淺談超光滑表面加工技術

王廣林 馬瑾

摘 要：超光滑表面加工技術屬于超精密加工技術領域的前沿課題，是一個國家科學技術發展水平的重要標志，因此受到各國的重視。文章闡述了現有超光滑表面加工的先概念，詳細介紹了浮法拋光、等離子體輔助拋光、浴法拋光和流體拋光法等技術。

關鍵詞：拋光；超光滑表面；光學零件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.009

隨著微電子學領域、光學領域及其相關技術的快速進展，越來越多的現代科學研究項目和民用商用裝備儀器越來越多地需要具有高表面質量的光學元件[1]，尤其是強激光技術、電子學以及薄膜技術的發展對光學元件表面粗糙度的要求更為苛刻，其明顯特征是需要光學表面的表面粗糙度小于1nm[2-3]。因此，超光滑表面加工技術已成為各國科學家研究的重點領域，高效、快速和穩定獲得高質量表面越來越多受到重視。

1 超光滑表面概念

所謂光學超光滑表面，一般是指其表面粗糙度均方根值（RMS）小于 1 納米的光學表面，并且對其表面損傷程度和物理結構等也有嚴格的要求，比如具有較高的表面面形精度和較低的表面疵病（surface defect）和亞表面損傷（SSD），表面殘余應力極小、具有完整的晶格結構等[4]。

2 浮法拋光

浮法拋光是以錫盤為拋光盤，采用浴式拋光方式的加工法。它是一種非接觸式拋光方法，機床主軸轉動精度要求很高且轉速很快，一般為60～200rpm，既可用軟質磨料又可用硬質磨料，關鍵是磨料的粒度和均勻性。為了增大工件與磨料的接觸面積和碰撞概率，提高拋光效率，所用磨料粒度要小，最好為納米量級，通常為20nm。浮法拋光是一種去除量較小的拋光方法，工件需要用傳統的拋光方法加工到一定的面性精度，一般為2～4個光圈。它是目前所有超光滑表面加工技術中加工的工件表面粗糙度最小的方法[5-8]。

3 等離子體輔助拋光

等離子體輔助拋光[5-8]的原理是利用被拋光工件表面的材料與等離子體發生化學反應達到光學零件拋光的目的。光學零件利用等離子體輔助拋光技術實現光學拋光的主要兩方面是：一是根據光學零件的材料選擇合適的能與之發生化學反應的拋光材料；另一方面是拋光材料經過激光沖擊形成等離子體。采用等離子體輔助拋光光學零件的過程為：光學零件和拋光材料置于真空的環境當中，激光脈沖照射到拋光材料上形成等離子體，等離子體與光學零件表面的材料發生化學反應，實現光學零件表面材料的去除，達到拋光的目的。由于拋光材料的等離子體與工件表面通過化學反應實現拋光，屬于經典拋光理論中的化學作用理論，不是傳統的機械剝離，因此，光學零件表面不形成新的亞表層損傷和機械應力。

4 浴法拋光

傳統的古典法拋光原理是光學零件與拋光盤相對運動，其中拋光盤或光學零件之一作旋轉運動，另外一個再其的帶動下發生從動運動，并且兩者之一作左右擺動運動，通過在兩者之間添加拋光液實現光學零件的拋光。浴法拋光[5-8]與傳統的古典法拋光方式的最主要區別是將光學零件和拋光盤置于拋光液中，其運動方式基本一致。光學零件與拋光盤之間通過機械作用實現拋光顆粒對工件表面材料的去除，拋光過程中會產生熱量，導致拋光盤和光學零件的變形，從而影響光學零件的拋光質量。浴法拋光使拋光液充分的與拋光盤和光學零件相接觸，不僅可以提高拋光效率，而且可以起到降溫的作用。浴法拋光能夠實現光學玻璃的超光滑表面拋光。

5 流體拋光法

流體拋光方式主要由拋光盤、工件和拋光液等組成。流體拋光的方法是拋光盤高速旋轉，拋光液在拋光盤高速離心力的作用下而形成一層拋光液體膜，光學零件懸浮在拋光液體膜的上，光學零件與拋光液體膜之間夾持著拋光顆粒，拋光顆粒連續的碰撞光學零件表面，從而實現光學零件表面的材料去除。與傳統的古典法相比，拋光盤具有相對高的旋轉速度，機械剝離不是工件表面材料去除的主要方式，而是依靠拋光顆粒的連續碰撞剝離工件表面材料，可以減少亞表層損傷和實現高精度拋光，但拋光效率較低[5-8]。

6 結束語

超光滑表面的先進拋光方法主要利用流體體力學及化學反應等原理來實現光學元件表面的原子量級去除，改變了過去以往通過改進工藝參數獲取高精度表面的技術。隨著工業4.0和中國制造2025等工程的實施，開展原子量級的材料去除及無亞表層損傷的先進拋光技術將是今后研究的熱點。

參考文獻：

[1]楊力.先進光學制造技術發展研究[J].光學技術，1998（03）：2-5.

[2]馬占龍，劉健，王君林.超光滑光學表面加工技術發展及應用[J].激光與光學電子進展，2011.

[3]李錫善，戈鶴忠.超光滑表面加工技術[J].激光與光電子學進展，1998.

[4]孟凱.基于散粒磨料的超光滑拋光材料去除機理與試驗研究[D].中國科學院光電技術研究所博士論文.

[5]李圣怡，戴一帆等.大中型光學非球面鏡制造與測量新技術[M].北京：國防工業出版社，2011.

[6]程灝波，馮之敬，王英偉.磁流變拋光超光滑光學表面[J].哈爾濱業大學學報，2005.

[7]武建芬.離子束加工技術研究[D].中國科學院長春光機所博士論文，2010.

[8]蘇建修.IC 制造中硅片化學機械拋光材料去除機理研究[D].大連理工大學博士論文，2006.

作者簡介：王廣林（1972-），男，陜西西安人，高級工程師，主要從事精密加工及機械設計方面的研究。