基于材料弹性域去除的超光滑表面加工关键技术研究

摘要

现代光学技术的发展对光学元件表面质量的要求不断提高。以极紫外光刻技术为例，不仅要求光学元件的表面粗糙度达到原子级水平，同时还要求表面无任何缺陷近乎晶格完美。然而，传统以塑性域范围内材料去除为主的超光滑表面加工方法虽然容易在一定程度上获得较低的表面粗糙度，但难以避免表面和亚表面损伤、加工变质层以及残余应力层等问题。能否突破零缺陷超光滑表面加工技术，改进目前工艺流程，从而满足现代光学系统飞速发展对超光滑表面的需求，是本课题研究关注的核心。将材料去除过程控制在基体材料的弹性区域，即去除过程仅对光学元件产生弹性扰动，材料去除过程不使基体材料产生塑性变形，加工后表面原子排布的相互位置关系就不会发生改变，那么加工过程将不会产生新的划痕和应力等缺陷，零缺陷超光滑表面加工就有可能实现。
　　本文对基于光学材料弹性域去除的超光滑表面加工方法进行了研究。深入探讨了界面化学吸附过程中光学元件表层原子键能弱化的规律，以及弹性域去除的临界条件；详细设计了弹性域流体动压超光滑加工装置以实现光学材料弹性域去除；重点研究了加工过程中材料去除特性、加工工艺优化以及材料的可加工性等关键问题。针对不同应用需求，开展相关加工实验，验证了该方法的超光滑表面加工能力。论文主要研究内容如下：
　　1.光学材料弹性域去除机理研究。首先，从纳米抛光颗粒与光学元件表面的界面化学吸附过程入手，揭示光学元件表层不同位置原子键能的弱化规律。其次，建立纳米抛光颗粒与光学元件表面的力学接触模型，从而确定光学元件表面的弹性域临界条件。然后，以纳米颗粒射流抛光为主要手段，对键能弱化规律及弹性域临界条件进行验证，从而证明光学材料弹性域去除的可行性。最后，对不同类型的纳米抛光颗粒的材料去除特性进行研究，为后续研究选择合适的纳米抛光颗粒提供理论依据。
　　2.弹性域流体动压超光滑加工装置设计。一方面，基于流体动压润滑理论和流体动力学仿真，在弹性域去除条件的约束下，提出了一种流体动压超光滑加工方法；另一方面，设计了流体动压超光滑加工的原型装置，重点对抛光头结构和高精度抛光轮进行优化了设计。另外，分析了影响抛光轮旋转精度的主要因素和热膨胀效应对超光滑加工的影响，并通过样件加工实验验证了该装置的超光滑加工能力。
　　3.流体动压超光滑加工的加工特性研究。其一，通过理论分析和具体实验建立了流体动压超光滑加工的三维材料去除模型，其材料去除受流体动压和流体剪切力共同作用影响；其二，对流体动压超光滑加工过程中表面形貌的演变规律进行了研究，基于实验结果利用流体动力学仿真分析了表面缺陷的方向性对超光滑表面加工能力的影响；其三，利用氢氟酸(HF)刻蚀和纳米压痕技术对加工前后表面和亚表面质量进行了分析，结果表明加工表面光滑无亚表面损伤。
　　4.流体动压超光滑加工工艺规律研究。一方面，研究了流体动压超光滑加工中不同工艺参数对材料去除速率的影响，根据分析结果提出了实现超光滑表面加工的最佳工艺参数；另一方面，对加工表面微细抛光纹路的产生机理进行了分析，根据其产生机理提出了不同抛光纹路抑制策略，并通过具体实验对策略的可行性进行了验证。
　　5.流体动压超光滑表面加工实验。首先，对不同材料流体动压超光滑表面的可加工性进行了实验探索，提出了满足超光滑表面加工材料应具有的结构特点；其次，针对离子束和磁流变抛光两种先进技术加工的光学元件表面，进行了超光滑加工实验，实验结果表明流体动压超光滑加工具有明显的表面质量提升能力：加工表面粗糙度Rms接近0.1nm的原子级超光滑水平；然后，对圆形平面镜进行了全频域误差控制实验，实验结果表明：流体动压超光滑加工对低频面形精度具有优良的保持性能，对中高频表面粗糙度具有明显的抑制能力；最后，对超光滑加工表面进行的激光诱导损伤阈值初步测试实验表明：随着表面粗糙度降低、表面损伤减少，损伤阈值明显提高。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题来源与研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究的主要内容

第二章 光学材料弹性域去除机理研究

2.1 表层原子键能弱化机制

2.2 光学材料加工弹性接触模型

2.3 弹性域去除机制的实验验证

2.4 不同纳米抛光颗粒的材料去除特性

2.5 本章小结

第三章 弹性域流体动压超光滑加工装置设计

3.1 弹性域流体动压超光滑加工系统的提出

3.2 弹性域流体动压超光滑加工模型的建立

3.3 加工系统关键机构设计

3.4 加工装置的性能测试

3.5 本章小结

第四章 流体动压超光滑加工的加工特性研究

4.1 材料去除模型

4.2 表面形貌演变规律

4.3 表面性能评价

4.4 本章总结

第五章 流体动压超光滑加工工艺规律研究

5.1 工艺参数影响规律

5.2 微细抛光纹路的控制

5.3 本章小结

第六章 流体动压超光滑表面加工实验

6.1 不同材料可加工性的实验探索

6.2 不同前期工艺表面质量提升实验

6.3 圆形平面镜全频域控制实验

6.4 石英玻璃激光诱导损伤阈值提升初步实验

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果