納米級面形精度光學平面鏡加工

張 峰

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所

光學系統先進制造技術中國科學院重點實驗室，吉林長春130033)

1 引言

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

光學加工是一個非常復雜的過程，單一的加工方法很難加工出同時滿足各項技術指標要求的光學元件。為了對某些光學元件進行合理的加工，人們將不同加工技術結合在一起，提出了許多組合加工方法來實現這些光學元件的有效加工［1-3］。高精度平面鏡的加工也是如此。

目前常用的光學拋光方法有:傳統古典拋光、計算機控制小磨頭拋光［4-5］、應力盤拋光［6］、磁流變拋光［7］、離子束拋光［8-10］等。計算機控制小磨頭拋光、應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行子口徑加工，加工效率相對較低，且容易產生中頻誤差，適合表面各帶區曲率不同的非球面的加工。傳統古典法采用尺寸與被加工工件相等、甚至更大的拋光盤進行全口徑加工，加工效率較高，同時避免了中高頻誤差的產生，適合表面各點曲率一致的平面、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合可實現高精度光學平面鏡的有效加工。

目前高精度平面鏡較普遍的加工方法是環帶拋光技術［11-13］，該技術是由傳統的古典拋光法派生而來的。環帶拋光技術利用不停轉動的直徑大于被加工平面鏡3倍以上的環形拋光盤對放置其上的平面鏡進行連續拋光。環帶拋光技術的優點是:可以同時加工多塊平面鏡;平面鏡以復合軌跡運動，具有均化拋光效果;平面鏡浮動加工，不存在由于粘接或夾持而產生的鏡面變形;可以通過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。環帶拋光技術的缺點是過分依賴加工者的經驗，拋光穩定性較差。先進的離子束拋光技術可以很好地克服環帶拋光技術的缺點，與環帶拋光技術形成互補，用來完成環帶拋光后平面鏡面形后續的最終精密修正。本文將環帶拋光技術和離子束拋光技術相結合，實現對納米級面形精度光學平面鏡進行高效精密加工。

2 環帶拋光技術

環帶拋光機主要由環形拋光盤、圓形光學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)分別為環帶拋光機的實物照片和工藝結構簡圖。

圖1 環帶拋光機Fig.1 Continuous polishing machine

在拋光過程中，表面開有溝槽的環形瀝青拋光盤由電機驅動以穩定的速度連續不停的轉動。平面鏡固定在夾持器內，被加工表面朝下與環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也會造成拋光盤的磨損，從而會使拋光盤的面形變差。校正板在主動驅動電機的作用下以一定的速度轉動，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，校正板對拋光盤面形的影響比工件對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，整個拋光過程中可以看作是平面精度通過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;D1和D2分別是校正板和平面鏡的直徑。可見，光圈數與加工零件直徑平方成正比。光圈數越小，面形精度越高。所以使用大尺寸的環帶拋光機加工小口徑平面鏡，可以大大提高平面鏡的面形精度。然而，環帶拋光技術過分依賴加工者的經驗，加工到一定的面形精度后，還需通過離子束拋光來進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，利用離子束轟擊工件表面發生的物理濺射效應實現工件表面材料去除。在真空條件下，離子源發射的離子束入射到工件表面，與工件表層原子碰撞進行能量和動量轉移，并在工件內部引起級聯碰撞。在這一系列的碰撞過程中，工件表層的原子若獲得足夠的指向工件外部的動量，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。

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

3.2 離子束拋光實驗和去除函數研究

為了實現確定性的離子束拋光，首先要獲得這種拋光方法精確和穩定的去除函數。離子束拋光的去除函數是通過拋光實驗來獲得的。離子束拋光實驗是在IBF-1500拋光設備上進行的，其實物照片如圖2所示。

圖2 IBF-1500拋光設備實物照片Fig.2 Photo of the IBF—1500 polishing machine

為了研究離子束拋光的去除函數并驗證其穩定性，在初始面形精度 RMS值為 0.01λ(λ=0.6328 μm)的Ф100 mm的熔石英平面實驗件表面進行10次去除函數拋光實驗，每次拋光100 s，相鄰兩次拋光間隔時間為1 h，整個去除函數實驗持續約8 h。拋光實驗的工藝參數如下: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。去除函數拋光實驗完成后，用ZYGO干涉儀對實驗件進行檢測，結果如圖3所示。

圖3 去除函數檢測結果Fig.3 Test results of removal functions

通過對離子束拋光去除函數10次實驗結果進行統計分析可以得到如下結論:平均峰值去除率是3.643 nm/s，最大相對誤差為2.91%;平均體積去除率是0.009 3 mm3/min，最大相對誤差為2.86%;離子束的平均半寬度(FWHM)約為5.701 mm，最大相對誤差為0.96%。通過上述分析可知:去除函數不穩定性小于3%。這些實驗數據為離子束拋光的實際應用奠定了良好的基礎。

4 組合拋光實例

用傳統的環帶拋光技術和先進的離子束拋光技術對口徑為150 mm的熔石英平面鏡進行組合拋光，整個組合拋光過程如下。

4.1 環帶拋光技術預拋光平面鏡

為了去除研磨后平面鏡的粗糙表面和下表面破壞層，首先應對平面鏡進行預拋光，使平面鏡表面粗糙度達到技術指標要求的同時，面形誤差也達到一定的精度。在1 m環帶拋光機上對平面鏡進行5天的預拋光，拋光后分別采用ZYGO干涉儀和ZYGO NewView 7200表面粗糙度儀對平面鏡的面形和表面粗糙度進行檢測，測量結果分別如圖4和圖5所示。從圖4可見，預拋光后平面鏡的面形精度為85.1 nm(RMS值)。圖5是測量尺度為1.41 mm×1.06 mm時測得的預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，滿足技術指標要求。

圖4 預環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 預環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 環帶拋光技術修正平面鏡面形

預拋光后的平面鏡表面粗糙度基本達到要求，面形精度還需進一步提高，接下來采用環帶拋光技術對平面鏡的面形進行修正。平面鏡的面形修正是在1 m環帶拋光機上進行的，通過對1 m環帶拋光機進行理論分析和大量的工藝試驗研究［14］，得到適合Ф150 mm的平面鏡拋光工藝參數如下:拋光盤的轉速為3 rad/min，校正板的轉速為2.3 rad/min，平面鏡的轉速為3.5 rad/min，校正板的偏心率為370 mm，平面鏡的偏心率為380 mm。在整個拋光過程中，可以根據具體的拋光情況對各個工藝參數進行微調。經過3.5 h的拋光，平面鏡的面形精度為11.023nm(RMS值)，其檢測結果如圖6所示。

圖6 環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進行平面鏡最終的面形修正，拋光工藝參數與離子束去除函數實驗的工藝參數相同，采用基于線性代數和正則化方法的駐留時間算法求解出駐留時間［15］。經過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表面粗糙度儀對平面鏡的表面粗糙度進行檢測，在1.41 mm×1.06 mm測量尺度上，其表面粗糙度達到0.506 nm(RMS值)，如圖8所示，滿足技術指標要求。

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

描述光學元件表面質量的兩個重要技術指標是其面形誤差和表面粗糙度。在采用組合加工技術對平面鏡進行加工過程中，平面鏡的表面粗糙度技術指標是在環帶預拋光工序達到的。經過時間較長(5天)的環帶預拋光，平面鏡由研磨后的粗糙表面轉變到表面粗糙度RMS值為0.527 nm的光滑表面。后續的環帶拋光修正平面鏡面形的時間較短(3.5 h)，并且采用與預拋光相同的加工工藝，所以對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結果為0.506nm(RMS值)，與環帶預拋光后的表面粗糙度值相近。在組合拋光過程中，平面鏡的面形精度是分3步達到的:環帶預拋光使平面鏡由研磨表面達到面形誤差為85.1 nm(RMS值)的平面;環帶拋光進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，組合加工結果能夠很好地滿足平面鏡技術指標要求。

5 結論

本文提出了一種由傳統環帶拋光技術和先進離子束拋光技術相結合而形成的組合加工技術。環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，使其表面粗糙度達到技術指標要求，同時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對口徑為150 mm的熔石英平面鏡進行拋光，經檢驗平面鏡的面形誤差和表面粗糙度分別達到1.217 nm RMS和0.506 nm RMS。實驗結果表明，這種組合拋光技術適用于納米級面形精度光學平面鏡的拋光。

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