超光滑超精密玻璃抛光新技术

超光滑超精密玻璃抛光新技术

抛光新技术可分为接触式抛光和非接触式抛光两大类型。接触式抛光包括数控小工具抛光、应力盘抛光、浴法抛光(BFP)、浮法抛光、磁流变抛光等。非接触式抛光主要指离子束抛光、等离子体辅助抛光、电子束抛光和激光抛光。本文除了评述各种方法的特点外，要点阐述离子束抛光与电子束抛光。

1接触式抛光新技术

接触式抛光是由传统的抛光盘模式发展而来，与传统的抛光相比，采用数字控制（CNC)机床运行、新型的抛光工具（如应力抛光盘、磁流变抛光盘）与纳米级超细抛光剂。

数控小工具抛光技术是用计算机数控小工具抛光模（抛光头）对玻璃表面进行抛光，根据所建立的数学模型，通过抛光头在玻璃表面上的运动途径，相对应力与驻留时间来控制抛除量，可以制备大中型非球面光学零件。此种抛光设备由抛光机床、实时干涉测量以及数字控制系统（CNC)组成。Itek公司制造的4m数控小工具抛光机，非常大抛光玻璃镜片直径可达4m，抛光效率明显提高，时间只用四周，而传统经典方法达到同样效果需要1年。Parkm-Elmer 采用此技术，抛光望远镜镜片，较终面形粗糙度为12nm。

应力抛光盘技术(stressedlappolishing)系米用大尺寸刚性材料作为基盘，在周边可变压力作用下，盘的表面可随时改变所需要的面形。在抛光过程中，安装于应力盘上驱动器根据计算机发出的变形盘相对镜面位置和方向的指令，改变边缘力矩的大小，使应力

盘始终与被抛光玻璃的非球面光学表面相匹配。

美国亚利桑那大学Steward天文台大尺寸镜片实验室用应力盘抛光技术加工大尺寸高陡度非球面反射镜，表面粗糙度达到全口径20nm。

浴法抛光(Bowl-FeedPolishing)简称BFP方法[6]，也称水中抛光法，玻璃和抛光模同时都浸在抛光液的抛光方法，抛光时产生摩擦热均可扩散到抛光液中，不致使玻璃和抛光工具的温度升高很多，玻璃的热变形和抛光模的塑性流动达到较小，从而可用纯浙青作为抛光模对玻璃进行抛光，使玻璃表面非常光滑。抛光时采用较细的抛光粉和很低的抛光压力，抛光较后阶段还可用稀释的抛光液或清水抛光，均有利于降低表面粗糙度。

以超细氧化铝粉为抛光剂，采用浴法抛光工艺，不同品种玻璃抛光后的粗糙度分别为：火石玻璃(F4)0.76nm，硼桂酸盐玻璃(Duran50)0.16nm，溶融石英玻璃0.34nm。

浮法抛光(floatpolishing)[7][8]指抛光模与被抛光玻璃之间保带有厚度数倍于抛光粉颗粒尺寸的液体层；换言之，玻璃在几微米厚的抛光液薄层上被抛光，抛光模采用硬度比平常用浙青或树脂更高的材料如锡制成，玻璃与抛光模之间相对速度很大，达1.5〜2.5m/s;而压力为70〜500Pa，较一般抛光盘压力高十几倍；抛光剂用CnOs或MgO。抛光过程中，抛光剂在离心力作用下，在液体膜内沿径向不断碰撞玻璃，以原子或分子级不断抛除玻璃。

Corning公司用浮法抛光对溶融石英玻璃(ULE)和Schott公司

的低膨胀微晶玻璃(Zerodur)进行抛光，表面的粗糙度都小于

0.2nm。

磁流变抛光(magnetorhelogicalfinishing)[9][w]是利用磁流变抛光液在磁场中的磁流变形成柔性抛光模，对玻璃表面进行抛光。磁流变抛光液为黏塑性介质，当按一定的运动规律，连绵不断切过玻璃表面时，磁流变抛光液中的抛光粉，借助玻璃与磁流体之间的压延与剪切变形力实现对玻璃表面的抛除。

采用磁流变抛光方法在不到2min的抛光时间，就使玻璃表面面形偏差达到m0，粗糙度小于1mm。20世纪末即已制造生产出商用

Q22型计算机控制磁流抛光机供应市场。

2非接触式抛光

非接触式抛光打破了用抛光工具接触玻璃表面抛除的模式，采用了高能量密度束流进行抛光或用等离子体辅助抛光。高能量密度束流指高达108〜109W/cm2功率密度的离子束、电子束和激光束，其中已实际应用的为离子束。

离子束抛光是将惰性气体如Ar、Kr、Xe及N原子在真空度为1.33Pa条件下用高频或放电等方法使其成为离子，再用20〜25KeV 的电压加速，然后撞击到放在真空度为1.33x10_3Pa真空室的玻璃表面，从而使玻璃以原子级被抛除。

离子束抛光是20世纪末光学玻璃制造上的创新，1990年美国EastmanKodak公司即研究了实用化的计算机控制的Kodak2.5m五束数控离子束抛光系统，将直径1.3m熔融石英(ULF)镜面抛光，对直

径1.3m花瓣形离轴非球面镜加工精度达到0.01^m。

由于离子束抛光需要专门的离子抛光机，本文作者曾将国内常见的离子注入机进行离子束抛光，采用束流能量25keV，束流强度150^A/cm2，剂量为1x1014ions/cm2和1x1017ions/cm2的N+离子对钠钙玻璃和中铅玻璃进行离子束抛光，抛光前后玻璃表面形貌用MEF3型金相显微镜观察并拍摄照片。