大口径非球面的离子束抛光技术

随着科学技术的发展，光学加工手段不断发展。光学表面的加工方法已经从传统的效率低、精度差的方法如图案形成法，基于计算机技术和激光干涉技术的计算机表面成形技术，使光学加工效率和加工精度得到了很大的提高。加工确定性更高的离子束抛光方法也被引入到光学加工领域，进一步提高了光学加工的确定性和精度。

离子束抛光是1988年由Wilson和Reicher等人首先提出的，它是一种在原理上不同于传统光学加工方法的技术方法。在物理上，物质的存在状态分为固体，液体和气体，物质可以通过吸收或释放能量在三种状态下相互转化。当物质处于气体状态时，如果进一步吸收能量，就可以激发成等离子体，所以等离子体也被称为物质的第四态。离子束抛光利用物质的第四状态等离子体来实现材料去除。

离子束抛光原理示意图

它是光学加工领域的关键突破，实现了从接触材料去除到非接触材料去除的跨域，并且原则上可以实现原子水平的材料去除，为光学加工带来新的可能性和应用。

美国柯达公司在20世纪80年代开始进行离子束抛光的相关研究，并建立了自己的具有2500mm口径加工能力的离子束抛光机。这也是首次报道离子束抛光已用于加工大直径离轴非球面，这对离子束抛光在光学加工范畴的运用具有主要意义。

德国NTG公司和德国IOM研究院推出的离子束抛光机还具备非球面光学元件的抛光能力，从非球面镜片厂家:,并且公司推出的离子束抛光机的最大加工直径达到2000mm。

离子束抛光去除功能图:

除了普通成像系统的镜面抛光外，离子束抛光还被应用于对加工精度要求较高的光刻机物镜系统的精密抛光过程中。德国蔡司公司通过调整离子束抛光去除函数的大小和离子能量等参数，精确控制去除精度，实现了极紫外光刻物镜的抛光。并取得了理想的效果。

北京埃德万斯离子束技术研究院有限公司自主研发的通用离子束刻蚀系统，不仅可以进行传统的微纳结构刻蚀，还可以实现离子束清洗，材料表面抛光等功能。在精密微光学器件方面，Edvance为长春光机所研制成功了中国第一台大尺寸二元光学器件，并提供了成套设备和工艺软件。

离子束抛光的主要优点:

1. 非接触式材料去除: 镜面在加工过程中不会因应力而变形，因此不会产生复制效果。镜子边缘的去除功能不会因为接触面积和压力的变化而变化，边缘去除功能与中心相同，并且在加工过程中没有边缘效应。在加工过程中，离子源可以完全移动工件表面，确保加工过程可以充分卷积，并具有更强的操作性能力。

   
   

2. 近高斯去除函数: 与其他光学加工方法的去除函数不同，离子束抛光方法的去除函数具有接近高斯的空间分布，这是很容易解决的处理停留时间。同时，由于离子束抛光过程在真空中进行，决定材料去除率的因素更加明确，影响去除功能稳定性的成分更少，并且去除功能的可控性和稳定性更好，通过调整工作参数，方便获得具有不同特性的去除函数，从而提高了光学加工的可控性和精度。

3. 更好的光学加工适应性，在离子束抛光过程中，束流始终与光学反射镜紧密贴合，并且不会引入由工具和反射镜之间的不匹配引起的频带误差。它不仅适用于平面和球面的光学加工，也适用于高梯度非球面的高精度加工。同时，离子束抛光方法可用于最常用光学材料的高精度抛光工艺，不需要根据不同的材料使用不同的磨料或抛光液。

4. 更精确的材料去除过程。在离子束抛光期间，材料体积去除速率和材料去除分布是高度可控的。与接触法相比，可以通过实验和数学计算对离子束抛光的去除函数进行精确的标定和计算，从而保证离子束抛光具有较高的收敛效率，这是一种真正的确定性加工方法。

5. 对于更广泛的应用可能性，传统方法只能以材料去除为唯一目标进行加工计划，并且每种方法由于其技术特性，通常无法有效地收敛和校正所有空间带电阻。在离子束抛光过程中，离子与镜面材料相互作用，在此过程中发生一系列复杂的物理过程，而且还可以进一步用于改善反射镜的表面质量。例如，牺牲层方法用于改善反射镜粗糙度，并且附加材料去除方法用于实现全频带会聚。

但是，离子束抛光方法也受到其加工原理的限制，只能在真空条件下应用。溅射效应形成的材料去除率相对较低，离子束抛光方法更适合在光学加工的最后阶段应用，以达到更高的精度或最终的加工目标。