亚纳米精度光学表面离子束修形的基础研究

摘要

随着装备性能需求的不断提升，现代光学系统对光学零件面形精度和表面质量的要求几乎接近于物理极限，亚纳米精度表面制造将成为国家未来在光刻技术、同步辐射、空间光学等一系列科学领域的重大需求，代表了纳米精度制造技术的发展前沿。传统光学加工方法在加工精度和加工效率等方面已经无法满足需求，由此出现了许多新型的确定性光学加工技术。其中，基于物理溅射效应的离子束抛光技术以其原子分子量级的材料去除能力得到了国内外学者的广泛关注，被认为是目前最具有亚纳米精度制造潜力的加工技术。然而，在以亚纳米精度为目标的光学制造中，离子溅射与材料的相互作用机理、原子分子量级材料去除的稳定性与可控性、超光滑表面生成机理以及全频段误差一致收敛等关键问题尚待深入研究。因此，开展亚纳米精度光学表面制造的基础研究，系统解决相关的基础理论和关键技术问题，是稳定实现亚纳米精度光学制造的前提，对于推动制造技术的发展具有重要的科学意义，符合国家相关科技领域发展的现实需求。
　　本论文围绕亚纳米精度制造和超光滑表面生成等要求，利用离子束抛光技术，研究亚纳米精度表面生成的方法和规律，揭示制造过程伴生的纳米新现象和新机理，实现全频段误差一致收敛的加工目标，形成自主研发的制造装备、理论和工艺。具体的研究内容包括以下几个方面：
　　(1)研究了离子溅射的数学模型及其作用机理。研究了离子溅射理论和微观表面塑形行为，从本质上揭示了离子溅射对宏/微尺度误差的作用机理；探讨了离子溅射的表面/亚表面低损伤加工特性，研究了材料特性对离子溅射的影响规律；建立了离子束抛光过程中材料去除的多参数模型，实现了亚纳米量级材料的稳定性可控去除，为亚纳米精度制造奠定了理论基础。
　　(2)探索了光学表面亚纳米面形精度的生成理论。研究了误差收敛与离子束抛光工具和工艺条件的映射关系，掌握了亚纳米面形精度生成的条件和规律。通过对抛光工具修形能力、加工系统性能、组合制造工艺技术和面形误差去除方式的优化，实现了光学表面的亚纳米面形精度加工。
　　(3)建立了面向曲面光学零件加工的精确修形理论。研究了曲面零件的亚纳米面形精度制造规律，揭示了抛光过程去除函数的高动态特性，建立了工件几何形状和溅射参数变化条件下的去除函数非线性模型，在此基础上提出了误差精确去除的修形理论，提升了制造过程的准确性和可控性。
　　(4)研究了亚纳米精度制造伴生微结构的产生机理和可调控性。基于离子溅射理论和表面扩散原理，建立了纳米微结构生成的数学模型，揭示了离子溅射诱导微结构生成的机理。通过研究工艺参数、外界污染和材料特性等因素对微结构生成的影响，掌握了微观形貌的演变规律和可调控性原理，为实现光学表面的超光滑加工奠定了基础。
　　(5)探索了超光滑表面的生成规律和加工方法。通过对微观形貌演变理论的研究，掌握了超光滑表面生成的原理和规律，解析了微区材料特性对进一步提升光学表面质量的重要影响，形成了超光滑加工的关键性理论。针对离子溅射容易产生微结构的微晶材料，提出了材料添加和去除结合的光学加工新方法，建立了相关的理论模型和加工工艺，有效地解决了此类特殊材料的超光滑加工难题。
　　(6)研究了全频段误差一致收敛到亚纳米量级精度的组合加工工艺。提出了磁流变抛光、光顺抛光和离子束抛光的组合加工工艺，研究了相关抛光技术在不同频段误差收敛中的互补性关系，利用自主研发的制造装备、理论和工艺实现了典型光学零件的亚纳米精度制造，为国家相关科技项目的顺利实施提供有力的制造技术支撑。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题来源与研究背景

1.2 国内外发展现状概述

1.3 研究思路与主要内容

第二章 离子溅射的数学模型及其作用机理研究

2.1 光学表面离子溅射的数学模型

2.2 离子溅射的多尺度作用机理研究

2.3 离子溅射对表面材料的作用特性

2.4 材料特性对离子溅射的影响规律研究

2.5 本章小结

第三章 光学表面亚纳米面形精度生成理论研究

3.1确定性离子束修形的基础理论

3.2 亚纳米面形误差的强关联性分析

3.3 面形误差收敛的影响规律研究

3.4 高性能离子束加工系统的优化

3.5亚纳米面形精度组合制造工艺研究

3.6 亚纳米面形精度制造的材料优化去除

3.7 本章小结

第四章 面向曲面光学零件的精确修形理论

4.1 曲面光学零件加工方式研究

4.2 现有材料去除模型的问题分析

4.3 离子束去除函数的非线性建模

4.4 材料确定性去除的精确模型

4.5 材料去除模型的对比性实验研究

4.6 本章小结

第五章 亚纳米精度制造伴生微结构机理与可调控性研究

5.1 表面伴生的微纳结构现象

5.2 表面微观形貌演变的基本理论

5.3 表面伴生微纳结构生成的规律

5.4 表面微纳结构的生成机理

5.5 本章小结

第六章 超光滑表面生成规律与加工方法研究

6.1 超光滑表面生成机理与规律

6.2材料微区特性的影响机理

6.3 特殊材料的超光滑表面生成方法与工艺

6.4 本章小结

第七章 亚纳米面形精度制造的工程应用研究

7.1 亚纳米精度制造的组合工艺路线

7.2 亚纳米精度表面的误差检测与评价

7.3亚纳米精度光学表面制造实例

7.4本章小结

第八章 总结与展望

8.1 全文总结

8.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果