決定了工件的面形。因此，整個(gè)拋光過(guò)程中可以看作是平面精度通過(guò)拋光盤在校正板和平面鏡之間的傳遞。校正板與工件之間的面形關(guān)系可表示為［13］:

式中，N1和N2分別是校正板和平面鏡的光圈數(shù);D1和D2分別是校正板和平面鏡的直徑?？梢?jiàn)，光圈數(shù)與加工零件直徑平方成正比。光圈數(shù)越小，面形精度越高。所以使用大尺寸的環(huán)帶拋光機(jī)加工小口徑平面鏡，可以大大提高平面鏡的面形精度。然而，環(huán)帶拋光技術(shù)過(guò)分依賴加工者的經(jīng)驗(yàn)，加工到一定的面形精度后，還需通過(guò)離子束拋光來(lái)進(jìn)一步提高其面形精度。

3 離子束拋光

3.1 離子束拋光原理

離子束拋光是確定性的超精密加工技術(shù)，利用離子束轟擊工件表面發(fā)生的物理濺射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)工件表面材料去除。在真空條件下，離子源發(fā)射的離子束入射到工件表面，與工件表層原子碰撞進(jìn)行能量和動(dòng)量轉(zhuǎn)移，并在工件內(nèi)部引起級(jí)聯(lián)碰撞。在這一系列的碰撞過(guò)程中，工件表層的原子若獲得足夠的指向工件外部的動(dòng)量，即可擺脫工件材料的束縛，從工件表面飛濺出去，形成材料去除。

與傳統(tǒng)的拋光方法相比，離子束拋光雖然去除速率相對(duì)較低，但是拋光確定性好、材料去除過(guò)程穩(wěn)定、材料以原子量級(jí)被去除精度高。因此，離子束拋光特別適合光學(xué)元件最后拋光階段面形的精密修正。

3.2 離子束拋光實(shí)驗(yàn)和去除函數(shù)研究

為了實(shí)現(xiàn)確定性的離子束拋光，首先要獲得這種拋光方法精確和穩(wěn)定的去除函數(shù)。離子束拋光的去除函數(shù)是通過(guò)拋光實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得的。離子束拋光實(shí)驗(yàn)是在IBF-1500拋光設(shè)備上進(jìn)行的，其實(shí)物照片如圖2所示。

圖2 IBF-1500拋光設(shè)備實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 Photo of the IBF—1500 polishing machine

為了研究離子束拋光的去除函數(shù)并驗(yàn)證其穩(wěn)定性，在初始面形精度 RMS值為 0.01λ(λ=0.6328 μm)的Ф100 mm的熔石英平面實(shí)驗(yàn)件表面進(jìn)行10次去除函數(shù)拋光實(shí)驗(yàn)，每次拋光100 s，相鄰兩次拋光間隔時(shí)間為1 h，整個(gè)去除函數(shù)實(shí)驗(yàn)持續(xù)約8 h。拋光實(shí)驗(yàn)的工藝參數(shù)如下:氬氣流量:4 sccm;RF電路功率:50 W;離子束電壓、電流:1 000 V、1.5 mA;加速器電壓、電流:100 V、0.25 mA;中和電流:50 mA。去除函數(shù)拋光實(shí)驗(yàn)完成后，用ZYGO干涉儀對(duì)實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 去除函數(shù)檢測(cè)結(jié)果Fig.3 Test results of removal functions

通過(guò)對(duì)離子束拋光去除函數(shù)10次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可以得到如下結(jié)論:平均峰值去除率是3.643 nm/s，最大相對(duì)誤差為2.91%;平均體積去除率是0.009 3 mm3/min，最大相對(duì)誤差為2.86%;離子束的平均半寬度(FWHM)約為5.701 mm，最大相對(duì)誤差為0.96%。通過(guò)上述分析可知:去除函數(shù)不穩(wěn)定性小于3%。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為離子束拋光的實(shí)際應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

4 組合拋光實(shí)例

用傳統(tǒng)的環(huán)帶拋光技術(shù)和先進(jìn)的離子束拋光技術(shù)對(duì)口徑為150 mm的熔石英平面鏡進(jìn)行組合拋光，整個(gè)組合拋光過(guò)程如下。

4.1 環(huán)帶拋光技術(shù)預(yù)拋光平面鏡

為了去除研磨后平面鏡的粗糙表面和下表面破壞層，首先應(yīng)對(duì)平面鏡進(jìn)行預(yù)拋光，使平面鏡表面粗糙度達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求的同時(shí)，面形誤差也達(dá)到一定的精度。在1 m環(huán)帶拋光機(jī)上對(duì)平面鏡進(jìn)行5天的預(yù)拋光，拋光后分別采用ZYGO干涉儀和ZYGO NewView 7200表面粗糙度儀對(duì)平面鏡的面形和表面粗糙度進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果分別如圖4和圖5所示。從圖4可見(jiàn)，預(yù)拋光后平面鏡的面形精度為85.1 nm(RMS值)。圖5是測(cè)量尺度為1.41 mm×1.06 mm時(shí)測(cè)得的預(yù)拋光后平面鏡的表面粗糙度值，其表面粗糙度RMS值為0.527 nm，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

圖4 預(yù)環(huán)帶拋光后平面鏡的面形誤差Fig.4 Surface error of the flat mirror after pre-CP

圖5 預(yù)環(huán)帶拋光后平面鏡的表面粗糙度Fig.5 Surface roughness of the flat mirror after pre-CP

4.2 環(huán)帶拋光技術(shù)修正平面鏡面形

預(yù)拋光后的平面鏡表面粗糙度基本達(dá)到要求，面形精度還需進(jìn)一步提高，接下來(lái)采用環(huán)帶拋光技術(shù)對(duì)平面鏡的面形進(jìn)行修正。平面鏡的面形修正是在1 m環(huán)帶拋光機(jī)上進(jìn)行的，通過(guò)對(duì)1 m環(huán)帶拋光機(jī)進(jìn)行理論分析和大量的工藝試驗(yàn)研究［14］，得到適合Ф150 mm的平面鏡拋光工藝參數(shù)如下:拋光盤的轉(zhuǎn)速為3 rad/min，校正板的轉(zhuǎn)速為2.3 rad/min，平面鏡的轉(zhuǎn)速為3.5 rad/min，校正板的偏心率為370 mm，平面鏡的偏心率為380 mm。在整個(gè)拋光過(guò)程中，可以根據(jù)具體的拋光情況對(duì)各個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。經(jīng)過(guò)3.5 h的拋光，平面鏡的面形精度為11.023nm(RMS值)，其檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 環(huán)帶拋光后平面鏡的面形誤差Fig.6 Surface error of the flat mirror after CP

4.3 平面鏡的離子束拋光

采用確定性的離子束拋光技術(shù)進(jìn)行平面鏡最終的面形修正，拋光工藝參數(shù)與離子束去除函數(shù)實(shí)驗(yàn)的工藝參數(shù)相同，采用基于線性代數(shù)和正則化方法的駐留時(shí)間算法求解出駐留時(shí)間［15］。經(jīng)過(guò)1.5 h的離子束拋光，平面鏡的面形誤差從11.023 nm(RMS值)收斂到1.217 nm(RMS值)，如圖7所示。

圖7 離子束拋光后平面鏡的面形誤差Fig.7 Surface error of the flat mirror after IBF

采用ZYGO NewView 7200表面粗糙度儀對(duì)平面鏡的表面粗糙度進(jìn)行檢測(cè)，在1.41 mm×1.06 mm測(cè)量尺度上，其表面粗糙度達(dá)到0.506 nm(RMS值)，如圖8所示，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

圖8 平面鏡的表面粗糙度Fig.8 Surface roughness of the flat mirror

4.4 分析與討論

描述光學(xué)元件表面質(zhì)量的兩個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)是其面形誤差和表面粗糙度。在采用組合加工技術(shù)對(duì)平面鏡進(jìn)行加工過(guò)程中，平面鏡的表面粗糙度技術(shù)指標(biāo)是在環(huán)帶預(yù)拋光工序達(dá)到的。經(jīng)過(guò)時(shí)間較長(zhǎng)(5天)的環(huán)帶預(yù)拋光，平面鏡由研磨后的粗糙表面轉(zhuǎn)變到表面粗糙度RMS值為0.527 nm的光滑表面。后續(xù)的環(huán)帶拋光修正平面鏡面形的時(shí)間較短(3.5 h)，并且采用與預(yù)拋光相同的加工工藝，所以對(duì)平面鏡表面粗糙度的改變影響很小。而離子束拋光采用正入射加工，基本上不改變平面鏡的表面粗糙度值［16］。平面鏡表面粗糙度最終檢測(cè)結(jié)果為0.506nm(RMS值)，與環(huán)帶預(yù)拋光后的表面粗糙度值相近。在組合拋光過(guò)程中，平面鏡的面形精度是分3步達(dá)到的:環(huán)帶預(yù)拋光使平面鏡由研磨表面達(dá)到面形誤差為85.1 nm(RMS值)的平面;環(huán)帶拋光進(jìn)一步修正平面鏡的面形，使之精度提高到11.023 nm(RMS值);最終采用離子束拋光使平面鏡面形誤差收斂到1.217 nm(RMS值)。綜上所述，組合加工結(jié)果能夠很好地滿足平面鏡技術(shù)指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

本文提出了一種由傳統(tǒng)環(huán)帶拋光技術(shù)和先進(jìn)離子束拋光技術(shù)相結(jié)合而形成的組合加工技術(shù)。環(huán)帶拋光的作用是去除研磨后平面鏡的粗糙表面及下表面破壞層，使其表面粗糙度達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求，同時(shí)將平面鏡加工到一定的面形精度;離子束拋光用于平面鏡面形精度的最終修正。采用這種組合拋光技術(shù)對(duì)口徑為150 mm的熔石英平面鏡進(jìn)行拋光，經(jīng)檢驗(yàn)平面鏡的面形誤差和表面粗糙度分別達(dá)到1.217 nm RMS和0.506 nm RMS。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種組合拋光技術(shù)適用于納米級(jí)面形精度光學(xué)平面鏡的拋光。

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