基于材料彈性域去除的超光滑表面加工關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)光學(xué)元件表面質(zhì)量的要求不斷提高。以極紫外光刻技術(shù)為例，不僅要求光學(xué)元件的表面粗糙度達(dá)到原子級(jí)水平，同時(shí)還要求表面無(wú)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(yīng)力層等問(wèn)題。能否突破零缺陷超光滑表面加工技術(shù)，改進(jìn)目前工藝流程，從而滿足現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)飛速發(fā)展對(duì)超光滑表面的需求，是本課題研究關(guān)注的核心。將

2、材料去除過(guò)程控制在基體材料的彈性區(qū)域，即去除過(guò)程僅對(duì)光學(xué)元件產(chǎn)生彈性擾動(dòng)，材料去除過(guò)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(guān)系就不會(huì)發(fā)生改變，那么加工過(guò)程將不會(huì)產(chǎn)生新的劃痕和應(yīng)力等缺陷，零缺陷超光滑表面加工就有可能實(shí)現(xiàn)。
　　本文對(duì)基于光學(xué)材料彈性域去除的超光滑表面加工方法進(jìn)行了研究。深入探討了界面化學(xué)吸附過(guò)程中光學(xué)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(xì)設(shè)計(jì)了彈性域流體動(dòng)壓超光滑加工裝置以實(shí)現(xiàn)

3、光學(xué)材料彈性域去除；重點(diǎn)研究了加工過(guò)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(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)不同應(yīng)用需求，開展相關(guān)加工實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的超光滑表面加工能力。論文主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　1.光學(xué)材料彈性域去除機(jī)理研究。首先，從納米拋光顆粒與光學(xué)元件表面的界面化學(xué)吸附過(guò)程入手，揭示光學(xué)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(xué)元件表面的力學(xué)接觸模型，從而確定光學(xué)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(duì)鍵能弱化規(guī)律及彈性域臨界條件進(jìn)行驗(yàn)證，從而證明光學(xué)材料彈性域去除的可行性。最后，對(duì)不同類型的納米拋光顆粒的材料去除特性進(jìn)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(dòng)壓超光滑加工裝置設(shè)計(jì)。一方面，基于流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論和流體動(dòng)力學(xué)仿真，在彈性域去除條件的約束下，提出了一種流體動(dòng)壓超光滑加工方法；另一方面，設(shè)計(jì)了流體動(dòng)壓超光滑加工的原型裝置，重點(diǎn)對(duì)拋光頭結(jié)構(gòu)和高精度拋光輪進(jìn)行優(yōu)化了設(shè)

5、計(jì)。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(yīng)對(duì)超光滑加工的影響，并通過(guò)樣件加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置的超光滑加工能力。
　　3.流體動(dòng)壓超光滑加工的加工特性研究。其一，通過(guò)理論分析和具體實(shí)驗(yàn)建立了流體動(dòng)壓超光滑加工的三維材料去除模型，其材料去除受流體動(dòng)壓和流體剪切力共同作用影響；其二，對(duì)流體動(dòng)壓超光滑加工過(guò)程中表面形貌的演變規(guī)律進(jìn)行了研究，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果利用流體動(dòng)力學(xué)仿真分析了表面缺陷的方向性對(duì)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(shù)對(duì)加工前后表面和亞表面質(zhì)量進(jìn)行了分析，結(jié)果表明加工表面光滑無(wú)亞表面損傷。
　　4.流體動(dòng)壓超光滑加工工藝規(guī)律研究。一方面，研究了流體動(dòng)壓超光滑加工中不同工藝參數(shù)對(duì)材料去除速率的影響，根據(jù)分析結(jié)果提出了實(shí)現(xiàn)超光滑表面加工的最佳工藝參數(shù)；另一方面，對(duì)加工表面微細(xì)拋光紋路的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析，根據(jù)其產(chǎn)生機(jī)理提出了不同拋光紋路抑制策略，并通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)對(duì)策略的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　5.流體動(dòng)壓超光

7、滑表面加工實(shí)驗(yàn)。首先，對(duì)不同材料流體動(dòng)壓超光滑表面的可加工性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探索，提出了滿足超光滑表面加工材料應(yīng)具有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；其次，針對(duì)離子束和磁流變拋光兩種先進(jìn)技術(shù)加工的光學(xué)元件表面，進(jìn)行了超光滑加工實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明流體動(dòng)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(jí)超光滑水平；然后，對(duì)圓形平面鏡進(jìn)行了全頻域誤差控制實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：流體動(dòng)壓超光滑加工對(duì)低頻面形精度具有優(yōu)良的保持性能，對(duì)中高頻表面粗