大型光學表面納米精度制造*

彭小強，戴一帆，李圣怡

(1.國防科技大學 機電工程與自動化學院， 湖南 長沙　410073；

2.超精密加工技術(shù)湖南省重點實驗室， 湖南 長沙　410073)

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大型光學表面納米精度制造*

彭小強1,2，戴一帆1,2，李圣怡1,2

(1.國防科技大學 機電工程與自動化學院， 湖南 長沙410073；

2.超精密加工技術(shù)湖南省重點實驗室， 湖南 長沙410073)

摘要：納米精度光學表面在光刻技術(shù)、同步輻射、空間觀測和慣約聚變等領(lǐng)域有重大需求。隨著裝備性能需求的不斷提升，這些光學系統(tǒng)對光學零件面形精度和表面質(zhì)量的要求幾乎接近于物理極限，對光學制造技術(shù)提出了更高挑戰(zhàn)，使光學制造成為納米制造技術(shù)的發(fā)展前沿。通過攻克納米量級材料去除的穩(wěn)定性、復雜曲面可控補償和裝備運動軸性能設(shè)計等關(guān)鍵問題，掌握了以磁流變和離子束拋光技術(shù)為代表的可控柔體拋光技術(shù)，利用自主研發(fā)的拋光制造裝備和工藝實現(xiàn)了典型光學零件的納米精度制造，為國家相關(guān)科技項目的順利實施提供有力的制造技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：納米精度制造；光學制造；可控柔體拋光；磁流變拋光；離子束拋光

現(xiàn)代光學零件具有大口徑、(亞)納米精度、形狀復雜、表面低損傷等特點，在空間觀測、微電子制造、慣約聚變、同步輻射等重大光學工程中有著廣泛應(yīng)用，其制造水平直接影響國家的核心競爭力。光學零件高端加工技術(shù)和裝備也被美國等西方發(fā)達國家視為戰(zhàn)略資源，嚴格限制出口。因此，開展納米精度光學零件加工技術(shù)研究，對提升國家核心競爭力具有重要的戰(zhàn)略意義[1]。

光學表面納米精度加工被譽為超精密加工技術(shù)皇冠上的明珠，也是公認的世界性難題，主要表現(xiàn)為：納米精度要求穩(wěn)定實現(xiàn)亞納米量級的材料去除；復雜形狀引起材料去除率的變化，要求實現(xiàn)有效補償；全頻段誤差和加工缺陷影響光學性能，要求實現(xiàn)一致收斂和去除。由于長期以來光學加工采用基于經(jīng)驗的加工方法，具有很強的不確定性，難以解決現(xiàn)代光學零件加工的瓶頸[2]。

基于磁流變、離子束等拋光技術(shù)的光學零件可控柔體拋光技術(shù)，以提高光學加工的可控性為目標，采用可適應(yīng)面形變化的柔性介質(zhì)作為拋光工具，可以實現(xiàn)光學零件的高精度、高效率和低損傷加工，為納米精度光學表面制造提供技術(shù)支持[3]。

1光學制造面臨的挑戰(zhàn)

隨著科技發(fā)展，現(xiàn)代光學系統(tǒng)對光學制造技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。

1.1　光刻物鏡制造挑戰(zhàn)

光刻技術(shù)于20世紀90年代初期進入亞微米時代，1986年光刻分辨率是1μm，到1996年光刻分辨率達到0.35μm，2000年光刻分辨率已是0.18μm，目前光刻分辨率已達到45nm，并已經(jīng)延伸到32nm以下。相應(yīng)的光刻機的曝光波長已經(jīng)從436nm(g線)，365nm(i線)，248nm(KrF)減小到目前193nm(ArF)，下一代極紫外光刻(Extreme-Ultraviolet Lithography，EUVL)的曝光波長將會是13.5nm。為了提高光刻分辨率，除了曝光波長減小，光學系統(tǒng)數(shù)值孔徑NA也在相應(yīng)增加[4]。

從光學制造的角度看，曝光波長的減小和數(shù)值孔徑的增加都會極大地提高光學制造難度。當NA>0.6以后，NA每增加0.05，設(shè)計和加工的難度就會增加許多。波長為13.5nm的極紫外反射式投影光刻系統(tǒng)的光學設(shè)計要求應(yīng)滿足系統(tǒng)波面誤差≤λ/14 (RMS)，即1nm，分配到單個元件的精度要求將達到0.2nm，而且是高、中、低頻全頻段誤差都要達到這一水平[5-7]。

可以看出，光刻物鏡制造是一項復雜的工程，牽涉到光學設(shè)計、材料生長、檢測、鍍膜、裝調(diào)、加工等一系列環(huán)節(jié)。從加工角度看，為了實現(xiàn)如此高的加工精度，表面材料去除分辨率必須達到原子分子水平，其設(shè)計制造技術(shù)已經(jīng)進入納米制造范疇，達到自上而下加工原理的極限，對光學制造提出了超高精度光學零件制造挑戰(zhàn)。

1.2　空間光學制造挑戰(zhàn)

空間光學零件一般是指空、天環(huán)境下的機載和星載平面、球面和非球面光學零件，其在對地觀測、天文和深空探測、天基監(jiān)測預警等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。由于受運載、安裝和使用條件的限制，具有獨特的設(shè)計制造特點。

1)大口徑和大相對口徑。增大有效口徑是提高光學系統(tǒng)分辨能力的基本途徑，以空間相機為例，為了獲得對地觀測高分辨率，空間相機主鏡的大口徑一般為1～2m，超大口徑為2～4m以上[8]。增大相對口徑可以提高成像的銳度和照度，改善成像質(zhì)量，并縮短光學系統(tǒng)的軸向距離，使光學系統(tǒng)更加緊湊，如現(xiàn)代大型反射式望遠鏡主鏡的相對口徑一般為1 ∶1.5～1 ∶1，大于馬克蘇托夫定義的傳統(tǒng)加工方法相對口徑為1 ∶2的理論極限[1]。

2)輕量化。對于大口徑空間光學零件，為了減輕發(fā)射負載，必須在保持鏡面足夠的剛度和穩(wěn)定性情況下進行鏡面輕量化。目前，空間望遠鏡主鏡的面密度，從哈勃望遠鏡時代180kg/m2減小到20kg/m2左右，滿足下一代空間望遠鏡的發(fā)射要求[9]。為了滿足此要求，SiC等空間光學功能結(jié)構(gòu)材料在空間光學零件中大量應(yīng)用，這些材料硬度高、脆性大，其加工往往是一個材料制備與加工工藝相互穿插、相互迭代的過程，其可制造性也是亟待解決的基礎(chǔ)性難題。

3)復雜面形和納米精度。非球面光學零件由于具有設(shè)計自由度高、成像質(zhì)量好等優(yōu)點，已經(jīng)在空間光學系統(tǒng)中被廣泛采用；基于離軸非球面的大視場角三反消像差光學系統(tǒng)、折疊拼接式特大光學望遠鏡在空間光學系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越多；自適應(yīng)主動調(diào)整鏡以及失重時自補償鏡具有特殊非對稱，甚至自由曲面特征。在光學面形精度方面，為了滿足光學系統(tǒng)衍射極限的成像要求，其反射鏡的制造精度并沒有因為口徑的增加而降低，如對于2m口徑的大鏡，其面形精度同樣需要優(yōu)于λ/50 RMS(約12.6nm)，尺度精度比(2m/12.6nm)將大于108。

4)高效率加工需求?，F(xiàn)代空間光學技術(shù)的發(fā)展對空間光學零件提出了巨大需求，美國發(fā)射的單孔徑遠紅外太空觀測器，其對光學制造能力的要求比哈勃太空望遠鏡高24倍[10]。加工效率已經(jīng)成為空間光學零件應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，必須尋找新的技術(shù)路線，并使加工過程實現(xiàn)自動化。

以上空間光學特征代表大口徑光學零件制造挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)工藝已經(jīng)不可能加工出這種鏡面，制造技術(shù)和裝備必須在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新。

1.3　強光光學制造挑戰(zhàn)

強光光學零件主要是指應(yīng)用于高功率或高能量激光裝置等強光光學系統(tǒng)中的光學零件。最典型的強光光學系統(tǒng)是國家點火裝置(National Ignition Facility，NIF)，法國的兆焦耳激光裝置(Laser Megajoule，LMJ)等慣性約束聚變系統(tǒng)[11]。

此類光學系統(tǒng)所需的光學零件數(shù)量大、種類多，表面/亞表面質(zhì)量要求高。以NIF為例，其主激光系統(tǒng)包括192束獨立的激光驅(qū)動器，整個光學裝置將使用7360片口徑超過400mm×400mm的大口徑光學零件，此外，前端激光系統(tǒng)還需要5000～10 000件小口徑光學元件。其材料包括BK7玻璃、熔石英玻璃、釹玻璃和KDP晶體等多種類[1,12]。

不同于其他成像光學系統(tǒng)，在高功率激光系統(tǒng)中，對光學零件除了有幾何精度要求，由于高功率激光輻照產(chǎn)生的光學元件損傷失效，使得抗激光損傷指標成為首要目標，對光學制造技術(shù)也提出了新挑戰(zhàn)。NIF需要高功率激光束輸出1.8MJ總能量和500TW總功率，來實現(xiàn)聚變，因此光學元件在使用中要經(jīng)受高功率激光的輻照，但是由于光學元件加工缺陷誘導激光損傷問題，單束激光束無法達到所需功率密度，系統(tǒng)無法實現(xiàn)正常通量激光能量，使NIF系統(tǒng)一直未能實現(xiàn)理想聚變狀態(tài)。2010年美國政府對NIF建設(shè)情況經(jīng)過獨立調(diào)查，認為光學元件加工缺陷誘導的激光損傷問題是NIF實現(xiàn)聚變點火面臨的三大主要科學技術(shù)瓶頸之一[13]。

因此，強光光學零件提出了低損傷加工挑戰(zhàn)，必須創(chuàng)新加工工藝，形成自主光學元件加工新工藝，提升其激光損傷閾值。

1.4　光學制造技術(shù)發(fā)展過程

隨著光學制造挑戰(zhàn)的提出，光學制造技術(shù)也必須發(fā)展以迎接該挑戰(zhàn)，滿足光學技術(shù)發(fā)展的需求。

長期以來光學制造采用的是傳統(tǒng)光學加工技術(shù)，其主要依靠手工或簡單機械進行平面與球面加工。加工非球面時，從最接近于該非球面的球面出發(fā)，利用刻畫出不同形狀的研拋膜，依靠人工經(jīng)驗，逐步修整逼近成非球面。傳統(tǒng)加工方法很難建立材料去除數(shù)學模型，是一種非確定性研拋技術(shù)，無論效率還是精度都受到很大限制。

隨著數(shù)控技術(shù)的成熟，20世紀70年代發(fā)展起來了計算機控制光學表面成形(Computer Controlled Optical Surfacing，CCOS)技術(shù)或稱數(shù)控小工具拋光技術(shù)，并逐漸取代了傳統(tǒng)拋光技術(shù)，成為非球面加工的主要技術(shù)。該技術(shù)基于Preston方程，采用小磨頭拋光，通過控制駐留時間來控制面形精度，是一種確定性光學制造方法。使傳統(tǒng)的非確定性研拋技術(shù)進入了確定性數(shù)控研拋技術(shù)時代。然而，數(shù)控小工具拋光技術(shù)采用剛性研拋盤，并在研磨盤上貼有聚氨脂、瀝青、拋光布等各類研拋膜進行研拋加工。在加工非球面時還會有一些局限性：首先，剛性研拋盤無法適應(yīng)非球面零件表面曲率變化，因此須采用比光學元件口徑小得多的研拋盤，曲率不匹配也加劇了研拋模磨損，影響去除函數(shù)的長期穩(wěn)定性，限制加工精度與加工效率的提升；其次，數(shù)控小工具拋光的材料去除原理為壓力模式下材料斷裂去除，因此，拋光盤會在光學零件表面施加較大的正壓力，易在光學零件表面產(chǎn)生加工損傷，在加工輕量化鏡面時，還會引起鏡面的鬼影誤差，如圖1所示。

圖1　鏡面加工的鬼影誤差Fig.1　Ghost error of mirror

為了突破這些技術(shù)局限，20世紀末期，以磁流變拋光、離子束拋光、應(yīng)力盤拋光和氣囊進動拋光技術(shù)為代表的修形拋光技術(shù)發(fā)展成熟，逐漸成為光學制造主流技術(shù)。與使用剛性研拋工具的研拋技術(shù)比較，這些研拋工具的“柔度”可以通過計算機的控制而改變，采用新的材料去除機理，從而強化了非球面曲率變化的適應(yīng)能力并達到保持去除函數(shù)的長期穩(wěn)定性的目標，甚至可以方便地改變工具的“柔度”以適應(yīng)不同需求的研拋過程。這類研拋技術(shù)稱為可控柔體(Controllable Compliant Tools，CCT)光學制造技術(shù)[3]?；诳煽厝狍w光學制造技術(shù)，解決其中的納米尺度材料去除、補償加工技術(shù)和低損傷加工技術(shù)等關(guān)鍵問題，就可以滿足現(xiàn)代光學系統(tǒng)對光學制造技術(shù)提出的新需求，解決光刻物鏡、空間光學和強光光學制造難題。

2光學表面納米精度制造關(guān)鍵技術(shù)

2.1　納米量級材料去除的穩(wěn)定可控技術(shù)

對于大口徑光學零件，加工時應(yīng)用具有原子分子可控去除的方法才能實現(xiàn)納米甚至亞納米的精度。然而，采用原子力顯微鏡單原子搬遷等加工方法在大口徑光學元件實現(xiàn)納米精度制造顯然在效率上將是無法滿足的[4]。從制造的角度看，材料去除方法既要有原子分子量級的可控分辨率，以實現(xiàn)高的加工精度，又要有高的去除效率，才能實現(xiàn)制造目標。因此，磁流變和離子束拋光過程中，實現(xiàn)穩(wěn)定的納米/亞納米材料可控去除，是實現(xiàn)納米精度制造的前提。

磁流變拋光是應(yīng)用磁流變拋光液對工件表面的剪切作用產(chǎn)生材料去除，一般基于Bingham流體動壓模型，進行拋光區(qū)壓力場、剪切應(yīng)力場和速度場分析，進而建立磁流變拋光材料去除模型，在理論上建立磁流變拋光參數(shù)與材料去除效率的關(guān)聯(lián)[14]。

為了掌握離子束加工的材料去除機理，一般以Sigmund濺射理論為基礎(chǔ)，研究濺射過程的能量耗散行為，建立典型光學材料原子克服綁定能而實現(xiàn)遷移的數(shù)學模型[15]，如式(1)所示。

(1)

其中：r= (X,Y,Z)表示能量沉積點在以離子能量沉積平均深度點P為原點的局部坐標系中的坐標，該坐標系的Z軸平行于離子入射軌跡；ε為入射離子在固體中沉積的總能量；σ和μ分別為沉積能量在平行于入射方向和垂直于入射方向上的高斯分布參數(shù)。

通過以上模型，可以求解出離子束垂直入射時的濺射產(chǎn)額，從而建立離子束材料去除數(shù)學模型。

以此為基礎(chǔ)，考慮典型光學材料和相關(guān)工藝參數(shù)對加工過程的影響，應(yīng)用加工設(shè)備和波面干涉儀、白光干涉儀、掃描電鏡等檢測設(shè)備，觀測分析實際材料去除結(jié)果并驗證理論模型，分析影響可控特征尺度的關(guān)鍵工藝因素，建立精確參數(shù)控制系統(tǒng)，研究影響去除特性的相關(guān)參數(shù)的控制特性，最終實現(xiàn)具有納米/亞納米量級分辨率的材料遷移可控加工。

2.2　復雜曲面可控補償修形技術(shù)

光學表面計算機控制修形原理指出材料去除量E(x,y)為拋光工具的去除函數(shù)R(x,y)與駐留時間T(x,y)的二維卷積如式(2)所示。

E(x,y)=R(x,y)*T(x,y)

(2)

在實際應(yīng)用過程中，去除函數(shù)應(yīng)具有時空不變性，去除量函數(shù)只有能夠真實反映面形誤差，才能準確求解加工駐留時間。但是，光學零件在從平面制造向曲面制造延伸的過程中，由于表面幾何形狀和加工處理工藝的約束，曲面面形函數(shù)和拋光過程中的去除函數(shù)在二維卷積方程中將會產(chǎn)生相應(yīng)的非線性變化，將難以滿足納米/亞納米面形精度制造的要求，需要在加工算法中補償解決。

一般來說，造成去除函數(shù)非線性變化的原因主要有去除函數(shù)R(x,y,z)在卷積中的表示R(x,y)存在投影畸變、邊緣效應(yīng)等。因此，需要研究磁流變、離子束拋光中曲面參數(shù)對去除函數(shù)的影響規(guī)律，已建立去除函數(shù)動態(tài)去除模型。

在離子束加工中，根據(jù)其束流密度空間分布模型，可以分析得到靶距、入射角和加工曲面參數(shù)的非線性效應(yīng)，如圖2[16]所示。

圖2　去除函數(shù)隨靶距、入射角的變化曲線Fig.2　Curve of removal function changed along with range and incidence angle

對于磁流變拋光，由于磁流變液的截流狀態(tài)與在工件內(nèi)部時明顯不同，產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，可通過實驗方法建立理想去除函數(shù)和實際去除函數(shù)的變化規(guī)律，如圖3所示[17]。

圖3　去除函數(shù)邊緣效應(yīng)誤差Fig.3　Edge effect error of removal function

基于以上非線性規(guī)律分析，可以建立可控柔體拋光中不同參數(shù)和工件幾何形狀下的去除函數(shù)理論模型，由此生成動態(tài)去除函數(shù)的數(shù)據(jù)庫，替代式(2)中的恒定去除函數(shù)，構(gòu)造能夠真實反映加工過程的材料去除量模型，提升駐留時間的計算精度，實現(xiàn)復雜曲面可控補償修形。

2.3　可控柔體光學制造裝備運動軸性能設(shè)計

傳統(tǒng)機械加工機床主要通過誤差復映原理而影響機械零件加工精度的。由于可控柔體光學制造的光學表面修形中，光學表面的精度不是由誤差復映原理決定的，因此，其裝備設(shè)計原則與傳統(tǒng)機械加工機床不完全一樣。

如對于磁流變拋光裝備綜合幾何精度性能影響規(guī)律，拋光點的切向定位誤差將影響誤差高點定位程度，法向定位誤差將影響去除函數(shù)穩(wěn)定性，從而影響光學表面修形精度[18]。切向誤差對加工精度的影響，如式(3)[15]所示。

e(x,y)=grad(r)·ΔT

(3)

即切向定位偏差引入的加工殘差e(x,y)等于面形梯度矢量ΔT與切向定位偏差矢量grad(r)的內(nèi)積。

拋光點的法向定位誤差將影響磁流變拋光液的壓入深度，從而影響磁流變拋光去除函數(shù)穩(wěn)定性，其對去除函數(shù)穩(wěn)定性的影響規(guī)律可以通過去除函數(shù)模型或?qū)嶒灚@得[7]。

磁流變拋光裝備綜合動態(tài)性能通過影響駐留時間的實現(xiàn)精度而影響光學表面修形精度。光學計算機控制修形是通過控制拋光輪過駐留點的速度實現(xiàn)駐留時間控制從而實現(xiàn)修形的，如圖4所示。在相鄰兩個駐留點之間的速度變化需要拋光裝備通過加減速有效實現(xiàn)，如果拋光裝備綜合動態(tài)性能無法使拋光裝備在駐留點距離內(nèi)加減速至目標速度，即拋光輪在相鄰駐留點之間不能完成理論加減速過程，就會產(chǎn)生駐留時間實現(xiàn)誤差，從而影響光學修形精度。通過基于運動系統(tǒng)動態(tài)性能的駐留時間求解，可以計算拋光裝備綜合動態(tài)性能對光學修形精度的影響規(guī)律[14]。

圖4　駐留點之間的加減速過程示意圖Fig.4　Process of acceleration and deceleration between reside points

分析拋光裝備綜合幾何精度、動態(tài)性能對光學修行影響規(guī)律，通過多體系統(tǒng)的運動學理論，分析該裝備零級運動、一級運動和二級運動方程，從而獲得拋光裝備各運動軸幾何精度和速度、加速度等動態(tài)性能指標，完成拋光裝備運動軸性能設(shè)計。

通過解決以上關(guān)鍵技術(shù)問題，實驗室研制出系列磁流變、離子束拋光裝備，如圖5所示，并基于該裝備，研究了超高精度光學零件、空間光學零件和強光光學零件加工工藝，加工出了各類滿足使用要求的光學零件。

圖5　自研的磁流變和離子束拋光裝備Fig.5　MRF and IBF equipments

3光學表面納米精度制造面臨的主要問題

通過可控柔體光學制造技術(shù)發(fā)展， 光學制造技術(shù)進入確定可控加工新時代，我國當前在這些方面也有了長足的進步，但依然存在光學制造技術(shù)發(fā)展的技術(shù)瓶頸，主要有以下幾個方面。

3.1　光學制造加工效率瓶頸

目前，光學零件材料主要采用玻璃、陶瓷等硬脆材料，加工工藝主要采用磨削、研磨和拋光等基本方法，加工流程長，中間還要穿插面形檢測、輔助裝夾等工藝。因此，雖然采用了數(shù)控化加工技術(shù)，光學制造效率仍亟待提高?？梢酝ㄟ^以下方法提高光學制造效率：

1)提升光學制造智能化水平，減少裝夾對刀等輔助時間。比如磁流變拋光光學零件前，需要花大量時間對光學零件進行打表定位，以確定光學零件在磁流變拋光機床坐標系中的位置，但是采用基于五方向測頭的自動對刀系統(tǒng)，如圖6所示，就能實現(xiàn)光學零件智能化自動定位，大大節(jié)省輔助裝夾時間，提升效率。

圖6　拋光自動定位系統(tǒng)Fig.6　Polishing automatic positioning system

2)研發(fā)高效率高精度加工新工藝。如美國Optimax Systems公司研發(fā)的基于超聲振動VIBETM拋光工藝[19]，可以大大提升光學零件預拋效率；等離子拋光技術(shù)[20]可以對磨削后光學表面實現(xiàn)磨削層低損傷去除，同樣可以提升加工效率；光學零件的超精密切削加工，如圖7所示，由于加工工序少，成形快，加工效率優(yōu)于磨、研和拋工藝方法，目前在紅外光學零件加工中開始應(yīng)用，如能解決材料適用性、加工精度等問題，將能獲得更廣泛應(yīng)用，提升光學零件制造效率。

圖7　光學零件切削加工Fig.7　Optical parts machining

3.2　復雜曲面面形檢測技術(shù)瓶頸

超精密面形檢測在光學制造中作為一種有效的反饋與評價手段，是保證光學零件制造質(zhì)量的基礎(chǔ)。但是隨著光學技術(shù)的發(fā)展，光學系統(tǒng)對大型光學零件質(zhì)量要求的不斷提升，光學零件面形越來越復雜，評價質(zhì)量標準的內(nèi)涵也不斷豐富，全口徑、全波段面形誤差的檢測成為復雜面形光學零件制造的主要瓶頸。例如對于自由曲面面形檢測，仍未見完善的超精密面形檢測系統(tǒng)方法，光學波面干涉檢測方法受到補償能力和視場范圍的限制，不適于大斜率梯度面形的測量；接觸式2D輪廓儀測量會損傷測量面，且測量速度較慢，無法快速獲取三維面形數(shù)據(jù)。

目前，國內(nèi)外學者也發(fā)展了新型測量技術(shù)以應(yīng)對該挑戰(zhàn)。計算全息法(Computer-Generated Holograms，CGH)是近年來發(fā)展起來的高精度的復雜曲面面形檢測方法，其利用CGH生成理想的非球面波前和實際的非球面檢測波前相干涉來實現(xiàn)非球面面形的高精度檢測，但是CGH補償器制作是CGH推廣應(yīng)用的主要瓶頸。3D超精密輪廓儀可以有效解決中小口徑復雜曲面面形檢測難題，該技術(shù)采用超精密運動平臺對曲面進行掃描重構(gòu)，獲得三維面形輪廓數(shù)據(jù)。比較成熟的有荷蘭IBS公司ISARA 400系統(tǒng)[21]、荷蘭埃因霍恩理工大學的NANOMEFOS系統(tǒng)[22]、英國Taylor Hobson公司的LUPHOScan系統(tǒng)，這些測量系統(tǒng)測量口徑為400mm～500mm，測量精度可優(yōu)于100nm，但是這些系統(tǒng)價格昂貴，國內(nèi)還未見開發(fā)類似系統(tǒng)的報道。

3.3　光學表面無損制造瓶頸

光學加工目前主要使用的是材料去除法，包括磨削、研磨、拋光或切削等基本方法。這些加工方法不但會在光學表面帶來機械破碎缺陷、殘余應(yīng)力等表面完整性問題，還會帶來污染雜質(zhì)等加工缺陷[23]。由于這些加工缺陷的存在，光學元件在受到高能激光輻照時，由于激光作用使元件局部或整體的幾何結(jié)構(gòu)、元件材料的物理化學性質(zhì)發(fā)生了根本性、不可恢復的變化，從而降低元件透過率和光束質(zhì)量，產(chǎn)生波前畸變，影響焦斑質(zhì)量，調(diào)制光強分布而產(chǎn)生光場強區(qū)，并使得下游元件產(chǎn)生新的損傷[24]。更為嚴重的是，該激光損傷是一個“自加速”的過程，初始損傷一旦產(chǎn)生，損傷尺寸會隨著后續(xù)激光發(fā)射次數(shù)呈指數(shù)增長，從而將大大降低光學元件的激光能量負載能力，成為限制系統(tǒng)激光能量輸出能力的主要因素[25]。因此，光學制造特別是針對高抗激光損傷的光學元件制造，除了要滿足幾何精度目標，還需滿足加工缺陷控制目標。光學加工過程中有何種加工缺陷產(chǎn)生？加工缺陷誘導激光損傷的規(guī)律是什么？加工缺陷如何檢測與表征？如何優(yōu)化或創(chuàng)新加工工藝實現(xiàn)加工缺陷抑制？這些都是光學表面無損制造亟待解決的問題。

4結(jié)論

現(xiàn)代光學系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用對光學零件制造提出了更高的要求，如(亞)納米精度、大尺度精度比、低損傷表面和復雜曲面制造等，這些要求對光學制造提出了更多的挑戰(zhàn)。以磁流變、離子束拋光技術(shù)為代表的光學零件可控柔體制造技術(shù)是解決這些光學制造難題的有效制造方法。未來光學制造技術(shù)需要繼續(xù)解決提高制造效率、復雜曲面檢測和無損表面加工等光學制造目前面臨的主要技術(shù)難題，以滿足光學系統(tǒng)對光學制造提出的進一步需求，支撐光學技術(shù)的發(fā)展。

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http://journal.nudt.edu.cn

Nanometer precision fabrication for large scale optical surfaces

PENGXiaoqiang1,2,DAIYifan1,2,LIShengyi1,2

(1. College of Mechatronics Engineering and Automation, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China;

2. Hunan Key Laboratory of Ultra-precision Machining Technology, Changsha 410073, China)

Abstract：Nano-precision optical surfaces are highly demanded in fields of lithography, synchrotron radiation, space observation and inertial confinement fusion. With the performance rising of equipment, the surface accuracy and roughness of optical elements are further strictly required, which is approaching the theoretical physical limitation. The rising demands bring about tougher challenges for optical fabrication, and push the technology to the frontier in the nano-precision fabrication area as well. Magnetorheological polishing and ion beam were figured in this research: the stability of material removal rate in nano-level, controllable compensation of complex asphere and dynamics design of equipment axes. The self-developed innovation polishing equipment was produced and the nano-precision fabrication of typical optical elements was realized, which provides strong support for relative science programs of our country, in terms of fabrication technology.

Key words：nanometer precision fabrication; optical fabrication; controllable compliant tools polishing; magnetorheological finishing; ion beam figuring

中圖分類號：TH161

文獻標志碼：A

文章編號：1001-2486(2015)06-001-07

作者簡介：彭小強(1977—)，男，江西寧都人，研究員，博士，E-mail：pxq2000@vip.sina.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51275521)；新世紀優(yōu)秀人才資助計劃項目(NCET-12-0144)

收稿日期：*2015-06-01

doi:10.11887/j.cn.201506001