超光滑光学元件文献综述2

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课题：超光滑光学元件表面的加工与检测导师:

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本文主要通过对超光滑光学元件表面的加工与检测技术进行综述。此文首先对超光滑光学元件表面从特点、加工方法、加工原理等进行概述，然后再对超光滑光学元件表面的检测主要从检测工艺流程进行论述总结，最后以典型超光滑学元件中的超环面镜加工与检测为例进行详细论证。

关键字：超光滑磁流体抛光超环面镜

目录：

1.引言 (4)

上篇：超光滑光学元件表面的加工

2.超光滑表面光学元件的特点 (4)

3.超光滑光学表面加工方法概述 (4)

4.典型的一些加工方法原理 (5)

4.1非接触式超光滑抛光原理 (5)

4.2磁流体抛光超光滑光学表面原理 (6)

4.2.1磁流体抛光装置及磁路结构 (6)

4.2.2磁流变抛光实验 (7)

下篇：超光滑光学元件表面的检测

5.超光滑光学元件表面的检测工艺 (9)

5.1光学表面曲率半径的测量 (9)

5.2光学表面面形的测量 (9)

5.3超光滑表面粗糙度的检测 (9)

典型超光滑光学元件—超环面镜加工与检测

6.超光滑超环面镜的加工工艺 (10)

6.1 4B9B光束线光学系统设计简述及超环面镜的作用 (10)

6.2超环面加工流程及工艺 (10)

6.3超环面加工工艺小结 (11)

7.超光滑光学元件的检测 (11)

7.1大曲率半径的测量 (12)

7.2面型误差的测量 (13)

7.3表面粗糙度的测量 (14)

8.参考文献 (15)

1.引言

日前，光学和光电子学，尤其是短波段光学涉及的相关技术对关键光学元件表面精度的要求越来越高，往往需要达到纳米甚至原子级，因此超光滑表而加工技术应运而生。超光滑表面不仅要具备较高的而形精度和极低的表而粗糙度，还要具有完整的表面晶格排布，消除亚表面损伤。因此，如何实现光学元件表面的超光滑加工与检测成为精密加工领域的一个重要课题。

上篇：超光滑光学元件表面的加工

2.超光滑表面光学元件的特点[]1

(1)光学系统绝大部分为反射系统；

(2)光学元件表面要求粗糙度很低，一般为0.5nm~5nm ；

(3)光学元件的面型多种多样：面型有平面、大半径球面、柱面、抛物面、椭球面、超环面等等，这些都是由光束线空间特性所决定的；

(4)光学材料的选择：要考虑到光束线能量高，要求散热快，膨胀系数小，适合于超真空系统中工作等因素。

3.超光滑光学表面加工方法概述[]2

常用到的几种加工方法如下：

(1)传统的研磨及沥青抛光法。这是众所周知的，抛光是通过抛光介质和工件表面之间的物理与化学相互作用而完成的。通过控制抛光粉的粒度及均一性和润滑剂的纯度或加入其它溶液或肥皂等会提高抛光表面的光洁度。最高可达2 ~2. 5nm RMS。

(2)碗形水中抛光法(Bowl feed polishing)。这种方法是把沥青抛光盘浸入一个装有水的塑料碗中，使抛光剂混合物处于悬浮状态。最后放出所有液体抛光剂，加入蒸馏水，非接触式超光滑抛光原理继续抛光一段时间。表面粗糙度可达0.3~0.5nm RMS

(3)金属表面液体化学抛光方法。按材料不同配制化学抛光液体，零件在溶液中相对运动，也可结合电化学抛光来达到超光滑表面。

(4)离子束抛光法。在真空室里用离子束(氢、氮、等惰性气体)轰击零件表面，由计算机控制离子束在零件表面上的扫描轨迹，停留时间和轰击强度等参数来获得超精表面。

(5) SPDT与金刚石微粉研磨抛光法。SPDT是在高精度机床上，用金刚石刀具微量进给，车削出光学表面，只能加工金属镜。金刚石微粉研磨是用0.1um的钻石粉压入制好的沥青盘，加入硅油润滑，使沥青盘与工件之间保持一定的油膜厚度，这种方法可获得0.5nmRMS超光滑表面。

(6)弹性发射材料加工法(EEM)。使微小磨料在液体中浮游，使之以高速冲击

工件表面以实现微量加工。加工单位为10-8cm以下。

4.典型的一些加工方法原理

4.1非接触式超光滑抛光原理[]3

小磨头抛光法和浮法抛光技术是目前比较成熟的两种光学加工手段。小磨头抛光法是一种接触式光学加工法，该方法易于采用数控技术，能够进行平面、球面和非球面等各种光学表面的加工，但是该方法加工出的光学表面粗糙度较大，且存在亚表面损伤。浮法抛光技术是一种非接触式超光滑加工方法，该技术加工出的光学表面粗糙度低，且无亚表面损伤，但只能加工平面光学元件，不能加工球面和非球面。

那么为了实现球面和非球面光学表面的超高精度超光滑抛光，下面根据浮法抛光技术和小磨头抛光技术的原理，我们提出了一种新的小磨头非接触式超光滑抛光方法——非接触式超光滑抛光。该方法采用数控技术，同时集中了小磨头抛光方法和浮法抛光技术的优点，从而实现平面、球面和非球面光学元件表面的超高精度超光滑加工。

图1为小磨头非接触式超光滑抛光技术的基本原理示意图。图中Fin为抛光液入口、Fout为抛光液出口、B为抛光磨头摆动运动、C为工件台旋转运动、Cp 为抛光磨头自转运动。当对球面或非球面光学元件做超光滑加工时，抛光磨头的中心线始终保持在光学元件表面的法线方向，与光学元件表面保持一个固定的间距且沿光学元件表面做摆动运动，抛光磨头做自转运动，光学元件做旋转运动。

抛光液经由抛光磨头尾部的中心口进入磨头内部，从磨头前端的多个微孔流出，保证在超光滑抛光过程中抛光磨头与光学元件表而之间始终保持有抛光液存在，抛光磨头与光学元件表面之间存在10~100 um的间隙。随着抛光液在抛光磨头自转运动的带动下在光学元件表面流动，抛光液中的微小磨料与光学元件表面相互作用，从而实现光学元件表面材料的微量去除。由于微小磨料与光学元件表面相互作用所产生的能量不足以使光学元件表面材料发生塑性变形，只是产生原子间结合的微小弹性变形，从而得到原子级精度且无亚表面损伤的超光滑表面。

图1 小磨头非接触式超光滑抛光原理