超光滑的光学表面其加工技术发展及应用
作者:管理员    发布于:2018-11-04 21:15:49    文字:【】【】【
摘要:超光滑的光学表面其加工技术发展及应用
1引言
在常规光学系统中,用于反射、折射的光学元件表面粗糙度犚a≤0.012μm才能使用,而在短波光学领域,特别是强激光、软X射线以及光刻系统等,对光学元件表面粗糙度的要求极为苛刻,其明显特征是表面粗糙度小于1nm,从而产生了超光滑表面的概念。所谓超光滑表面[1,2]是指其表面粗糙度均方根值小于1nm的表面,并且具有较高的面形精度和较低的表面波纹度,无表面疵病和亚表面损伤,具有完整的晶格结构。一般原子直径小于0.3nm,超光滑表面微观起伏的均方根值为几个原子的尺寸,因此实现超光滑表面加工的关键在于实现表面材料原子尺寸级的去除。本文对现有超光滑表面加工技术进行分类,对其加工机理及应用进行详细阐述及分析,并展望其发展趋势。
2超光滑表面加工技术分类
目前已有的超光滑表面加工技术根据磨头与工件的接触状态可以分为接触式和非接触式两种方式。接触式抛光是工件与磨头在加工过程中直接接触,依靠机械磨削作用去除表面材料,属于传统抛光范畴。其特点是加工精度低、工件存在亚表面损伤,并且在加工过程中磨头也被磨损,致使去除函数不断变化,抛光过程稳定性和可重复性差。非接触式抛光是工件与磨头在加工过程中不发生接触,依靠磨料粒子(或离子束)冲击工件表面来达到去除材料的目的。可以获得较高的表面精度、无亚表面损伤,且不存在磨头磨损的问题,去除函数稳定,抛光过程的稳定性和可重复性好,但其抛光效率很低。国外超光滑表面加工技术进展
3.1接触式抛光
1)浴法抛光(Bowlfeedpolishing)是20世纪60年代美国为发展深紫外光学而研究的一种加工方法。抛光液浸没磨盘与工件的交接面,工件在旋转的沥青盘上水平摆动,并绕自身旋转;保证工件上每点与沥青盘上每点随机接触,使工件材料被均匀去除。1966年,Dietz等[3]采用这种方法在熔石英平面上获得了均方根粗糙度为0.3nm的超光滑表面,而当时用常规方法只能获得均方根粗糙度为1~4nm的表面。1992年,Wingerden等[4]采用此法获得了均方根粗造度为0.15nm的超光滑表面。
2)聚四氟乙烯抛光是20世纪70年代澳大利亚国家
测量实验室的Leistner等[5,6]为抛光法布里珀罗干涉仪而发展的一种超光滑表面加工技术,此法可以在多种材料上获得均方根粗糙度为0.4nm的表面粗糙度。首先使用沥青磨盘对工件进行预抛光,抛光至表面无任何明显瑕疵后,利用聚四氟乙烯磨具进行抛光。与传统的沥青抛光模相比,聚四氟乙烯磨具不仅有利于保持工件面形,而且可以有效地抑制工件表面的波纹度。以上方法虽然也得到了表面粗糙度均方根值低于1nm的超光滑表面,但只能用于平面光学元件的加工,并且不能完全消除亚表面损伤。
3.2非接触式抛光
1)浮法抛光(FP)[7,8]由Namba等[7]在1977年提出,通过这项技术可使刚玉单晶的平面面形精度达到λ/20(λ为工作波长),表面粗糙度低于0.1nm,并且获得的超光滑表面晶格完好、无亚表面损伤、表面残余应力小,主要应用于录音机、录像机和计算机磁头的生产。浮法抛光工作原理如图2所示,抛光剂采用胶态SiO2,GeO2及Al2O3组成,磨盘是用纯度在99.99%以上的金属锡制成的锡模,要求有非常高的平面度。工作时,将磨盘和工件浸入抛光液中,工件浮在锡盘上绕自身轴线做定轴旋转运动而不摆动,抛光液运动产生的动压力使工件与磨盘之间有数微米厚的液膜,微细粒子在这层液膜中运动,与工件表面不断碰撞,工件表面原子在磨料微粒的撞击作用下脱离工件主体而被去除。
2)弹性发射加工(EEM)[9~12]是由Mori等[9]提出的一种“原子级尺寸加工方法”,其加工原理微细磨料粒子在流动液体的带动下撞击工件,与工件表面原子在狭小的空间内接触并产生一种原子结
合力,当工件表面原子和次表面原子间的结合力小于接触面原子间的结合力时,目标原子才能被去除。基于以上观点,加工面积和深度近似原子尺度,可以得到完美几何表面。用EEM加工软X射线反射镜,表面均方根值可达0.1nm。液体流动的实现主要有3种方式,如图4所示。图4(a)为聚氨酯旋转球抛光,将工件和旋转头都浸没在抛光液中,通过控制法向载荷使旋转头靠近工件,当旋转头旋转时,在其与工件之间的楔形间隙就形成了流体动压润滑现象,从而带动粒子撞击工件表面;图4(b)为聚氨酯圆柱抛光轮抛光,采用圆柱抛光轮带动磨料粒子运动,相比于旋转球具有更高的加工效率;图4(c)狭缝射流抛光,微细磨料粒子通过狭缝喷嘴的射流带动而与工件表面发生撞击。
3)离子束抛光技术(IBF)[13,14]是20世纪70年代就开始研究的一种新型超精密加工方法,它利用具有一定能量的惰性气体离子束流轰击工件表面,通过离子和工件表面的原子碰撞,传递动量和能量,使得一部分原子被剥离工件表面,形成对工件表面材料的去除,其抛光原理如图5所示。离子束抛光一般用来对工件
表面进行精确面形修正,首先要将工件预抛光到一定精度,然后进行离子束抛光。其特点是材料去除率非常小,面形精度可达1nm,表面粗糙度均方根值可达0.6nm,特别适合于光学零件表面的超高精度加工。
4)等离子体辅助化学刻蚀(PACE)[15,16]是1988年由Bollinger等[15]提出的。与离子束抛光不同,它是通过化学反应来达到去除材料的目的,其原理如图6所示。整个加工过程在真空室中进行,加工时,向抛光块中注入某种化学气体,在射频激励离子激光器作用下,化学活性等离子体与工件表面物质发生化学反应,生成气相反应物并被排走。在加工中,等离子体产生低能能量流,以低能离子和活泼中性物质的形式存在;控制这一能量流可以很好地控制化学反应的速度,必要时还可以实现离子束对表面的碰撞,以提高材料的去除率。PACE具有抛光效率高、无亚表面损伤、无污染等优点,适于球面和非球面的加工。目前PerkinElmer公司用该技术已在直径为0.5~1m的非球面上加工出面形精度小于λ/50、表面粗糙度均方根值低于0.5nm的超光滑表面。
5)等离子体化学蒸发加工(PCVM)[17,18]由Mori等提出,主要为EEM提供预加工表面,应用于极紫外或X射线反射镜面形修正,其原理如图7所示。首先在电极和工件间产生高压等离子体区,随后通入反应气体,利用等离子体来激发反应气体中的活性粒子使其与工件表面原子发生化学反应,将之转变为挥发性产物,最后通过气体蒸发实现表面材料加工。由于等离子体区是在高压环境下产生的,其材料去除能力同机械去除相当,具有比传统的等离子体溅射更高的去除效率;另外由于此法采用化学反应去除工件表面材料,其表面具有非常好的特性,无亚表面损伤。2002年采用此法在直径为160mm(非球面度0.5μm)的熔石英表面获得了均方根粗糙度为0.37nm的超光滑表面[18]。6)磁流变抛光(MRF)[19,20]最早由白俄罗斯学者Kordonski在20世纪80年代末提出,1993年在罗彻
斯特大学光学加工中心得到了进一步发展,并于1998年由QED公司研制成功Q22磁流变机床。磁流变抛光是将电磁学理论、流体力学、分析化学等应用于光学制造而形成的一项综合技术。利用磁流变抛光液在磁场中的流变性对工件进行抛光,可以得到面形精度优于30nm(峰谷值)、表面粗糙度均方根值小于0.5nm的超光滑光学表面,并且已在熔石英上获得了均方根粗糙度为0.27nm的超光滑表面,其工作原理如图8所示。磁流变液由抛光盘循环带入抛光区中,在该区域内,磁流变液在高强度的梯度磁场的作用下,成为具有粘塑性的Bingham介质,变硬、粘度变大,形成具有一定形状的“柔性抛光模”(磁流变液在磁场中形成的凸起缎带),当“柔性抛光模”流经工件与运动盘形成的间隙时,会产生很大的剪切力,对工件表面材料实现去除。“柔性抛光模”的形状和硬度可以由磁场实时控制,而影响抛光区稳定性的其他因素都固定不变,这样既能通过控制磁场来控制抛光区的大小和形状,又能确保在一定磁场强度下抛光区的稳定性,达到定量修整工件表面的目的。
对以上所述非接触式加工方法进行比较分析,如表2所示。从表中可以看出,浮法抛光技术虽然加工表面粗糙度最好可达0.077nm,但只适用于平面光学元件的加工;离子束加工技术、等离子体辅助化学刻蚀、等离子体化学蒸发加工等加工方法虽然对工件形状没有限制,适用于平面、球面和非球面光学元件的加工,但加工精度相对较低;弹性发射加工和磁流变抛光不仅能够满足平面、球面和非球面光学元件的加工,并且
加工精度高,无亚表面损伤,是目前最为理想的两种超光滑表面加工方法。
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脚注信息
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