專利名稱：基于離子束拋光的光學元件表面清洗方法
技術領域：
本發明涉及光學元件的超精密加工技術領域，尤其涉及一種基于低能離子濺射作 用對光學元件表面進行清洗的方法。
背景技術：
KDP (KH2PO4)晶體是一種非常優良的非線性光學晶體材料，具有較大的非線性光 學系數、較寬的透光波段、優良的光學均勻性以及較高的激光損傷閾值等特點，現已被廣泛 地應用于激光倍頻器件、參量振蕩、電光調制、壓電換能器和快速光開關等高科技領域。尤 其是在慣性約束激光核聚變領域，KDP晶體是提高核聚變反應效率的最佳激光波長變換光 學元件。
慣性約束核聚變ICF激光裝置要求大口徑、高精度面形質量、高激光損傷閾值、良 好表面粗糙度的KDP晶體光學元件。然而，KDP晶體宏觀硬度低、易破碎、易潮解、各向異性、 具有相對較高的熱膨脹系數等不利于光學加工的特性，對超精密加工提出巨大挑戰。單點 金剛石切削(Single Point Diamond Turing, SF1DT)是KDP晶體最理想的加工方法,但單點 金剛石車削不但會在加工表面產生明顯刀紋和小尺度波紋，而且在KDP表面產生諸如脆性 破碎等表面和亞表面損傷，降低KDP晶體的激光損傷閾值。另外，由于KDP晶體表面硬度的 各向異性導致切削表面質量和面形誤差呈現各向異性，難以達到較高的面形精度。
美國LLNL實驗室的J. A. Menapace和國防科技大學的彭小強等采用磁流變拋光 (Magnetorheological Finishing,MRF)工藝有效地去除了 KDP晶體表面的車削刀紋、小尺 度波紋和脆性破碎，并通過可變的駐留時間減小了各向異性對面形精度的影響。磁流變拋 光技術利用磁流變拋光液在磁場中的流變性對光學零件進行拋光，磁流變拋光液經噴嘴噴 射到拋光輪外表面，拋光輪旋轉將液體帶入拋光區域，在高強度的梯度磁場作用下，該區域 中的磁流變拋光液成為具有粘塑性的Bingham介質，硬度、粘度變大，形成具有一定形狀的 “柔性拋光?！?，離開加工區域的磁場作用后，磁流變拋光液恢復成液體狀態由回收系統回 收處理后再次進入循環。其中，鐵粉是實現磁流變拋光液流變性能的基礎。也正因為如此， 磁流變拋光難以避免磁流變液體中的鐵粉等雜質嵌入質軟的KDP晶體表面，嵌入的鐵粉將 增強對激光的吸收，降低KDP晶體的激光損傷閾值。因此，如何去除磁流變拋光嵌入KDP晶 體表面的鐵粉是超精密加工所面臨的重要問題。
由于KDP晶體質地很軟，用擦鏡紙擦拭容易在晶體表面留下不規則劃痕，從而降 低了表面質量。在超聲波清洗中，工件邊緣有微小的KDP顆粒脫落，脫落的KDP顆粒在空化 氣泡的作用下，撞擊工件表面，從而嚴重破壞加工表面?，F有KDP晶體表面的清洗方法都有 待改善。發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種簡單易行、對設備要 求低、可降低光學表面兀件表面粗糙度、去除光學兀件表面雜質的基于離子束拋光的光學元件表面清洗方法。
為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為一種基于離子束拋光的光學元件 表面清洗方法，包括以下步驟以經過單點金剛石車削或磁流變拋光后的光學元件作為加 工對象，采用基于低能離子派射原理的離子束拋光方法(Ion Beam Figuring, IBF)對該加 工對象的表面進行加工，在加工過程中，控制離子束對光學元件表面進行均勻掃略，加工結 束后完成對光學元件表面的清洗。該技術方案提出利用基于低能離子濺射原理的離子束拋 光方法對光學元件表面進行清洗。所述的基于低能離子濺射原理的離子束拋光是指采用離 子源發射的離子束轟擊光學元件，離子的能量傳遞給工件表面原子，當工件表面原子獲得 的能量足以擺脫表面束縛能時，就會脫離工件表面，從而實現材料去除。所述的離子束均勻 掃略是指離子束以均勻的速度(采用掃描速度范圍優選控制在2mm/s 20mm/s)掃略整個 光學元件的加工表面，以使光學元件表面被均勻去除一定深度，從而確保不破壞單點金剛 石車削或磁流變拋光過程所獲得的高精度面形，不破壞KDP晶體的表面質量。
上述的基于離子束拋光的光學元件表面清洗方法，所述光學元件特別適用于 KH2PO4光學晶體材料(KDP晶體)。經過單點金剛石車削后的KDP晶體，再采用本發明的清洗 方法加工可以降低光學表面的粗糙度值，使表面粗糙度得到改善。經過磁流變拋光后的KDP 晶體表面容易嵌入鐵粉，再采用本發明的清洗方法加工可以實現KDP晶體表面嵌入鐵粉的 去除。所述KDP晶體表面需要濺射去除一定厚度，該厚度是實現KDP晶體表面嵌入鐵粉去 除所需的離子束濺射深度。磁流變拋液中的鐵粉嵌入KDP晶體表面具有一定的深度，離子 束濺射去除的材料厚度一般須大于鐵粉的嵌入深度。另外，采用本發明的離子束拋光方法 進行加工清洗不會改變KDP晶體的結構，即經過我們的反復測試，本發明的離子束拋光不 會使KDP晶體的化學成分及晶體組成結構發生變化，表面不會有新物質生成，否則，晶體結 構的改變將影響原有晶體的光學性質。
上述的基于離子束拋光的光學元件表面清洗方法，所述離子束拋光方法的工藝 參數優選為入射離子能量為300eV 500eV，離子束流20mA 50mA，離子束入射角度為O。 60°。
上述的基于離子束拋光的光學元件表面清洗方法中，所述離子束對光學元件表面 的去除厚度與磁流變拋光工藝參數有關，結合上述優選的工藝參數，所述離子束對光學元 件表面的去除厚度控制在不超過200nm。
與現有技術相比，本發明的優點在于本發明的清洗方法簡單、易行，對設備要求 低，不僅可以有效降低光學表面元件表面的粗糙度值，而且可以有效去除光學元件表面嵌 入的鐵粉等雜質，保證光學元件的加工質量。


圖1為本發明實施例1中低能離子束拋光加工KDP晶體的照片。
圖2為本發明實施例1中樣件2的KDP晶體表面在單點金剛石車削后、離子束拋 光前的粗糙度檢測結果。
圖3為本發明實施例1中樣件2的KDP晶體表面在經過離子束拋光后的粗糙度檢 測結果。
圖4為本發明實施例1中離子束拋光前后KDP晶體表面的拉曼光譜分析結果。
圖5為本發明實施例2中樣件3的KDP晶體表面二次離子質譜分析結果。圖6為本發明實施例2中樣件4的KDP晶體初始表面二次離子質譜分析結果。圖7為本發明實施例2中樣件4的KDP晶體濺射去除60nm后的表面二次離子質 譜分析結果。圖8為本發明實施例2中樣件5的KDP晶體表面二次離子質譜分析結果。圖9為本發明實施例2中相對原子量為56的原子或原子團二次離子數量隨濺射 深度的分布示意圖。
具體實施例方式以下結合說明書附圖和具體優選的實施例對本發明作進一步描述，但并不因此而 限制本發明的保護范圍。實施例I :
一種本發明的基于離子束拋光的光學元件表面清洗方法，包括以下步驟首先利用單 點金剛石車削對尺寸均為50 X 50 X 10 mm3的II類KDP晶體樣件I和樣件2進行車削加工， 單點金剛石車削的主要工藝參數控制為主軸轉速500 r/min，進給量2 ym/r，切削深度I U m ;再以經過單點金剛石車削的樣件2作為加工對象(樣件I作為對照)，采用基于低能離 子濺射原理的離子束拋光方法對該加工對象的表面進行加工，在加工過程中，控制離子束 對光學元件表面進行均勻掃略，離子束拋光加工的主要工藝參數控制為入射離子能量400 eV，離子束流30 mA，離子束入射角度45° (加工時的圖像如圖I所示);該離子束對光學元 件表面的去除厚度控制在200nm，加工結束后完成對光學元件表面的清洗。采用白光干涉儀對樣件2表面粗糙度進行測量，樣件2在離子束拋光前、后的表面 粗糙度測量結果分別如圖2和圖3所示，由圖2和圖3可見，單點金剛石車削后樣件2的表 面粗糙度為I. 506 nm rms,離子束拋光后樣件2的表面粗糙度為I. 258 nm rms?？梢钥?出，在本實施例的離子束拋光加工后，KDP晶體表面的粗糙度值有所降低，表面粗糙度得到 改善。之后利用傅里葉紅外拉曼顯微光譜儀對樣件I和樣件2的加工表面進行光譜分析并 將結果進行比較，樣件I和樣件2的拉曼光譜分析結果對比如圖4所示。從圖4可以看出， 低能離子束轟擊后的KDP晶體表面除了存在K2HPO4以外，沒有其他物質存在，KDP晶體在低 能離子束轟擊作用下并沒有新物質生成。因此，低能離子束拋光不會改變KDP晶體的表面 結構，并且對KDP晶體的表面粗糙度有一定的改善，可以用于KDP晶體的超精密加工。實施例2
一種本發明的基于離子束拋光的光學元件表面清洗方法，包括以下步驟
為便于二次離子質譜儀對樣件進行分析和對比，本實施例選用三塊尺寸均為8 X 8 X 2 mm3的II類KDP晶體；其中，樣件3進行單點金剛石車削；樣件4在單點金剛石車削后進行 磁流變拋光；樣件5在單點金剛石車削和磁流變拋光之后進行離子束拋光(樣件3和樣件4 作為對照)；
其中，各樣件單點金剛石車削的工藝參數控制為主軸轉速500 r/min，進給量2 u m/ r，切削深度I Pm;
樣件4和樣件5的磁流變拋光采用的主要工藝參數控制為拋光輪轉速150 r/min,磁 場電流強度5 A，磁流變夜流量40 L/min, KDP晶體表面壓入緞帶深度0. 2 mm ;樣件5的離子束拋光主要工藝參數控制為入射離子能量400 eV，離子束流30 mA，離子束入射角度45° ;在加工過程中，控制離子束對KDP晶體表面進行均勻掃略，該離子束對 KDP晶體表面的去除厚度控制在100 nm。
隨后，利用飛行時間二次離子質譜儀對上述樣件3、樣件4和樣件5的加工表面進行表面元素分析；二次離子質譜儀所用的分析條件為離子源為鎵源，離子束能量為25 keV，分析范圍10X10 μπι2，使用充電中和，后加速電壓為5 kV。
圖5所示為樣件3加工表面的二次離子質譜儀分析結果。橫坐標表示相對原子量， 縱坐標表示濺射出的原子或原子團數量。從圖5中可以看出，質譜分析離子束濺射出諸多原子或原子團，例如，相對原子量54. 96處對應的為KO原子團，相對原子量55. 97處對應的為KOH原子團等。
圖6所示為樣件4加工表面的二次離子質譜儀分析結果。對比圖5所示單點金剛石車削后的KDP表面二次質譜分析結果，磁流變拋光后的KDP晶體表面質譜分析結果中發現在55. 93處出現新的峰值，而原子量55. 93對應的元素為Fe，這表明磁流變拋光后KDP晶體表面有鐵粉嵌入。
圖9為相對原子量為56的原子或原子團相對數量隨著二次離子質譜分析濺射深度的變化曲線，其中濺射深度由原子力顯微鏡測量得到。從圖9中可以看出，樣件4表面檢測到的相對原子量為56的原子或原子團相對數量明顯大于樣件3表面檢測到的該原子或原子團相對數量。這主要是因為樣件3表面檢測到的相對原子量為56的原子團是Κ0Η，而樣件4表面除了包含KOH外，還含有Fe原子。此外，由圖7可見，當樣件4表面的二次離子質譜分析濺射深度達到60 nm時，檢測到的相對原子量為56的原子或原子團相對數量與樣件3初始表面檢測到的該原子或原子團相對數量基本相當，在相對原子量為55. 93處的峰值已經基本消失，這表示此時樣件4表面檢測區域內已經不存在Fe。因此，本實施例中可認為鐵粉的嵌入深度約為60 nm。
圖8所示為樣件5加工表面的二次離子質譜儀分析結果。從圖8可以看出，離子束拋光去除IOOnm后，相對原子量55. 93處的峰值基本消失。同時，圖9的分析結果顯示， 離子束拋光后，二次離子質譜儀檢測到的KDP表面相對原子量為56的原子或原子團的相對數量與單 點金剛石車削后的KDP表面檢測結果相當。這說明經過離子束拋光去除100 nm 后，KDP表面的嵌入的鐵粉基本被去除。
通過利用二次離子質譜對磁流變拋光和離子束拋光后的KDP表面成分進行分析對比，我們可以發現，因磁流變拋光在KDP晶體表面嵌入的鐵粉可以通過本發明的清洗方法得到很好地去除。
權利要求
1.一種基于離子束拋光的光學元件表面清洗方法，包括以下步驟以經過單點金剛石車削或磁流變拋光后的光學元件作為加工對象，采用基于低能離子濺射原理的離子束拋光方法對該加工對象的表面進行加工，在加工過程中，控制離子束對光學元件表面進行均勻掃略，加工結束后完成對光學元件表面的清洗。
2.根據權利要求1所述的基于離子束拋光的光學元件表面清洗方法，其特征在于所述光學元件為KH2PO4光學晶體材料。
3.根據權利要求1或2所述的基于離子束拋光的光學元件表面清洗方法，其特征在于，所述離子束拋光方法的工藝參數為入射離子能量為300eV 500eV，離子束流20mA 50mA，離子束入射角度為0° 60°。
4.根據權利要求1或2所述的基于離子束拋光的光學元件表面清洗方法，其特征在于， 所述離子束對光學元件表面的去除厚度控制在不超過200nm。
5.根據權利要求1或2所述的基于離子束拋光的光學元件表面清洗方法，其特征在于， 所述均勻掃略時的掃描速度控制在2mm/s 20mm/s。
全文摘要
本發明公開了一種基于離子束拋光的光學元件表面清洗方法，包括以下步驟以經過單點金剛石車削或磁流變拋光后的光學元件作為加工對象，采用基于低能離子濺射原理的離子束拋光方法對該加工對象的表面進行加工，在加工過程中，控制離子束對光學元件表面進行均勻掃略，加工結束后完成對光學元件表面的清洗。本發明的表面清洗方法簡單易行，對設備要求低，可降低光學表面元件表面粗糙度和去除光學元件表面雜質。
文檔編號B24B1/00GK102990480SQ20121055398
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月19日 優先權日2012年12月19日
發明者戴一帆, 解旭輝, 袁征, 周林, 關朝亮, 胡皓 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學