應(yīng)用離子束修正高精度CGH基底

馬占龍，彭利榮，王高文，谷勇強(qiáng)

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 超精密光學(xué)工程研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130033)

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應(yīng)用離子束修正高精度CGH基底

馬占龍*，彭利榮，王高文，谷勇強(qiáng)

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 超精密光學(xué)工程研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130033)

計(jì)算全息圖(CGH)作為零位補(bǔ)償器廣泛應(yīng)用于高精度非球面的檢測(cè)中，但CGH的基底誤差直接限制了非球面的檢測(cè)精度。為了獲得超高精度的CGH基底，提出了應(yīng)用離子束修正CGH基底的加工工藝。采用不同束徑的離子束去除函數(shù)對(duì)一邊長(zhǎng)152 mm(有效口徑140 mm圓形區(qū)域)、厚6.35 mm的正方形熔石英CGH基底分別進(jìn)行了精拋、精修和透射波前修正實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過總計(jì)7輪的迭代修正，最終獲得了透射波前為PV值20.779 nm、RMS值0.685 nm的超高精度CGH基底。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：應(yīng)用離子束修正高精度CGH基底的加工工藝具有較大優(yōu)勢(shì)，不僅具有較高的加工效率而且可以獲得超高的加工精度。

光學(xué)制造；離子束；計(jì)算全息圖；透射波前

1　引　言

在光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用非球面元件可以減少光學(xué)元件的使用數(shù)量，降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度，有效提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量，特別是以投影光刻物鏡等為代表的高精密光學(xué)系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)大數(shù)值孔徑、高像質(zhì)、高分辨率和低畸變等性能指標(biāo)，需要大量使用非球面元件。雖然非球面具有優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)，但是由于非球面元件固有的復(fù)雜性決定了其加工和檢測(cè)難度遠(yuǎn)高于平面和球面元件[1-2]。

高精度非球面的檢測(cè)是加工和應(yīng)用非球面的重要基礎(chǔ)，沒有與加工精度相匹配的檢測(cè)精度將難以保證非球面的加工精度。高精度非球面通常采用零位補(bǔ)償法進(jìn)行檢測(cè)，一般采用補(bǔ)償鏡或計(jì)算全息圖(CGH)作為補(bǔ)償器，使干涉儀發(fā)出的球面波轉(zhuǎn)化為與被測(cè)非球面相匹配的非球面波，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)非球面的零位檢測(cè)。高精度補(bǔ)償鏡一般由2片或3片透鏡組成，其加工和裝調(diào)都極為困難，而且為了避免出現(xiàn)問題，往往需要與其他方法互檢，成本也極高；而高精度的CGH一般采用激光直寫或電子束刻蝕的方法制備，基底選取面形和折射率均勻性較好的平板玻璃，雖然此方法的加工成本較高，但其具有設(shè)計(jì)殘差小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無裝調(diào)誤差、制作周期短、精度高和設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，使其在高精度非球面檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[3-9]。用CGH作為補(bǔ)償器對(duì)高精度非球面進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，CGH的制作精度直接影響著非球面的檢測(cè)精度，其中CGH基底誤差是CGH制作的重要誤差來源。作為典型的超薄大徑厚比光學(xué)元件，想要獲得高精度的CGH基底難度較大，當(dāng)采用計(jì)算機(jī)控制小磨頭拋光[10]和氣囊拋光[11]等接觸式確定性拋光技術(shù)進(jìn)行加工時(shí)，CGH基底會(huì)由于磨頭壓力產(chǎn)生變形導(dǎo)致面形收斂緩慢，而離子束修形(Ion Beam Figuring，IBF)[12-15]作為一種非接觸式確定性光學(xué)加工方法，不僅不會(huì)對(duì)元件表面施加作用力，而且還具有加工精度高、去除函數(shù)穩(wěn)定、面形收斂速度快、無邊緣效應(yīng)和亞表面損傷等特點(diǎn)，非常適用于高精度CGH基底的加工。因此，本文提出了應(yīng)用離子束修正高精度CGH基底加工工藝，并進(jìn)行了高精度CGH基底加工實(shí)驗(yàn)。

2　CGH基底誤差

對(duì)于高精度CGH基底的加工而言，需要控制的誤差主要包括基底面形誤差、基底厚度誤差和基底的楔角[8]。

基底面形誤差是低空間頻率誤差，會(huì)造成衍射波前低頻波像差，其對(duì)透射波前的影響如圖1所示[1,4,9]，假設(shè)CGH基底面形誤差峰谷值為δ，則由此導(dǎo)致的經(jīng)過CGH透射的波前相位誤差為δ(n-1)，其中n為CGH基底的折射率。所以，其對(duì)檢測(cè)精度的影響很大，必須在加工過程中予以控制。

圖1　CGH基底面形誤差對(duì)透射波前的影響 Fig.1　Wavefront deviation due to substrate surface error for transmissive type hologram

基底厚度誤差主要影響輔助調(diào)整光路。但在實(shí)際調(diào)節(jié)過程中，可以通過調(diào)節(jié)CGH的Z向位置將輔助調(diào)整光路的波面誤差調(diào)整到無明顯Power(Defocus)形狀，所以基底厚度誤差可以忽略不計(jì)[8]。

基底的楔角(如圖2所示)主要影響CGH的調(diào)節(jié)精度和衍射波前的精度。文獻(xiàn)[8]通過在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中仿真認(rèn)為，當(dāng)CGH基底的楔角β為0.5″時(shí)，其對(duì)輔助調(diào)整光路造成的影響不足以引起對(duì)輔助調(diào)整光路進(jìn)行調(diào)節(jié)；同時(shí)在零位檢測(cè)光路中，其引入的波面誤差主要為傾斜和彗差，考慮到傾斜和彗差是非球面的調(diào)節(jié)誤差，予以剔除后，波面誤差幾乎為零。所以，在加工基底時(shí)，一般保證基底楔角β<0.5″即可。

圖2　CGH基底的楔角 Fig.2　Wedge angle of CGH substrate

3　高精度CGH基底離子束修正實(shí)驗(yàn)

3.1高精度CGH基底加工策略

通過第2部分的分析可知，在加工滿足透射波前要求的高精度CGH基底時(shí)，應(yīng)首先將兩個(gè)透射面的面形控制在幾個(gè)納米，基底楔角控制在0.5″以內(nèi)，隨后進(jìn)行透射波前的檢測(cè)和加工，直到滿足使用精度要求為止。

高精度CGH基底的加工步驟包括銑磨、預(yù)拋、精拋、精修和透射波前修正。銑磨階段采用誤差補(bǔ)償?shù)姆椒梢垣@得1 μm的面形結(jié)果。預(yù)拋階段快速去除銑磨階段產(chǎn)生的亞表面損傷層、修正元件的楔角、面形和中頻誤差，得到的面形RMS值(含楔角)一般在100 nm以上。后續(xù)的精拋、精修和透射波前修正階段均采用離子束加工技術(shù)進(jìn)行，由于預(yù)拋光階段得到的面形結(jié)果比較

差，而離子束的修正能力取決于去除函數(shù)束徑d的大小[13-14]，因此，為了兼顧加工效率和精度，各階段采用不同束徑的離子束去除函數(shù)進(jìn)行加工，小束徑離子束去除函數(shù)采用在離子源接近工件的位置增加小孔徑光闌來獲取。

3.2實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)用CGH基底為一經(jīng)過銑磨和預(yù)拋光的邊長(zhǎng)152 mm(有效口徑140 mm圓形區(qū)域)、厚6.35 mm的正方形熔石英平面鏡，修正實(shí)驗(yàn)在購(gòu)置的離子束加工機(jī)床上進(jìn)行，該機(jī)床具有X、Y、Z、A、B五軸聯(lián)動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，加工過程中可以使得工件上的任意加工點(diǎn)處與離子源之間的相對(duì)位姿保持相同，進(jìn)而保證在任意加工點(diǎn)處離子束的入射參數(shù)相同，盡可能使離子束產(chǎn)生的去除函數(shù)在各點(diǎn)一致，適用于口徑300 mm以內(nèi)的平面、球面以及非球面鏡的超高精度面形修正。選取的主要工藝參數(shù)為：柵網(wǎng)直徑30 mm、屏柵電壓800 V、屏柵電流25 mA、加速柵電壓100 V、中和電流80 mA。面形精拋階段的光闌尺寸和靶距分別為無光闌和135 mm靶距，面形精修階段的光闌尺寸和靶距分別為10 mm光闌和25 mm靶距，透射波前修正階段的光闌尺寸和靶距分別為5 mm光闌和20 mm靶距，獲得的去除函數(shù)形狀如圖3所示，均為較理想的高斯型分布。表1給出了各去除函數(shù)的主要參數(shù)，可以看出隨著光闌直徑的減小，除去除函數(shù)峰值去除率變化不大外，體積去除率、束徑和半高寬均變化非常明顯，面形修正能力將會(huì)明顯提升。

圖3　離子束去除函數(shù) Fig.3　Removal functions of ion beam

Diameterofiondiaphragm/mmMaterialpeakremovalrate/(μm·min-1)Materialvolumeremovalrate/(10-3mm3·min-1)Diameterofionbeam/mmFullwidthathalfmaximumFHWM/mm—0.27370.138.315100.24616.219.97.8250.2274.310.64.17

面形檢測(cè)在MST激光干涉儀上進(jìn)行，通過波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)可以同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)平面的測(cè)量，測(cè)得CGH基底的初始面形如圖4所示，上表面PV值為775.669 nm，RMS值為169.517 nm；下表面PV值為739.583 nm，RMS值為125.461 nm(含傾斜)。

圖4　CGH基底初始面形 Fig.4　Initial surface figures of CGH substrate

3.3實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過程如圖5所示，將CGH基底通過壓板放入工裝的方框中，工裝整體倒掛于離子束機(jī)床主真空室的3個(gè)掛鉤上，采用離子束向上濺射的方式進(jìn)行加工。首先采用無光闌離子源進(jìn)行精拋，待加工結(jié)果進(jìn)入30 nm RMS左右時(shí)(此時(shí)如果繼續(xù)使用無光闌離子源進(jìn)行加工，收斂效率很低)，更換10 mm光闌離子源進(jìn)行精修，待加工結(jié)果達(dá)到CGH基底對(duì)面形的精度要求時(shí)，更換5 mm光闌離子源修正透射波前。

圖5　高精度CGH基底離子束加工實(shí)驗(yàn)過程 Fig.5　Experiment process of CGH substrate by ion beam

經(jīng)2輪離子束精拋后，加工結(jié)果如圖6所示，面形收斂為上表面PV值為83.547 nm，RMS值為16.367 nm；下表面PV值為145.416 nm，RMS值為28.770 nm。此時(shí)，離子源增加10 mm光闌進(jìn)行精修，經(jīng)3輪離子束精修后，加工結(jié)果如圖7所示，面形收斂為上表面PV值為31.837 nm，RMS值為3.829 nm；下表面PV值為35.188 m，RMS值為3.924 nm；此時(shí)的透射波前檢測(cè)結(jié)果如圖8(a)所示，PV值為49.602 nm，RMS值為5.707 nm。最后更換5 mm光闌進(jìn)行透射波前修正，經(jīng)2輪修正后結(jié)果如圖8(b)所示，最終獲得透射波前為PV值20.779 nm、RMS值0.685 nm的超高精度CGH基底。想要進(jìn)一步提升加工精度，需要更換更小尺寸的離子源光闌，同時(shí)提高光學(xué)元件檢測(cè)的重復(fù)性、檢測(cè)和加工裝夾的定位精度等條件。

圖6　精拋結(jié)果 Fig.6　Results of precision polishing

圖7　精修結(jié)果 Fig.7　Results of precision figuring

圖8　透射波前誤差 Fig.8　Transmitted wavefront error

4　結(jié)　論

本文提出了應(yīng)用離子束修正高精度CGH基底的加工工藝，并以一邊長(zhǎng)152 mm(有效口徑140 mm圓形區(qū)域)、厚6.35 mm的正方形熔石英平面鏡為例進(jìn)行了高精度CGH基底的加工實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過總計(jì)7輪的離子束修正(包括2輪精拋、3輪精修和2輪透射波前修正)最終獲得了透射波前為PV值20.779 nm、RMS值0.685 nm的超高精度CGH基底。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：應(yīng)用離子束修正高精度CGH基底的加工工藝具有較大優(yōu)勢(shì)，不僅具有較高的加工效率而且可以獲得超高的加工精度。

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High-precision CGH substrate figuring by ion beam

MA Zhan-long*, PENG Li-rong, WANG Gao-wen, GU Yong-qiang

(EngineeringResearchCenterofExtremePrecisionOptics,StateKeyLaboratoryofAppliedOptics,ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China)

,E-mail:mzlcumt@126.com

Computer-generated hologram(CGH) is widely applied in the high-precision testing of asphere as high-accuracy null compensator, but the surface figure error of CGH substrate directly restricts the testing precision. In order to gain ultra-precision CGH substrates, the figuring of high-precision CGH substrates by ion beam is presented. A square fused silicon CGH substrate with 152 mm side length(140 mm valid aperture) and 6.35 mm thickness is figured by different scale IBF removal functions. Through seven iterations, an ultra-precision CGH substrate with transmitted wavefront PV value 20.779 nm and RMS value 0.685 nm is gained finally. The experiment result shows that figuring high-precision CGH substrates by ion beam has notable advantage， and it has not only high process efficiency but also ultra-high process precision.

optical fabrication;ion beam;computer-generated-hologram;transmitted wavefront

2015-12-03；

2015-12-28

國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(No.2009ZX02205)

2095-1531(2016)02-0270-07

TH161； TQ171.6+

馬占龍(1983—)，男，河北唐山人，助理研究員，2006年、2009年于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，主要從事超高精度光學(xué)元件加工方面的研究。E-mail:mzlcumt@126.com

Supported by National Science and Technology Major Project of China (No.2009ZX02205)