在离子束抛光工艺过程中, 材料确定性去除特性对预测光学元件的各工位材料去除量和驻留时间具有极其重要的作用。采用射频离子源对熔石英光学元件的离子束刻蚀特性进行了研究, 利用ZYGO激光干涉仪获得准确的去除函数, 系统分析了气体流量、屏栅电压、离子束入射角和工作距离等因素对熔石英去除函数的影响, 并分析了各单一工艺因素微小扰动时, 材料峰值去除率、半高宽和体积去除率的相对变化率。实验结果表明, 相同工作真空条件下, 工作气体质量流量的微小变化对去除函数影响极小, 在典型的工艺条件下, 屏栅电压在±5 V、离子束入射角±1°、工作距离在±0.5 mm范围内变化时, 熔石英峰值去除率、体积去除率和峰值半高宽的相对变化均小于5%, 去除函数具有较好的确定性和稳定性。

针对大口径离轴非球面系统加工与装调的难点, 提出了非球面光学系统共基准加工与检测的方法, 对该方法的基本原理和实现过程进行了分析和研究。当光学系统的主镜和第三镜面形的RMS值优于λ/10(λ=632.8 nm)时, 对主镜和第三镜进行共基准装调和测试, 并进行背板一体化装嵌, 然后利用离子束对其进行一体化共基准加工。结合工程实例, 对一大口径非球面系统口径为724 mm×247 mm的非球面主镜和口径为632 mm×205 mm的第三镜进行了共基准加工与检测, 最终利用离子束共基准一体化精抛光得到主镜和第三镜面形的RMS值分别为0.019λ和0.017λ, 满足光学成像。

为了满足空间同轴三反相机对大口径凸非球面高精度的面形质量和精确的几何参数控制要求, 提出以计算机控制确定性研抛工艺为核心的多工序组合加工及检测技术。在加工阶段, 首先利用超声振动磨削技术对非球面进行面形铣磨, 其次应用机器人对非球面面形进行快速研磨和粗抛, 最后采用离子束修形技术实现非球面的高精度加工; 在检测阶段, 首先利用三坐标测量机对铣磨和研磨过程中非球面的面形及几何参数进行控制, 进入干涉仪测量范围后, 再采用Hindle球法对非球面光学参数进行干涉检测。结合工程实例, 对一口径520 mm的凸双曲面次镜进行了加工及检测, 其面形精度RMS为0.015λ(λ=632.8 nm), 几何参数控制精度ΔR误差为0.1 mm、ΔK优于0.1%, 满足光学设计技术指标要求。

针对小特征尺寸连续位相板中频段成分分布广、误差梯度大的面形特点, 分析了离子束修形技术加工连续位相板过程中影响加工精度的几种因素, 包括扫描步距、材料去除方式、定位精度和材料去除量求解。分析指出: 根据采样定理确定去除函数的扫描步距可实现对不同尺寸特征单元的有效加工; 进一步优化材料去除方式能够确保修形过程中驻留时间的平稳运行, 实现全频段误差一致收敛。另外, 采用面形匹配方法对测量误差进行校正实验, 可获取准确的面形材料去除量; 而采用提高去除函数定位精度的方法可显著提升小尺寸特征单元的加工精度。基于研究结果, 在消除各种工艺误差的基础上, 采用离子束修形技术对特征尺寸小至1.5 mm, 面形峰谷值小于200 nm, 面形梯度高至1.8 μm/cm的连续位相板进行了高精度加工, 结果显示: 加工面形与理论面形的匹配精度达到8.1 nm (RMS), 证实了误差分析的准确性。

考虑用CaF2材料制作投影光刻物镜可以明显提高其性能指标, 本文研究了CaF2材料加工工艺的全流程, 以实现CaF2材料的全频段高精度加工。首先, 利用沥青抛光膜和金刚石微粉使CaF2元件有较好的面形和表面质量。然后, 优化转速、抛光盘移动范围、压力等加工工艺参数, 并使用硅溶胶溶液抛光进一步降低CaF2元件的高频误差, 逐渐去除加工中产生的划痕并且获得极小中频误差(Zernike残差)和高频粗糙度。 最后, 在不改变CaF2元件高频误差的同时利用离子束加工精修元件面形。对100 mm口径氟化钙材料平面进行了加工和测试。结果表明: 其Zernike 37项拟合面形误差RMS值可达0.39 nm, Zernike残差RMS值为0.43 nm, 高频粗糙度均值为0.31 nm, 实现了对CaF2元件的亚纳米精度加工, 为研发高性能深紫外投影光刻物镜奠定了良好基础。

研究了三轴离子束系统抛光大口径高陡度离轴非球面过程中镜面曲率变化对离子束抛光去除函数的影响。提出了利用修正矩阵修正各驻留点处的去除函数信息, 进而实现对高陡度离轴非球面高精度抛光的方法。该方法通过对离轴非球面进行坐标转换来降低陡度变化对去除函数的影响; 基于Sigmund溅射理论分析离子束抛光非球面材料的去除率, 建立离子束抛光非球面去除函数模型, 计算了材料去除率在非球面各驻留点处的变化。最后, 根据投影原理计算在各驻留点处去除函数的半宽, 得到以驻留点矩阵为基础的去除函数修正矩阵, 从而掌握每一个驻留点处的去除函数信息, 然后根据计算机控制光学表面成形(CCOS)原理解得加工驻留时间分布。选取口径为900 mm×680 mm, 离轴量为350 mm 的离轴体育场型非球面镜进行了抛光实验, 实验显示抛光后非球面镜面形精度的RMS值由32.041 nm达到11.566 nm, 收敛率达 2.77, 对实际加工具有指导意义。

为了验证离子束修正超高陡度镜面的能力，对采用五轴离子束加工超高陡度镜面的问题进行了分析研究和加工实验。根据现有检测条件制定了实验方案并对面形数据进行了处理；对超过机床五轴加工摆轴行程区域的驻留时间进行了补偿；建立了离子束五轴加工后置处理算法，根据该算法编制了数控程序生成软件，并通过实验验证了生成的数控程序的正确性；最后进行了超高陡度镜面的五轴离轴加工实验，经过5 轮迭代加工后，元件面形由初始的峰谷(PV)值为57.983 nm、均方根(RMS)值为9.406 nm，收敛PV 值为11.616 nm、RMS 值为1.306 nm，总收敛比达到7.20。实验结果表明：采用五轴离子束加工超高陡度镜面的方案可行，并且获得了较高的收敛效率和加工精度，同时验证了离子束离轴镜加工的可行性。

为实现纳米级面形精度光学平面镜的高效精密抛光，提出了一种由传统环带抛光技术和先进离子束抛光技术相结合的组合式加工方法。介绍了环带抛光技术和离子束抛光技术的原理，通过实验研究了离子束抛光的材料去除函数，并采用这种组合抛光方法对口径为150 mm的平面镜进行抛光，抛光后平面镜的面形误差和表面粗糙度分别达到1217 nm RMS和0506 nm RMS。实验结果表明，这种组合抛光技术适合纳米级面形精度光学平面镜的加工。

为了研制出高质量光学表面的离轴非球面碳化硅反射镜，提出一套包括铣磨成型、研磨、粗抛光、表面改性以及精密抛光等工序的完备的离轴非球面碳化硅反射镜加工工艺规范。采用Ultrasonic 100-5数控加工机床直接将Φ600 mm碳化硅反射镜铣磨成离轴非球面，铣磨后反射镜面形精度的峰谷(PV)值为17.17 μm。利用计算机控制光学表面成型（CCOS）技术对离轴非球面碳化硅反射镜进行研磨和粗抛光，使其面形精度的均方根(RMS)值达到0.102λ（λ=0.6328 μm）。采用离子束辅助沉积(IBAD)表面改性技术在粗抛光后离轴非球面碳化硅反射镜表面镀制一层厚度约10 μm的硅改性层，并利用先进的离子束抛光(IBF)技术对表面改性离轴非球面碳化硅反射镜进行精密抛光。最终离轴非球面碳化硅反射镜的面形精度和表面粗糙度的RMS值分别达到0.018λ和0.6968 nm。加工结果表明提出的加工工艺规范完备，适用于离轴非球面碳化硅反射镜的加工。

针对光学元件高精度确定性加工，提出并实现了基于自适应步长算法实现离子束抛光轨迹段划分及进给速度求解。首先，对常规的等步长算法实现抛光轨迹段划分所存在的诸多问题进行了重点分析。其次，针对这些问题，提出了等效驻留时间轮廓计算方法及自适应步长算法，有效地避免了等步长法所存在的问题。然后，采用新算法对600 mm平面反射元件进行了实例计算，经加工后，元件98%口径内的面形精度峰谷(PV)值由110.22 nm(λ/5.7，λ=632.8 nm)收敛至4.81 nm(λ/131.6)。最后，基于自研的离子束抛光设备，实现了光学元件在100 mm口径内面形PV值小λ/70的超高面形精度。