光学元件亚表面缺陷结构的蚀刻消除

 针对强激光光学元件的应用要求，对光学材料在研磨和抛光过程中形成的亚表面缺陷进行了分析，并借鉴小工具数控抛光和Marangoni界面效应，提出采用数控化学刻蚀技术来实现光学表面面形和微结构形貌的高精度加工，对亚表面缺陷具有很好的克服和消除作用。通过实验对亚表面缺陷的分布位置和特性进行了分析，同时实验验证了在静止和移动条件下Marangoni界面效应的存在，对材料的定量去除进行了实验，提出了亚表面缺陷的去除方法。     

减少光学元件亚表面缺陷的方法研究

针对强激光光学元件的应用要求,对光学材料在研磨和抛光过程中形成的亚表面缺陷进行了分析,并借鉴小工具数控抛光和Marangoni界面效应,提出采用数控化学刻蚀技术来实现光学表面面形和微结构形貌的高准确度加工．通过实验对亚表面缺陷的分布位置和特性进行了分析,实验验证了在静止和移动条件下Marangoni界面效应的存在．对材料的定量去除进行了实验,提出了亚表面缺陷的去除方法．     

减少光学元件亚表面缺陷的方法研究

针对强激光光学元件的应用要求,对光学材料在研磨和抛光过程中形成的亚表面缺陷进行了分析,并借鉴小工具数控抛光和Marangoni界面效应,提出采用数控化学刻蚀技术来实现光学表面面形和微结构形貌的高准确度加工.通过实验对亚表面缺陷的分布位置和特性进行了分析,实验验证了在静止和移动条件下Marangoni界面效应的存在.对材料的定量去除进行了实验,提出了亚表面缺陷的去除方法.     

高精度数控化学抛光技术

高精度光学表面数控化学抛光技术研究是针对强激光光学元件的应用需求，研究光学表面的化学抛光加工机理；基于Marangoni界面效应，采用数控化学抛光技术来实现光学表面面形及微结构形貌的高精度控制；为完成高精度激光光学元件(包括传统意义上的激光光学镜面和新型的静态连续波前校正板等)的制造进行新原理和新手段的探索。     

高精度数控化学抛光技术

用已有的刻蚀发生器与AD250数控抛光设备进行有效地整合，建立了定域数控刻蚀平台，此实验平台在基片装夹和软件编程上都得到了一定提高，可以根据事先检测基片的干涉图在任意区域内进行编程加工，由于AD250数控抛光设备能够实现三维坐标控制，对刻蚀区域的大小和刻蚀深度可通过编程来实现，完全实现了数字控制加工的目的。在前期实验工作的基础上，根据Marangoni界面效应理论对刻蚀发生器进行改进，改进后的装置在Marangoni效应的稳定上有了很大提高，可以持续不间断的使被加工基片的区域保持Marangoni效应，由于此效应在整个数控化学加工中起核心作用，所以此项单元的改进使得对加工基片的尺寸得到很大扩展，理论上完全满足原型玻璃尺寸的要求，也为后期的数控化学大尺寸面型的修正提供了很好的技术基础，使这项技术在光学加工中的应用得到了保障。     

微晶玻璃试片的化学抛光研究

光学零件的凹槽、孔道等复杂结构无法进行机械抛光,只能采用化学抛光。分析了化学抛光的机理和微晶玻璃的组成,设计了化学抛光技术方案、工艺流程和操作方法。对微晶玻璃化学抛光前后的光学表面进行了测试、分析。结果表明:化学抛光去除量主要由化学抛光液的温度和抛光时间控制。采用氟化氢铵、氢氟酸与添加剂组成的化学抛光液和合适的化学抛光工艺,可以能够得到光滑、透明的表面,表面粗糙度可降低到100nm;可见光透过率81%~83%。     

一种基于四甲基氢氧化铵溶液蒸汽的新型硅刻蚀方法

在微机电技术中，利用刻蚀方法对硅进行体结构加工是一步重要的工艺程序. 本文提出了一种基于四甲基氢氧化铵的新型刻蚀方法，四甲基氢氧化铵刻蚀溶液被加热到沸点，单晶硅片置于刻蚀液面的上方，通过刻蚀溶液的蒸汽实现对硅片的各向异性气相刻蚀，此方法并不依赖于昂贵的传统干法刻蚀真空设备. 相比于传统湿法刻蚀，本文提出的刻蚀方法具有若干优点，例如低粗糙度、高刻蚀速率和高均匀性，刻蚀速率和表面粗糙度分别可达到2.13 μm/min和1.02 nm. 同时，在背腔刻蚀工艺中，在硅片非刻蚀面上的隔膜结构和Al基图形可被完好无损地保存下来. 最后，本文提出了一种可能的刻蚀机理说明观察到的实验现象. 与传统湿法刻蚀不同，在本文的气相刻蚀中，由于刻蚀溶液的蒸发过程，刻蚀表面将形成一层薄的水汽层，四甲基氢氧化铵刻蚀剂的离化和刻蚀反应均在这一层中进行，这有助于H₂气泡的快速脱附，以及反应界面分子交换速率的提升.     

一种软X射线多层膜界面粗糙度的计算方法

提出一个利用多层膜小角X射线衍射谱衍射峰积分强度计算多层膜界面粗糙度的公式。用磁控溅射技术制备Mo／Si多层膜，用波长为0．154nm的硬X射线测量样品在小掠入射角区的衍射曲线，分别用本文公式和反射率曲线拟合方法计算了样品的界面粗糙度。实验结果表明：由本文公式获得的界面粗糙度近似于拟合方法获得的界面粗糙度，它们略等于多层膜界面实际粗糙度。     

碳化硅表面硅改性层的磁介质辅助抛光

为了实现碳化硅表面硅改性层的精密抛光,获得高质量光学表面,对磁介质辅助抛光技术进行研究。设计了适合碳化硅表面硅改性层抛光的磁介质辅助抛光工具,并对抛光工具的材料去除函数进行研究。针对材料去除函数的特性,对数控磁介质辅助抛光的驻留时间算法进行了研究。采用磁介质辅助抛光技术对碳化硅表面硅改性层平面样片进行了抛光实验。经过一次抛光迭代,碳化硅样片表面硅改性层的面形精度(均方根)由0.049λ收敛到0.015λ（λ=0.6328 μm）,表面粗糙度从2 nm改善至0.64 nm。实验结果表明基于矩阵代数的驻留时间算法有效,磁介质辅助抛光适合碳化硅表面硅改性层加工。     

离子源工艺参数对BCB胶刻蚀速率和表面粗糙度的影响

为了研究离子束刻蚀抛光过程中离子源工艺参数对刻蚀速率及表面粗糙度的影响,采用微波离子源为刻蚀离子源,以BCB胶为主要研究对象,研究了离子束能量、离子束电流、氩气流量、氧气流量对BCB胶刻蚀速率及表面粗糙度的影响,获得了离子源工艺参数与刻蚀速率及表面粗糙度演变的关系。研究结果表明,离子束能量在从400 eV增大到800 eV的过程中,刻蚀速率不断增大,从3.2 nm/min增大到16.6 nm/min;离子束流密度在从15 mA增大到35 mA的过程中,刻蚀速率不断增大,从1.1 nm/min增大到2.2 nm/min;工作气体中氧气流量从2 mL/min增大到10 mL/min的过程中,刻蚀速率会整体增大,在8 mL/min处略有下降。表面粗糙度变化不大,可以控制在1.8 nm以下。     

高准确度玻璃光学元件的CMP技术研究

依据化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing,CMP）加工玻璃光学元件的原理,通过对抛光运动机理的理论分析,提出了抛光垫的磨削均匀性对光学元件面形的影响,并设计了新的工艺流程.通过工艺试验,完成了高准确度玻璃光学元件的CMP加工,获得了表面质量N<0.2,Rq<0.3 nm的玻璃光学元件.     

纳米级面形精度光学平面镜加工

为实现纳米级面形精度光学平面镜的高效精密抛光,提出了一种由传统环带抛光技术和先进离子束抛光技术相结合的组合式加工方法。介绍了环带抛光技术和离子束抛光技术的原理,通过实验研究了离子束抛光的材料去除函数,并采用这种组合抛光方法对口径为150 mm的平面镜进行抛光,抛光后平面镜的面形误差和表面粗糙度分别达到1.217 nm RMS和0.506 nm RMS。实验结果表明,这种组合抛光技术适合纳米级面形精度光学平面镜的加工。     

Ultra-smooth polishing of high-precision optical surface

A new method of ultra-smooth uniform polishing was presented, which can avoid high-precision surface figure getting worse after ultra-smooth polishing. At first, the fundamental and process were introduced. Then the process was simulated with “Gauss” and “V” type removal function. It shows that there will be no significant influence on optical surface figure after ultra-smooth uniform polishing with any type removal function. To demonstrate the process, a high-precision Ø100 mm fused silica flat optical element was polished, which was prior figured by IBF. Its surface figure accuracy root-mean-square (rms) value is improved from initial 3.624 nm to final 3.393 nm, the mid-spatial frequency surface roughness rms value is improved from initial 0.477 nm to final 0.309 nm, and the high-spatial frequency surface roughness rms value is improved from initial 0.167 nm to final 0.0802 nm. At last, the surface quality of the lens was analyzed by power spectral density (PSD). The result indicates that the surface roughness of high-precision optical element could be improved by ultra-smooth uniform polishing method without the surface figure destroyed.     

平面和曲面光学零件气囊抛光材料去除的比较研究

气囊数控抛光是近年来一种新兴的先进光学制造技术,采用柔性的气囊作为抛光工具并以进动的方式进行加工。首先简要阐述了气囊抛光的抛光原理,然后针对平面和曲面光学零件,在自行研制的气囊抛光实验样机上进行了抛光实验。被抛光光学元件的材料去除是在抛光区内实现的。研究了进动角、气囊压缩量、气囊内部压力、气囊转速、抛光时间以及工件的曲率半径几种重要的工艺参数对平面工件和球面工件抛光接触区大小和形状影响情况的异同。在此基础上,总结了气囊抛光材料去除的影响规律。给出了几种重要工艺参数在平面工件和球面工件上取值范围。     

铝合金表面的直接光学抛光实验

单点金刚石车削铝合金表面具有较好的表面质量和精度,但车削纹路会产生散射现象,难以满足高品质光学系统要求。对铝合金表面进行直接光学抛光可以去掉表面产生的车削纹路,提高反射表面的光学性能,分析酸性条件下和碱性条件下的铝镜抛光原理,采用新型抛光盘与抛光液对单点金刚石车削后铝合金表面进行抛光实验。实验结果表明:通过合理控制工艺参数,能够消除铝合金表面残留的周期性车削刀纹,并且不会产生新的表面划痕,得到较好的铝镜光学表面质量,测得的铝镜表面粗糙度Ra=2.6 nm。     

永磁流变抛光纳米精度非球面技术研究

利用永磁流变抛光技术制造高精度光学元件是一项极具前景的超精密制造技术。对一台五轴联动磁流变数控抛光系统的结构特点、功能特色及关键部件的设计进行了阐述。在此基础上,结合装置开展基础试验,对磁流变抛光过程中的主要控制参量如抛光轮下压量、抛光轮速度等对材料去除特性的影响进行了研究。开展了磁流变抛光对提高工件(K9玻璃)表面粗糙度效果的抛光试验,结果证明该套系统具有良好的磁流变抛光特性,抛光23min后工件表面粗糙度降低到0 6739nm。     

气囊抛光工艺参数的正交实验分析

针对平面光学零件,以抛光去除率和表面粗糙度为考核指标,应用正交试验法分析了气囊抛光过程中的主要工艺参数,包括抛光工具气囊的压缩量、气囊转速、气囊内部充气压力、抛光液的浓度对抛光去除效率和表面粗糙度的影响规律。结合气囊抛光的抛光机理对其进行了分析,根据实验结果对工艺参数进行了优化,并进行了综合参数的气囊抛光加工实验,获得了超精密光滑的表面。     

大口径碳化硅反射镜面PVD改性工艺的研究

通过将多块不同尺寸的碳化硅平面试片以及一块口径为520mm碳化硅凹非球面反射镜作为镜面改性工艺技术的实验平台,对大口径碳化硅反射镜面PVD改性工艺技术进行探索、分析和研究。重点研究了前期PVD改性前镜面特性与PVD改性层的最佳匹配关系,主要是PVD改性层与镜面粗糙度和残留面形误差的要求和最佳结合点。采用的抛光方式为磨盘相对镜体做行星运动,采用相同的离子束辅助沉积法进行凹椭球面碳化硅反射镜的镜面改性。实验结果表明:通过选用合适的方案对改性后的PVD改性层镜面的面形误差进行修抛,可同时提高其镜面光洁度和粗糙度,最终测试结果为0.756　nm（Sq）,与改性前比较,粗糙度得到一定程度的提高。