在高能、高功率激光系统光路中的超光滑光学元件上的高反射薄膜表面出现污染时, 会导致光学元件的损伤, 激光透过率下降, 影响激光传输质量, 并降低光学元件的损伤阈值, 制约系统的负载能力和高通量稳定运行能力。为了尽可能减少元件表面污染物的沉积, 对污染物沉积特性进行研究显得尤为重要。对密闭玻璃腔中超光滑元件表面的污染物沉积特性进行了研究, 利用原子力显微镜和傅里叶红外光谱仪对不同手段处理后的样品进行测试和分析, 实验结果表明, 随着放置时间的增加, 表面污染物的沉积越来越多。这种污染物中可能含有—NH化学键, 会引起超光滑元件表面粗糙度的变化, 可以使用酒精、丙酮或铬酸清洗, 或者氧气氛围中等离子体放电等手段有效去除, 但高温烘烤对污染物的消除没有明显的效果。根据上述实验结果, 结合光学元件加工流程的综合分析, 认为造成零件表面污染的原因是光学元件加工过程中残留的物质, 在真空环境下缓慢释放所致。因此, 对于洁净度要求极高的超光滑光学原件, 在加工过程中尽可能地使用容易被简单溶剂消除的辅料, 并在完成加工后减少贮存时间, 尽快进入清洗工序, 可以有效提升光学元件洁净度。

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。

为了去除超光滑玻璃表面的纳米级颗粒, 利用白光干涉仪和原子力显微镜对普通湿法清洗和氢氟酸(HF)清洗后的超光滑抛光样件进行检测, 研究了氢氟酸对纳米级颗粒的清洗效果。研究表明, 在普通湿法清洗后, 增加浓度为2%(V/V)的氢氟酸清 洗10 min以上, 可以有效去除超光滑玻璃表面残留的纳米级颗粒。

为了实现对工件表面的超精密抛光, 建立了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工系统。对不同型腔结构的两种喷嘴的光耦合纳米颗粒胶体射流抛光的流体动力学特性、抛光工艺、超光滑表面形貌特性进行了研究。首先, 根据光-液耦合要求设计了锥柱和余弦光液耦合喷嘴。接着, 对所设计的两种光液耦合喷嘴进行了非淹没射流三相流仿真, 对比分析了纳米颗粒的流动径迹及流场分布情况。然后, 用TiO2纳米颗粒胶体作为抛光液, 用两种喷嘴对同一单晶硅工件分别进行了光耦合射流抛光试验。最后, 对抛光前后的表面进行了表征及对比分析。结果表明: 相同条件下余弦喷嘴获得的流动速度(20.73 m/s)和动压力(2.5 MPa)均高于锥柱喷嘴的流动速度(7.12 m/s)和动压力(0.2 MPa), 纳米颗粒在余弦喷嘴内的平均停留时间(0.005 s)比锥柱喷嘴的平均停留时间(0.023 s)更短。相同参数下余弦喷嘴射流抛光后的工件表面粗糙度(Rq=0.810 nm, Ra=0.651 nm)更低。光耦合纳米颗粒胶体射流抛光中利用余弦喷嘴可获得比锥柱喷嘴更低的表面粗糙度。

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.

为了实现亚纳米级超光滑表面的加工, 建立了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工系统, 同时研究了加工过程中纳米颗粒与工件表面间的相互作用机理。首先, 对实验所用锐钛矿TiO2纳米颗粒及单晶硅工件表面进行表征测量。然后, 用第一性原理的平面波赝势计算方法研究了纳米颗粒胶体射流加工中TiO2分子团簇在单晶硅表面化学吸附的表面构型结构及其体系能量。最后, 开展了TiO2纳米颗粒及单晶硅工件表面间的吸附实验。实验结果表明: 胶体中的OH基团在TiO2团簇表面及单晶硅表面分别发生化学吸附, 在TiO2纳米颗粒及单晶硅表面吸附过程中形成了新的Ti-O-Si键及化学吸附的H2O分子。红外光谱实验结果显示:TiO2纳米颗粒与单晶硅界面间存在新生成的Ti-O-Si键。这种界面间的相互作用证实了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光过程可实现材料去除的化学作用机理。