光学玻璃以其优异的物理性能被广泛应用于航天、信息、能源、化工、微电子等领域。随着这些领域的不断发展,传统技术已无法满足日新月异的光学元件超光滑表面加工的要求。为此,需要针对光学玻璃表面的超精密抛光加工展开深入且广泛的研究。在诸多有关超精密抛光加工技术的研究中,光学玻璃材料的抛光去除机理始终是人们的研究重点。为此,本文从超抛加工涉及的基本组件、材料去除的物理机理、材料去除的化学机理三个方面入手,对光学玻璃超精密抛光加工中材料去除机理进行综述,目的是掌握国内外学术界对于该问题的认识,并据此提出若干问题的思考,以期指导工程实践,进一步提升超光滑表面的成形能力。

钛宝石晶体是超强、超短脉冲激光振荡源广泛采用的工作物质,其口径大小和表面全频域波面误差决定了超短、超强激光系统的输出能量和光束质量,然而由于大口径钛宝石晶体光学均匀性差及硬度高的特点,其实现高精度透射波前和超光滑表面加工很具挑战性。针对这一问题,设计了线偏振干涉光源检测方法,解决了钛宝石晶体双折射导致的透射波前检测干涉条纹无法解析的问题;基于对钛宝石晶体材料光学均匀性的检测分析,发展了基于单轴机的透射波前快速抛光收敛工艺;通过正交实验和灰关联分析法,利用小磨头抛光工艺实现了钛宝石晶体高精度透射波前低频误差和超光滑表面高频误差的加工;为改善中频误差,发展了基于硅溶胶抛光液的小磨头中频误差光顺工艺。实验结果表明:多手段组合的加工工艺可以实现大口径钛宝石晶体全频域透射波前误差的有效控制,针对直径为120 mm的钛宝石样件,透射波前峰谷值可达0.283λ(λ=632.8 nm),中频功率谱密度无明显的特定频段调制误差,高频表面粗糙度Rq约为0.262 nm,可达到超光滑量级。

零件表面形貌是工件在不同加工过程中形成的结果。通过对表面疵病宏观与微观形貌研究,以实现对加工过程中产生疵病源头准确定位与控制。依据超光滑表面疵病特点,提出了有针对性的疵病两步测量法,设计了激光辅助显微镜检测设备检测疵病的形状、位置及方向等宏观特征;再采用白光干涉仪和原子力显微镜对这一疵病进行了深入的微观形貌检测,实现了对最大深度0.1 μm疵病的检测。两步测量法可以有效地控制并检测超光滑表面的疵病。

采用射频磁控溅射技术在RB-SiC表面沉积Si平坦化层, 通过正交试验研究了射频功率、Ar流量和工作气压三个因素对薄膜表面质量和形貌的影响规律, 以获取最佳的薄膜沉积参数.射频功率120 W、工作气压1.2 Pa和Ar流量40 sccm条件下获得了最佳质量的平坦化样品, 利用电感耦合等离子体对平坦化膜层进行刻蚀抛光, 通过Lambda950分光光度计测试不同工艺阶段样品表面的反射率.结果表明, 相比于未处理的RB-SiC初始样品, 经过平坦化和等离子体刻蚀的样品表面粗糙度标准差值由1.819 nm减小至0.919 nm, 样品表面反射率相应地提高了2%.由此说明射频磁控溅射平坦化沉积与电感耦合等离子体刻蚀的组合工艺可实现RB-SiC表面的高质量加工.

从传统光学冷加工的原理出发,分析了传统接触式加工方法中抛光剂与材料去除深度的理论关系,设计了微晶玻璃超光滑抛光过程中的抛光剂选型试验。通过比较基片的表面质量,摸索出适合微晶玻璃超光滑抛光的最佳抛光剂为金刚石微粉,成功加工出了超光滑微晶光学元件,其表面粗糙度达到0.2 nm。

介绍了掠入射X射线散射法(GXRS法)测量超光滑表面的原理及基于商业用X射线衍射仪改造而成的实验装置。以3片不同粗糙度的硅片作为实验样品，分别应用一级矢量微扰理论和改进的Harvey-Shack理论对其散射分布进行处理，所得结果与原子力显微镜测量结果基本相符。分析了探测器接收狭缝的宽度和入射光发散度对实验结果的影响，随着探测器接收狭缝宽度和入射光发散度的减小，测量误差呈指数迅速减小。在所测量的空间频率范围内，功率谱密度（PSD）函数的误差随频率的增加而减小。

介绍了掠入射X射线散射法(GXRS)测量超光滑表面的原理及基于商业用X射线衍射仪改造而成的实验装置。选择3片不同粗糙度的硅片作为实验样品，根据一级矢量微扰理论对各个样品所测量的散射分布进行处理。结果表明，GXRS法得到的样品功率谱密度函数(PSD)与使用原子力显微镜(AFM)所测量的结果基本相符。分析了探测器接收狭缝的宽度和入射光发散度对实验结果的影响，结果表明，在其他实验条件理想的情况下，当探测器接收狭缝宽度＜0.02 mm，入射光发散度＜43″时，在空间频率＞0.03 μm-1的范围内，由其引起的PSD函数测量误差＜2%。随着探测器接收狭缝宽度和入射光发散度的减小，测量误差呈指数迅速减小。在所测量的空间频率范围内，PSD函数的误差随频率的增加而减小,仪器的重复精度优于2.6%。

通过对射频功率、反应室压强和处理时间等参量进行实验,系统研究了等离子体处理对基片表面状态的影响.结果表明,等离子体处理可以溅射去除加工变质层,降低表面粗糙度,提高基片表面洁净度和表面能.优化后的参量证实,经等离子处理的基片比未经等离子体处理的基片镀膜后损耗平均降低34.2 ppm,并且显示出良好的一致性.

传统的抛光LBO晶体的方法是选用金刚石抛光粉在沥青抛光盘上抛光。沥青盘易于变形不容易修整，金刚石粉特别硬容易损伤抛光晶体表面。抛光过程中，抛光盘和抛光粉的选择是非常重要的，直接影响到抛光效率和最终的表面质量。新的抛光LBO晶体的方法，其抛光过程是一个化学机械过程，抛光盘、抛光粉和抛光材料相互作用。选用两种抛光盘(培纶和聚氨酯盘)，三种较软的抛光磨料(CeO₂，Al₂O₃和SiO₂胶体)，并在LBO晶体的(001)面进行抛光实验。用原子力显微镜测量和分析了表面粗糙度。结果表明，使用聚氨酯盘和SiO₂胶体能够获得无损伤超光滑的LBO晶体表面，其表面粗糙度的RMS为0．3nm。