超光滑加工

一、超光滑表面加工技术
  现代科学技术的不断发展对超光滑表面的需求越来越多。

所谓的超光滑表面通常是指表面粗糙度小于10Å（rms）的表面，与之相应的加工技术就称为超光滑表面加工技术。

  目前是，超光滑表面的应用主要集中在两个方面：一是一强激光、短波等为代表的工程光学领域。

二是以磁记录头、大规模集成电路基板等器件为主的电子工业领域。

  近年来，超光滑表面加工已成为加工领域争先发展的热点。

1.1超光滑表面加工概述
    超光滑表面加工技术从某中意义上讲是一种“超级”抛光技术。

抛光是超光滑表面加工的
关键环节。

    传统的抛光机理认为抛光是磨料对工件的机械磨削、工件表面的热流动、抛光液的化学作用共同作用的结果。

然而，对于超光滑表面加工这一理论就不完全实用了。

    现今，超光滑表面加工技术种类很多，很难用同一中理论来加以解释。

然而，从已有技
术的材料去除方式来看可大致有以下特点：
（1）以机械磨削去除为注的超光滑表面加工技术。

（2）采用化学方法进行表面去除，实现无破坏层超光滑表面加工。

（3）以物理“碰撞”方法将工件以原子量级去除，实现超光滑表面加工。

2.2几种超光滑表面加工技术的介绍
1、浴法抛光 浴法抛光（bowel-feed polishing）是已有超光滑表面加工技术中所需设备较为简单
的一种。

   它的特点是：抛光过程中液槽使抛光盘和工件浸没于抛光液中，抛光液的深度以静止时淹没工件10~15mm为宜；另有搅拌器，它能是抛光液处于悬浮状态。

   浴法抛光加工超光滑表面可分为两个阶段：
（1）获取较高面形。

这一过程类似与传统抛光的面形修改。

（2）获得超光滑表面。

   当选好的磨料、保持抛光盘与工件面形吻合等也是获得超光滑表面的重要因素。

几种材料的浴法抛光的结果
材    料磨    料粗糙度/Å
F4Al2O3（超级--Sol 200A)10
BK-76
Duran50硼硅酸玻璃5.3
Herasil 熔石英5.5
Homosil 熔石英3.3
晶体石英4.4
Zerldur M2.5
2、聚四氟乙烯抛光 聚四氟乙烯（Teflon）抛光最先是由澳大利亚国家计量实验室（NML）为加
工Fabry-Perot干涉仪所用高精度光学元件而提供的。

   聚四氟乙烯抛光盘具有抗老化、耐磨损、可长时间保持面形等优点，既可用于传统抛光又可用于浴法抛光可用于。

其关键在于抛光盘的制作。

   抛光盘的制作可分为如下三步：
（1）基底的准备。

选择一块膨胀系数较小的材料。

（2）抛光层的制作。

先在基底上涂一层增强结合层，然后再涂一层聚四氟乙烯抛光层即可。

（3）抛光盘的修整。

并用样板或干涉仪检测。

 值得一提的是，在用聚四氟乙烯抛光盘进行超光滑表面加工加工过程中，由于磨削量小，工件均
应先用传统方法初抛光到1~2波长的面型。

此外，不同的材料选用与之相匹配的磨料以及控制好设备的
震动、工件运动的平稳性等也非常重要。

 目前，该技术已在许多材料，甚至与氟化钙、铌酸锂、硅等特殊材料上加工出了超光滑表面。

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用Teflon抛光盘加工的一些材料的情况
材    料磨    料粗糙度/Å
F4CeO24.1
Al2O3（超级--Sol 200A)浴法抛光7.6
BK-7CeO26.9
Al2O3特殊超级--Sol，浴法抛光
Duran50硼硅酸玻璃CeO27
Al2O3特殊超级--Sol，浴法抛光
Herasil 熔石英CeO24.3
Al2O3（超级--Sol 200A)浴法抛光
Homosil 熔石英CeO24
Al2O3特殊超级--Sol，浴法抛光
晶体石英Al2O3特殊超级--Sol，浴法抛光2.3
Zerldur MCeO24.3
Al2O3特殊超级--Sol，浴法抛光
氧化镁SiO2，浴法抛光6.3
TiO2，浴法抛光
氟化钙SiO2，浴法抛光8.3
铌酸锂SiO2，浴法抛光10.3
硅SiO2，浴法抛光12.3
Al2O3特殊超级--Sol，浴法抛光13.3
  注：未注明抛光方式则为传统抛光。

3、浮法抛光 浮法抛光是以锡盘为抛光盘，采用浴式抛光方式的加工方法。

它是一种非接触式抛光方法，机床主轴转动的精度要求很高且转速较快，一般为60~200rpm，是目前超光滑表面加工技术中
加工的工件表面粗糙度最小的方法。

  工作原理：抛光过程中由于离心力、液槽壁、环带及锡盘上的精细螺纹的共同作用，磨盘与工件间形成一薄膜，将工件托起，悬浮于抛光液内的磨料在离心力作用下在液膜内沿径向不断“碰撞”工件表面，以原子或分子量级的去除量不断修整微观隆起，实现超光滑表面加工。

利用这一技术可以获得边缘规整，亚表层没有破坏，晶体表面晶格完整的超光滑表面。

原子的去除过程，是磨料与工件在原子水平
的碰撞、扩散、填补的过程。

浮法抛光既可软质磨料又可用硬质磨料，关键是磨料的粒度和均匀性。

且磨料的接触面积和碰撞概率，提高抛光效率，所用磨料粒度要小，最好为钠米量级，通常为小于20nm。

浮法抛光是一种去除量较小的抛光方法，工件均应先用传统方法初抛光到2~4波长的面型。

1997年，日本大坂大学的难波义治教授发明了浮法抛光（Float Polishing）加工超光滑表面技术。

通过使用这项技术，可使刚玉单晶的平面面形达到λ/20，表面粗糙度低于1nmRz。

德国Ulm大学的欧威（O. Weis）研究表明，对白宝石材料的ø7mm的工件进行抛光，30分钟后达到表面粗糙度小于0.05
nm的结果。

根据去除机理，利用外表面层于主体原子的结合差异，任何材料都可作为磨料去除工件表层的原子，可
以获得无晶格错位与畸变的表面。

浮法的抛光
4、 磁流变抛光 磁流变抛光（RMF）是电磁理论、流体力学、分析化学等应用与光学制造而形成的一项综合技术，是由白俄罗斯的研究人员提出的，后经与Rocheste大学光学加工中心（CO
M）合作使这一技术得到了长足发展。

    磁流变抛光技术实质上是一种计算机控制小磨头抛光技术，只是这里的磨头不是传统意义上的磨头，而是由磁流变抛光液在磁场作用下形成的“柔性”磨头，其形状和硬度可以由磁场实时控制。

    磁流变抛光有如下两个关键环节：
（1）磁流变抛光液。

要求无磁场作用时流动性好，有磁场作用时流变性好，硬度变得很大且响应快。

（2）对磁性抛光头的各种参数要能准确控制，以便获得精确稳定的去除量，提高面形收敛速度。

   目前这一技术已在多种光学材料上获得了粗糙度小于10Å的超光滑表面。

5、等离子体辅助抛光 等离子体辅助抛光（PACE）一种利用化学反应来去除表面材料而实现抛
光的方法。

等离子体辅助抛光也是一种计算机控制小磨头抛光技术，不过此时的抛光头是由某种气体在RF激励作用下产生的活性等粒子体组成。

活性等粒子体与工件表面物质发生化学反应，生成易挥发的混合气体，从而将工件表面材料去除。

通过控制RF的功率、气体气压及气体的流速等因素就可控制材料的去除率。

PACE加工具有抛光效率高，工件不受机械压力，没有相应变形，加工完成面无亚表面破坏，无污染，加工球面和非球面难易当等优点，是被普遍看好的一种超光滑表面加工技术。

目前Perkin-Elmer公司用该技术已在Ø0.5~1m的非球面上加工出面形精度小于λ/50rms，粗糙度小于0.5nm rms的表面。

6、离子束抛光 离子束抛光是真空环境下进行的，设备比较昂贵。

它是用被加速的离子与工件表面的原子核直接产生弹性碰撞，将能量直接传给工件的材料原子，使其逸出表面从而将材料去除。

是一
种典型的用物理碰撞方法进行抛光的技术。

 
   目前这一技术已加工Ø0.5m，面形λ/50rms，粗糙度0.6nm rms的表面。

Kodak公司已拥有2.5m离子束抛光系统。

离子束抛光流程框图
 
                     
-- 作者：xujexy
-- 发布时间：2003-8-1 15:24:12
-- 请教：光学塑料的元件可以进行抛光处理吗？
二、大口径光学元件的加工技术
1、CP技术 CP(continuous polishing)技术已被广泛地应用于高精度光学元件的加工，如果机床性能良好且工艺精细，加工具有良好外形尺寸比的圆形工件时，可获得1/20至1/40波长的表面精度。

通常，CP抛光机包括一个非常重的带有一个环行沥青盘的转台、一个在盘上的圆形校正压板，压板的尺寸一般要大于沥青盘的环带。

在沥青盘的其他位置上安置有2~3个套圈，其内径与抛光盘的环宽成比例，金属和酚醛塑料分离器放置在套圈内抵牢工件，工件盘的抛光面朝下。

在原理上，抛光环盘的运动特性
与传统抛光盘相同。

   实践证明，CP技术具有以下特点：
（1）工件以复合轨迹运动，具有均化的抛光效果；
（2）压力可以自由外加工，便于面形修正；
（3）加工过程中工件浮动，没有胶结及其他夹持变形，可避免在上盘过程中的加热而损坏工件（特别是对磷酸盐ru玻璃），又不存在工件下盘后的变形问题。

（4）转速慢，工件热变形小。

2、SPDT技术 SPDT金刚石车削加工技术（single point diamond turning, SPDT）是指用天然
单晶金刚石作刀具，在计算机控制下车削加工光学表面，是20世纪80年代初期发展起来的新技术。

经过近20年的发展，这项技术已广泛应用于多种高精度光学元件的加工。

它具有以下技术优势：（1）可以有效地保证加工表面与晶轴的精确定向，这对于光学频率变换非常重要。

（2）可保证晶体元件的高精度面形加工质量，减少塌边现象，特别是对矩形孔径元件。

（3）有利于提高激光破坏阀值。