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| 內容簡介： |
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《光学镜面离子束修形理论、工艺与装备》详细介绍了作者自博士课题研究以来，对光学镜面离子束修形理论、工艺与装备的研究成果。主要内容包括离子束去除函数的建模与分析、离子束修形驻留时间求解算法与优化、离子束修形能力分析、离子束修形工艺中的误差分析、离子束修形工艺优化、离子束修形试验、离子束修形装备等。《光学镜面离子束修形理论、工艺与装备》理论结合实际，系统性好，实践性强。
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目录序 前言 第1章 绪论 11.1 研究背景与意义 11.2 国内外研究现状 31.2.1 光学镜面抛光方法 31.2.2 离子束修形技术 131.3 本书主要内容 19参考文献 20第2章 离子束修形去除函数建模与分析 272.1 去除函数理论建模与分析 272.1.1 去除函数理论建模 272.1.2 去除函数特性分析 302.2 去除函数试验模型与估计 322.2.1 去除函数试验模型 322.2.2 去除函数估计 332.3 去除函数试验 372.3.1 试验设备简介 372.3.2 去除函数形状试验 382.3.3 去除函数稳定性试验 392.3.4 去除函数保形性试验 402.4 本章小结 43参考文献 43第3章 离子束修形驻留时间求解与优化 453.1 线性方程组方法 453.1.1 CEH模型 453.1.2 TSVD算法 473.1.3 参数优化 483.1.4 仿真研究 503.2 迭代方法 533.2.1 脉冲迭代法 533.2.2 边缘效应控制 553.2.3 参数优化 553.2.4 仿真研究 573.3 本章小结 60参考文献 61第4章 离子束修形能力分析 624.1 修形能力评价指标 624.2 高斯型去除函数的修形能力 634.2.1 理论分析 634.2.2 仿真研究 644.2.3 离子束修形能力讨论 674.3 任意形状去除函数的修形能力 684.3.1 一般情况 694.3.2 常见情况 704.4 修形能力试验 714.4.1 一维去除函数试验 724.4.2 正弦面形刻蚀试验 734.5 本章小结 77参考文献 78第5章 离子束修形误差分析 795.1 定位误差影响分析 795.1.1 理论分析 795.1.2 仿真研究 815.2 去除函数误差影响分析 845.2.1 基本影响方程 845.2.2 面形收敛比影响 845.3 本章小结 87参考文献 87第6章 离子束修形工艺优化 896.1 定位工艺优化 896.1.1 定位工艺优化方法 896.1.2 定位工艺优化试验 916.2 进给工艺优化 936.3 加工路径优化 966.3.1 等面积增长螺旋线路径 976.3.2 非均匀路径上驻留时间的求解方法 986.4 本章小结 99参考文献 100第7章 光学镜面离子束修形试验 1017.1 试验设备简介 1017.2 Φ100mm平面镜修形试验 1027.2.1 样镜1修形试验 1027.2.2 样镜2修形试验 1067.2.3 样镜3修形试验 1107.3 SiC异型平面镜修形 1137.4 Φ200mm球面镜修形 1177.5 Φ200mm抛物面镜修形 1207.5.1 **阶段修形 1227.5.2 第二阶段修形 1247.6 本章小结 127参考文献 128第8章 离子束修形装备 1298.1 离子束修形加工布局 1298.1.1 工件倒挂式加工布局 1298.1.2 工件侧立式加工布局 1318.2 离子束修形高精度工件定位 1388.2.1 基于三坐标测头和法拉第杯的离子束修形高精度工件定位 1388.2.2 任意面形位姿检测 1398.3 本章小结 140第9章 总结与展望 1419.1 全书总结 1419.2 研究展望 141附录 驻留时间求解 143
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第1章绪论 1.1研究背景与意义 光学镜面的精度是光学系统整体性能的关键参数之一。随着科学技术的发展，各种应用领域的光学系统对光学镜面的精度要求越来越高，特别是武器装备、太空观测、光学遥感、激光核聚变、半导体光刻、医疗影像等领域对光学镜面的精度提出了近乎苛刻的要求[1-3]，使光学镜面的高精度加工面临严峻挑战。 高精度光学元件在军事上的应用非常广阔，美国发展的一些军事激光项目，如陆基激光武器（ground-based laser，GBL）、空基激光武器（airborne laser，ABL）、天基激光武器（space-based laser，SBL）、空间中继镜系统（aerospace relay mirror system，ARMS）等，都要求光学元件具有非常高的精度。各种导弹、卫星、飞机等也需要大量的高精度光学元件，而且越来越普遍地采用非球面光学元件或保形光学元件（conformal optics）[5，6]。战斗机、直升机的瞄准镜以及导弹的瞄准窗口如果使用保形光学元件，则能提高空气动力学性能、扩大视场，但是保形光学元件由于面形梯度大，加工非常困难，一般的抛光方法难以胜任。 太空探索中的高精尖端仪器对光学元件的精度要求也非常高，以激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）和室女座引力波天文台（Virgo）为例（LIGO项目是由美国国家科学基金资助的引力波探测科研项目；Virgo是法国、意大利联合建造的“室女座”激光干涉仪引力波观测站），LIGO干涉仪光学主镜大小为800mm，表面形状精度要求为λ/600（1.0nm，λ=632.8nm）；Virgo干涉仪光学主镜大小为1350mm，表面形状精度要求为λ/200（3.2nm）。 激光惯性约束核聚变装置需要用到大量的高精度光学元件[8，9]，以美国激光惯性约束聚变（inertial confinement fusion，ICF）工程的“国家点火装置”（national ignition facility，NIF）为例，整个装置的光学系统使用了7000多件大口径光学零件。镜面上高、中、低各频段误差对成像质量影响不一样：镜面的低频面形误差使得成像扭*变形，引入各种成像误差；镜面的中频误差使光线发生小角度散射，从而使得所成像产生耀斑（flare），影响像的对比度；镜面的高频误差使光线发生广角散射，从而影响光通量，降低镜面的反射率[11]。据此，NIF光学元件面形误差被划分为3个空间波段[12]，其中空间波长大于33mm的为低频段（low spatial frequency range，LSFR），波长在0.12mm到33mm之间的为中频段（mid spatial frequency range，MSFR），波长小于0.12mm的为高频段（high spatial frequency range，HSFR），并对每一频段误差都有严格要求。为了评价各频段的误差是否满足要求，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）提出了以功率谱密度（power spectral density，PSD）特征*线（character curve）对光学表面进行评价的新方法，要求NIF光学元件的功率谱线都在特征*线之下[13，14]。 目前正在发展的下一代大规模集成电路制作技术——EUVL技术中的极紫外反射光学元件，对加工更是提出了非常严峻的挑战[15]。由于极紫外光的波长很短，根据成像系统的成像规律，一个系统若要达到衍射极限下的分辨率，系统的整体波前误差的均方根值需要小于λ/14[16]。若极紫外光刻的工作波长是13nm，在6块镜子组成的极紫外光刻物镜中，如图1.1所示，分配到每个面上的低频范围（空间波长大于1mm）内的面形误差均方根值只有0.25nm，相应的中频范围（空间波长在1μm到1mm）内的误差的均方根值要小于0.2nm，高频范围（空间波长小于1μm）内的误差的均方根值要小于0.15nm。可以看出：极紫外光刻系统中镜面的任一频段误差精度要求都已经超过目前传统确定性抛光加工的极限，高精度光学镜面的加工问题成为限制极紫外光刻技术发展的瓶颈之一。 现代光学系统对光学元件的精度要求越来越高的同时，对光学元件的数量需求也在急剧增加。手工研抛远远不能满足需求，随着计算机技术的发展，现代发展起来的以CCOS技术为代表的确定性抛光技术，虽然能大大提高加工效率，但是仍然不能满足加工要求，主要是加工精度低、面形收敛慢、容易产生中高频误差、存在边缘效应等。 离子束修形利用离子源发射的离子束轰击光学镜面时发生的物理溅射效应，达到去除光学元件表面材料的目的。离子束修形工艺*特的材料去除方式，使离子束修形工艺具有原子量级加工精度、无边缘效应、去除函数稳定、面形收敛快等优点。这些优点使离子束修形成为解决高精度光学镜面特别是高精度非球面加工的有效方法。 1.2国内外研究现状 1.2.1光学镜面抛光方法 光学镜面，特别是光学非球面的加工过程中，一般需要对镜胚（blank）先后进行铣磨（milling）、研磨（lapping）、抛光（polishing）和修形（figuring）四道工序。 抛光的目的是降低表面粗糙度，使表面粗糙度达到光学镜面的要求。修形是光学镜面加工的*后一道工序，目的是使抛光好的光学镜面达到所需要的非球面形。由于大部分抛光工艺同样也可以作为修形工艺，所以抛光和修形常常统称为抛光。当“抛光”和“修形”并列出现时，抛光仅指降低表面粗糙度的工艺过程，当“抛光”一词单*使用且无特别说明时，泛指整个光学镜面的抛光、修形过程，很多时候也仅指修形过程。由于本书主要研究光学镜面修形工艺，因此在下文中，如无特殊说明，抛光一般仅指修形过程。 传统的光学镜面抛光，特别是非球面的抛光，主要依赖于有经验技师的手工抛光。手工抛光方法面形收敛慢、加工周期长、效率低、劳动强度大，而且不能保证加工精度。随着光学镜面的精度要求越来越高，需求量越来越大，传统的手工抛光已经不能满足光学元件的加工要求。 随着计算机技术的发展，从20世纪70年代开始，出现了以CCOS为代表的确定性抛光技术，一般采用比工件小得多的抛光工具，在每一时刻只对光学镜面的一个局部区域（子孔径）进行抛光，在计算机的控制下，以特定的路径和速度在光学镜面上运动，如图1.2所示，通过控制每一区域内的驻留时间来控制光学元件表面的材料去除量，以达到修正面形误差，提高面形精度的目的。 图1.2确定性抛光工艺修形原理 确定性抛光的抛光效率或能力用抛光盘在单位时间内对工件表面的材料去除量来表示，定义为去除函数p(x，y)。假定去除函数p(x，y)是稳定的，即不随时间和空间而改变，那么当加工过程中的抛光盘在整个光学镜面上的驻留时间分布密度函数（简称驻留时间函数或驻留函数）为τ(x，y)时，加工过程中从镜面上去除的材料量分布函数r(x，y)为去除函数与驻留函数的二维卷积[18]，即 或简写为 r(x，y)=τ(x，y)？p(x，y) 其中，*表示卷积运算。 如果去除量函数的单位使用，去除函数的单位使用，坐标x和y的单位使用，那么驻留时间函数的单位为，表示每平方毫米上抛光盘驻留的时间。 确定性抛光的工艺流程一般如图1.3所示：*先，对待加工的光学元件表面进行面形测量，计算出面形误差；然后，判断面形误差是否满足要求，如果不满足要求则需要进行加工；此时，根据面形误差和已经获得的去除函数计算驻留时间；之后，根据驻留时间和预先设定的加工路径，生成数控加工代码，进行确定性抛光加工。加工完成后还需要检测加工后的面形，以检验加工后的面形残留误差是否满足要求。如果满足，则完成加工工艺，停止加工；如果不满足要求，则还需要进行下一次迭代加工。 确定性抛光以抛光盘的定量材料去除方式代替手工抛光的定性材料去除方式，从而能提高光学镜面的面形收敛比（面形收敛比定义为加工前后的面形精度之比，通常用面形误差的均方根[root mean square，RMS]值之比），提高抛光效率。目前，确定抛光技术除了*早且广泛应用的CCOS技术外，还有应力盘抛光（stressed-lap polishing，SLP）技术、磁流变抛光（magnetorheological finishing，MRF）技术、液体射流抛光（fluid jet polishing，FJP）技术和IBF技术等。 1.计算机控制光学表面成形 计算机控制光学表面成形（CCOS）的思想是由美国Itek公司的Rupp在20世纪60年代初期*先提出的[19]。CCOS过程的材料去除速率与抛光盘和镜面之间的压力和相对运动速度有关，可用Preston方程建模计算，抛光盘与镜面接触点处的材料去除速率u为 u=kpv(1.2) 其中，p为接触点的压力，v为接触点的相对运动速度，k为Preston常数，k与零件材料、抛光剂和抛光盘种类等工艺条件有关。根据Preston原理，通过控制抛光过程中的压力或速度可以改变抛光过程中的去除函数。 20世纪70年代初至80年代中前期，CCOS技术处于初始阶段。在这期间，美国Itek公司的Aspden等[20]对CCOS的数学模型和材料去除机理做了开创性的研究；Perkin-Elmer公司的Jones在计算机模拟和加工设备的优化方面做了大量工作[21-23]，并设计完成了世界上**台CCOS机床，为美国空军加工出一块500mm、f/3.5的抛物面反射镜，面形精度达到0.04μmRMS，表面粗糙度小于5nm，总加工周期为3个月。Jones对CCOS工艺进行了广泛试验，加工出了以金属或玻璃为材料的平面、非球面、轻薄型、离轴式等多种类型的高难度光学元件[24-26]。 到了20世纪80年代中后期，随着计算机技术和精密测量技术的飞速发展，CCOS技术也得到了进一步的完善[27-31]，具有代表性的例子是美国哈勃空间望远镜的2.4m主镜的成功研制，Perkin-Elmer承担了**块轻型主镜的加工，最终面形达到了12nmRMS[32]。法国和俄罗斯也相继研制出了各自的CCOS设备：法国空间光学制造中心（Research and Development of Optical Systems and Components，REOSC）使用CCOS技术成功地加工了8m的甚大望远镜（very large telescope，VLT），如图1.4所示，面形精度RMS值达到了8.8nm，远远优于要求的35nm指标[33]；俄罗斯Vavilov国家光学研究所研制的AD-250～AD-4000系列抛光机可以加工尺寸250mm～4000mm的各类非球面镜，加工精度达到λ/18RMS[34，35]。 进入21世纪，CCOS技术向高效、低耗、非专家可操作方向发展，并与应力盘抛光、离子束修形等技术一起，联合解决非球面制造领域中的新材料、新工艺等问题。美国Tinsley实验室持续研究CCOS技术多年，每月可生产高质量非球面光学零件100余片。2006年，Tinsley实验室仅用3个多月时间就完成
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