基于材料彈性域去除的超光滑表面加工關鍵技術研究.pdf

1、現(xiàn)代光學技術的發(fā)展對光學元件表面質(zhì)量的要求不斷提高。以極紫外光刻技術為例，不僅要求光學元件的表面粗糙度達到原子級水平，同時還要求表面無任何缺陷近乎晶格完美。然而，傳統(tǒng)以塑性域范圍內(nèi)材料去除為主的超光滑表面加工方法雖然容易在一定程度上獲得較低的表面粗糙度，但難以避免表面和亞表面損傷、加工變質(zhì)層以及殘余應力層等問題。能否突破零缺陷超光滑表面加工技術，改進目前工藝流程，從而滿足現(xiàn)代光學系統(tǒng)飛速發(fā)展對超光滑表面的需求，是本課題研究關注的核心。將

2、材料去除過程控制在基體材料的彈性區(qū)域，即去除過程僅對光學元件產(chǎn)生彈性擾動，材料去除過程不使基體材料產(chǎn)生塑性變形，加工后表面原子排布的相互位置關系就不會發(fā)生改變，那么加工過程將不會產(chǎn)生新的劃痕和應力等缺陷，零缺陷超光滑表面加工就有可能實現(xiàn)。
　　本文對基于光學材料彈性域去除的超光滑表面加工方法進行了研究。深入探討了界面化學吸附過程中光學元件表層原子鍵能弱化的規(guī)律，以及彈性域去除的臨界條件；詳細設計了彈性域流體動壓超光滑加工裝置以實現(xiàn)

3、光學材料彈性域去除；重點研究了加工過程中材料去除特性、加工工藝優(yōu)化以及材料的可加工性等關鍵問題。針對不同應用需求，開展相關加工實驗，驗證了該方法的超光滑表面加工能力。論文主要研究內(nèi)容如下：
　　1.光學材料彈性域去除機理研究。首先，從納米拋光顆粒與光學元件表面的界面化學吸附過程入手，揭示光學元件表層不同位置原子鍵能的弱化規(guī)律。其次，建立納米拋光顆粒與光學元件表面的力學接觸模型，從而確定光學元件表面的彈性域臨界條件。然后，以納米顆粒

4、射流拋光為主要手段，對鍵能弱化規(guī)律及彈性域臨界條件進行驗證，從而證明光學材料彈性域去除的可行性。最后，對不同類型的納米拋光顆粒的材料去除特性進行研究，為后續(xù)研究選擇合適的納米拋光顆粒提供理論依據(jù)。
　　2.彈性域流體動壓超光滑加工裝置設計。一方面，基于流體動壓潤滑理論和流體動力學仿真，在彈性域去除條件的約束下，提出了一種流體動壓超光滑加工方法；另一方面，設計了流體動壓超光滑加工的原型裝置，重點對拋光頭結(jié)構和高精度拋光輪進行優(yōu)化了設

5、計。另外，分析了影響拋光輪旋轉(zhuǎn)精度的主要因素和熱膨脹效應對超光滑加工的影響，并通過樣件加工實驗驗證了該裝置的超光滑加工能力。
　　3.流體動壓超光滑加工的加工特性研究。其一，通過理論分析和具體實驗建立了流體動壓超光滑加工的三維材料去除模型，其材料去除受流體動壓和流體剪切力共同作用影響；其二，對流體動壓超光滑加工過程中表面形貌的演變規(guī)律進行了研究，基于實驗結(jié)果利用流體動力學仿真分析了表面缺陷的方向性對超光滑表面加工能力的影響；其三，

6、利用氫氟酸(HF)刻蝕和納米壓痕技術對加工前后表面和亞表面質(zhì)量進行了分析，結(jié)果表明加工表面光滑無亞表面損傷。
　　4.流體動壓超光滑加工工藝規(guī)律研究。一方面，研究了流體動壓超光滑加工中不同工藝參數(shù)對材料去除速率的影響，根據(jù)分析結(jié)果提出了實現(xiàn)超光滑表面加工的最佳工藝參數(shù)；另一方面，對加工表面微細拋光紋路的產(chǎn)生機理進行了分析，根據(jù)其產(chǎn)生機理提出了不同拋光紋路抑制策略，并通過具體實驗對策略的可行性進行了驗證。
　　5.流體動壓超光

7、滑表面加工實驗。首先，對不同材料流體動壓超光滑表面的可加工性進行了實驗探索，提出了滿足超光滑表面加工材料應具有的結(jié)構特點；其次，針對離子束和磁流變拋光兩種先進技術加工的光學元件表面，進行了超光滑加工實驗，實驗結(jié)果表明流體動壓超光滑加工具有明顯的表面質(zhì)量提升能力：加工表面粗糙度Rms接近0.1nm的原子級超光滑水平；然后，對圓形平面鏡進行了全頻域誤差控制實驗，實驗結(jié)果表明：流體動壓超光滑加工對低頻面形精度具有優(yōu)良的保持性能，對中高頻表面粗