超薄光學元件的精密性加工關鍵技術探討

周國尊

摘要：在加工超薄光學元件的過程中，會因為重力和磨頭而產(chǎn)生應力形變。于是，一種具有高效率、先進性加強的超薄光學元件綜合加工法被提出。這種方法在進行面形控制的時候，全面充分的運用了離子束修形、精密拋光、精密銑磨。在開展精密銑磨的階段時，主要是通過分析受力和采用誤差補償?shù)姆椒ㄒ詫崿F(xiàn)降低因為元件發(fā)生變形而造成的面形誤差。在超薄光學元件的精密拋光接管，則是主要利用氣囊拋光迭代以及瀝青拋光迭代以實現(xiàn)短時間內(nèi)收斂收斂面形的目的。在離子束加工的階段，主要是利用離子束基本加工特點以實現(xiàn)修正面形的高精準度。

關鍵詞：超薄光學元件;精密性;關鍵技術;綜合加工

中圖分類號：TQl71;THl61 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）10-0133-04

光學系統(tǒng)實現(xiàn)輕質化，最重要的保證就是實現(xiàn)光學元件的輕質化。當今時代，科學技術發(fā)展如日中天，隨之帶動了光學工程技術提升，在當下以及未來，光學系統(tǒng)將朝著擴大口徑，輕化質量，提升分辨率的方向發(fā)展。特別是在現(xiàn)代航空航天、光刻物鏡以及精密光學檢測等等比較精密的光學系統(tǒng)中，光學儀器的精密度勢必會受到光學元件的面形精準度決定性影響，與此同時，光學元件的重量將會直接對光學系統(tǒng)的重量和制作整個光學系統(tǒng)的經(jīng)濟支出有決定性作用。實現(xiàn)光學元件輕質化的主要途徑之一就是完成光學元件超薄設計，如今在行業(yè)領域中，應用平板型超薄光學元件已經(jīng)成為大趨勢，多種不同形式的計算機全息技術以及超薄光學元件系統(tǒng)的窗口設置與超高精密度的超薄元件緊緊聯(lián)系在一起。無論是國內(nèi)還是國外，越來越多的科研機構針對于超薄元件的徑厚作出了一系列研究，也得到了部分研究結果。在美國的亞利桑光學中心，則是充分采用了基地支撐的方法，在相同材料的鏡坯和基底進行銑磨，實現(xiàn)球面曲率半徑相同，在通過將兩個面進行對研，實現(xiàn)完全貼合，最終再通過使用瀝青將這兩個面進行粘連，在下盤之前借助于拋光技術和銑磨技術對其進行加工。在我國的蘇州大學，也有研究者采取相類似的方法進行探究，將面形的精準度做到了20nm左右，比美國的亞利桑光學中心的53nm要低出33nm。本文綜合運用了離子束修形、精密拋光、精密銑磨等等在行業(yè)中比較先進的技術，加工徑厚比為34的方形光學元件。

1以形變誤差補償為基礎的精密銑磨技術

1.1以真空吸附為基礎的基地支撐法

銑磨加工超薄鏡的關鍵因素是在加工過程中的各種形變控制，控制形變能夠為光學元件的硬度提供做起碼的支撐。在常見的支撐方法中，基地支撐法是應用最為普遍的，也具備光學元件制作所需要的硬度，但是在光學元件的上盤和下盤的時候會出現(xiàn)不同程度上的形變，在絕大多數(shù)的情況之下，上盤前的面形是要好過于下盤后的面形。從這類問題出發(fā)，在光學元件進行銑磨階段則是充分的使用了形變補償機制，其主要目的是為了能夠讓下盤的面形要好過于下盤的面形-引。文章在對超薄光學元件進行探討的時候，主要是使用真空吸附基地支撐法，這種方法的基本結構如圖1所示。

第一步是制作出口徑為24cm的平面鋁盤，將中間的開口處當做是將內(nèi)部空氣抽干的主要氣體通道，在平面鋁盤上根據(jù)實際情況再制作一個凹槽，其口徑為14cm，凹槽的主要功能是實現(xiàn)橡膠密封圈放置。

第二步是將0.8mm厚度的聚氨酯粘貼在鋁盤上，讓粘貼好的聚氨酯在鋁盤上固化24h。

第三步主要是充分利用銑磨機去強化修整光學元件，盡最大的限度將光學元件的表面平滑度控制到um級別，只有這樣，才能夠充分保證光學元件鍥角。

1.2超薄光學軟件的形變誤差補償法

超薄光學元件實際上抗形變的能力是很差的，致使超薄光學元件發(fā)生變形的主要原因還是在于裝卡和磨削磨輪時會產(chǎn)生過大的壓力。傳統(tǒng)的超薄光學元件銑磨方式是很難實現(xiàn)理想中的表面面形。在本次研究中主要還是采用ANSYS元件仿真模擬在光學元件中受到裝卡影響的受力情況和形變情況，研究的結果如圖2所示。

根據(jù)受力分布圖可以發(fā)現(xiàn)，光學元件在不同的環(huán)帶之上所受到的力不在不斷變化的，受力從四周向中間逐漸增大。形變圖的環(huán)帶變化也正是說明了這種現(xiàn)象。根據(jù)基底支撐法的受力分布和形變圖能夠預測出光學元件的未來變化動向。在試驗過程中對兩種不相同的銑磨方式作出比對，首先就是在光學元件加工中使用較為普通的銑磨方法，與此同時還要對輪廓儀進行檢測。

通過將光學元件的受力分布圖和誤差補償前的圖進行比對可以發(fā)現(xiàn)，實際的元件加工結果和仿真的結果之間存在的相反的方向，導致這種現(xiàn)象的原因主要是因為元件下盤后應力獲得了釋放，同時還出現(xiàn)回彈。

2以多工藝迭代為基礎的精密拋光技術

2.1以氣囊磨頭為基礎的精密拋光技術

在對光學元件進行加工的過程中，最重要的環(huán)節(jié)之一就是拋光。在本次試驗探究中，同時還需要對鍥角和面形進行修正。數(shù)控氣囊拋光技術主要是依靠于CCOS原理，能夠比較精準的對多種影響要素進行控制，增強數(shù)控氣囊拋光技術的可控性，提升修正的精準度。在光學元件的前期相關工藝試驗中獲得的經(jīng)驗中，銑磨亞表面發(fā)生損傷層的厚度大約在十幾微米左右。所以說，在去除光學元件亞表面損傷的時候想要提升速度，就可以采用聚氨酯氣囊，并且要嚴格的按照對光學元件測量的實際結果為基礎，作出反饋。與此同時，在修正薄板的時候主要是從兩個光學元件的面形以及鍥角誤差著手，在修成的時候，對鍥角誤差修正需要依靠某個光學表面，進而測量到另外一個光學表面相對于這個基面的傾斜角。在本次超薄光學元件研究中，使用的氣囊拋光設備是采購自英國Zeeko公司，這款產(chǎn)品的型號為IRP600。加工的時候采取柵格路徑，在進行實際加工的時候對參數(shù)的控制也是要按照標準執(zhí)行，將氣囊的半徑設置為4.1cm，控制氣囊壓力達到10⁵Pa，對壓深的控制為0.3mm，對表面拋光角度控制在20°，拋光頭的轉速規(guī)定是1000r/min，柵格的間隔距離是0.5mml。

2.2以瀝青磨頭為基礎的光學平滑技術

在光學元件中利用氣囊拋光的方式勢必會導致邊緣效應和中頻出現(xiàn)，進而會影響到面形快速收斂時候的精準度。傳統(tǒng)拋光方式在超薄光學元件研究中是以研磨拋光作為核心的，可以有效的控制數(shù)控氣囊所造恒的誤差。使用光學平滑技術可以切削氣囊拋光和銑磨之后的殘余，將拋光紋理予以全部清除，并且還能夠充分的改善光學元件表面的粗糙度-圳。

3光學元件的高精度離子束修形

在光學元件中利用離子束修形技術（Ion BeamFiguting，IBF）的主要目的是為了可以在真空的環(huán)境之下，通過利用離子源所發(fā)射出的離子束轟擊光學元件，在光學元件表面上的原子接收到來自外界的能量之后，就能夠逐漸擺脫表面束縛能，進而會徹底的從光學元件表面徹底脫離，形成濺射原子，去除元件表面材料。光學元件的高精度離子束修形的加工原理如圖4所示。

光學元件的離子束修形是一種非接觸式的光學加工技術，在加工工藝中充分利用這項技術可以高效的克服其它接觸式CCOS技術在加工超薄光學元件的過程中所發(fā)生的速度變慢問題，甚至還有在加工超薄光學元件的時候發(fā)生的形變問題。在對光學元件進行加工的時候，仍舊會出現(xiàn)因為元件的溫度出現(xiàn)上升而導致的熱變形現(xiàn)象，可是在完成對元件加工之后就會恢復原有的溫度，面形也會逐漸恢復，不會產(chǎn)生太大的問題。

在前面的工序中，加工超薄光學元件所形成的面形水平是很低的，為了可以兼顧加工超薄光學元件的精準度和時間，可以將離子束修形分成兩個部分展開實行，對離子源的配置分別是用30mm的柵網(wǎng)，控制靶距為135mm，無光闌以及使用30mm的柵網(wǎng)，控制靶距為25mm，光闌為10mm。在進行高精度離子束修形的加工的時候對參數(shù)的把握要準確，符合元件生產(chǎn)加工工藝，屏柵的電壓穩(wěn)定控制在800V，屏柵的電流穩(wěn)定控制在25mA，與此同時，對于元件離子束修形加工工藝中的加速柵電壓要控制在100V，中和電流控制在80mA。按照生產(chǎn)工藝對光學元件進行加工，從而得到的去除函數(shù)如圖5所示。

在圖5光學元件離子束修形去除函數(shù)1中，可以明確得出其半高的寬度（FWHM）實際是15mm，峰值的去除率是每分鐘是0.2731xm，對于光學元件的體積去除率是70.1x10^-3mm3/min。

在圖5光學元件離子束修形去除函數(shù)2中，能夠明確的而出其半高的寬度（FWHM）實際上是7.58mm，峰值的去除率每分鐘是0.318p.m，對于光學元件的體積去除率是19.5x 10^-3mm³/min。光學元件在經(jīng)過5輪的離子束修形之后，即對去除函數(shù)1進行加工4輪，對去除函數(shù)2進行加工1輪，得到元件面形的最終收斂上表面PV為24.013nm，RMS為1.423nm。元件面形的最終收斂下表面PV為23.571nm，RMS為2.143nm。

4結語

在現(xiàn)如今檢測高精度光學以及超精密光學系統(tǒng)中，已經(jīng)逐漸的使用并且普二級超薄光學元件，超薄型光學元件本身就具有容易發(fā)生變形、并且元件的硬性比較小且厚徑比大。在本次關于超薄光學元件的精密性加工關鍵技術探討中，主要是介紹了三種綜合加工的方法，即離子束修形、精密銑磨以及精密拋光。精密拋光主要是有效結合了瀝青拋光和氣囊拋光兩種方式，進而將這兩項技術方式的優(yōu)勢完全發(fā)揮出來，在最短的時間內(nèi)去除亞表面損傷的同時，還可以對中頻誤差產(chǎn)生抑制作用，并且還有效的控制住了元件的面形。在光學元件中的精密銑磨則是主要通過使用誤差補償?shù)姆椒ㄑa償形變量，進而達到控制面形的目的。離子束修形在光學元件中則是充分發(fā)揮出來其非接觸加工當時的優(yōu)勢，達到了光學元件面形高精度快收斂的目的。

在進行加工實驗的時候，采用厚徑比為34的光學元件，其邊長為152mm，厚度為6.35mm。在實驗的結果中表明，無論是離子束修形階段還是精密銑磨階段，亦或是精密拋光階段，各項指標均已經(jīng)滿足了精密光學元件的要求，其中，最終的光學元件面形精度是PV為15nm，RMS為1.5nm。由此可見，在超薄光學元件的加工工藝中，使用精密銑磨、精密拋光和離子束修形，在提升高精度光學系統(tǒng)窗口、光學檢測基板以及超薄元件等等高精密度工藝加工中，有著重要作用。