基于离子束抛光的光学元件表面清洗方法技术

本发明专利技术公开了一种基于离子束抛光的光学元件表面清洗方法，包括以下步骤：以经过单点金刚石车削或磁流变抛光后的光学元件作为加工对象，采用基于低能离子溅射原理的离子束抛光方法对该加工对象的表面进行加工，在加工过程中，控制离子束对光学元件表面进行均匀扫略，加工结束后完成对光学元件表面的清洗。本发明专利技术的表面清洗方法简单易行，对设备要求低，可降低光学表面元件表面粗糙度和去除光学元件表面杂质。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学元件的超精密加工
，尤其涉及一种基于低能离子溅射作 用对光学元件表面进行清洗的方法。
技术介绍
KDP (KH2PO4)晶体是一种非常优良的非线性光学晶体材料，具有较大的非线性光 学系数、较宽的透光波段、优良的光学均匀性以及较高的激光损伤阈值等特点，现已被广泛 地应用于激光倍频器件、参量振荡、电光调制、压电换能器和快速光开关等高科技领域。尤 其是在惯性约束激光核聚变领域，KDP晶体是提高核聚变反应效率的最佳激光波长变换光 学元件。惯性约束核聚变ICF激光装置要求大口径、高精度面形质量、高激光损伤阈值、良 好表面粗糙度的KDP晶体光学元件。然而，KDP晶体宏观硬度低、易破碎、易潮解、各向异性、 具有相对较高的热膨胀系数等不利于光学加工的特性，对超精密加工提出巨大挑战。单点 金刚石切削(Single Point Diamond Turing, SF1DT)是KDP晶体最理想的加工方法,但单点 金刚石车削不但会在加工表面产生明显刀纹和小尺度波纹，而且在KDP表面产生诸如脆性 破碎等表面和亚表面损伤，降低KDP晶体的激光损伤阈值。另外，由于KDP晶体表面硬度的 各向异性导致切削表面质量和面形误差呈现各向异性，难以达到较高的面形精度。美国LLNL实验室的J. A. Menapace和国防科技大学的彭小强等采用磁流变抛光 (Magnetorheological Finishing,MRF)工艺有效地去除了 KDP晶体表面的车削刀纹、小尺 度波纹和脆性破碎，并通过可变的驻留时间减小了各向异性对面形精度的影响。磁流变抛 光技术利用磁流变抛光液在磁场中的流变性对光学零件进行抛光，磁流变抛光液经喷嘴喷 射到抛光轮外表面，抛光轮旋转将液体带入抛光区域，在高强度的梯度磁场作用下，该区域 中的磁流变抛光液成为具有粘塑性的Bingham介质，硬度、粘度变大，形成具有一定形状的 “柔性抛光模”，离开加工区域的磁场作用后，磁流变抛光液恢复成液体状态由回收系统回 收处理后再次进入循环。其中，铁粉是实现磁流变抛光液流变性能的基础。也正因为如此， 磁流变抛光难以避免磁流变液体中的铁粉等杂质嵌入质软的KDP晶体表面，嵌入的铁粉将 增强对激光的吸收，降低KDP晶体的激光损伤阈值。因此，如何去除磁流变抛光嵌入KDP晶 体表面的铁粉是超精密加工所面临的重要问题。由于KDP晶体质地很软，用擦镜纸擦拭容易在晶体表面留下不规则划痕，从而降 低了表面质量。在超声波清洗中，工件边缘有微小的KDP颗粒脱落，脱落的KDP颗粒在空化 气泡的作用下，撞击工件表面，从而严重破坏加工表面。现有KDP晶体表面的清洗方法都有 待改善。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种简单易行、对设备要 求低、可降低光学表面兀件表面粗糙度、去除光学兀件表面杂质的。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为一种基于离子束抛光的光学元件 表面清洗方法，包括以下步骤以经过单点金刚石车削或磁流变抛光后的光学元件作为加 工对象，采用基于低能离子派射原理的离子束抛光方法(Ion Beam Figuring, IBF)对该加 工对象的表面进行加工，在加工过程中，控制离子束对光学元件表面进行均匀扫略，加工结 束后完成对光学元件表面的清洗。该技术方案提出利用基于低能离子溅射原理的离子束抛 光方法对光学元件表面进行清洗。所述的基于低能离子溅射原理的离子束抛光是指采用离 子源发射的离子束轰击光学元件，离子的能量传递给工件表面原子，当工件表面原子获得 的能量足以摆脱表面束缚能时，就会脱离工件表面，从而实现材料去除。所述的离子束均匀 扫略是指离子束以均匀的速度(采用扫描速度范围优选控制在2mm/s 20mm/s)扫略整个 光学元件的加工表面，以使光学元件表面被均匀去除一定深度，从而确保不破坏单点金刚 石车削或磁流变抛光过程所获得的高精度面形，不破坏KDP晶体的表面质量。上述的，所述光学元件特别适用于 KH2PO4光学晶体材料(KDP晶体)。经过单点金刚石车削后的KDP晶体，再采用本专利技术的清洗 方法加工可以降低光学表面的粗糙度值，使表面粗糙度得到改善。经过磁流变抛光后的KDP 晶体表面容易嵌入铁粉，再采用本专利技术的清洗方法加工可以实现KDP晶体表面嵌入铁粉的 去除。所述KDP晶体表面需要溅射去除一定厚度，该厚度是实现KDP晶体表面嵌入铁粉去 除所需的离子束溅射深度。磁流变抛液中的铁粉嵌入KDP晶体表面具有一定的深度，离子 束溅射去除的材料厚度一般须大于铁粉的嵌入深度。另外，采用本专利技术的离子束抛光方法 进行加工清洗不会改变KDP晶体的结构，即经过我们的反复测试，本专利技术的离子束抛光不 会使KDP晶体的化学成分及晶体组成结构发生变化，表面不会有新物质生成，否则，晶体结 构的改变将影响原有晶体的光学性质。上述的，所述离子束抛光方法的工艺 参数优选为入射离子能量为300eV 500eV，离子束流20mA 50mA，离子束入射角度为O。 60°。上述的中，所述离子束对光学元件表面 的去除厚度与磁流变抛光工艺参数有关，结合上述优选的工艺参数，所述离子束对光学元 件表面的去除厚度控制在不超过200nm。 与现有技术相比，本专利技术的优点在于本专利技术的清洗方法简单、易行，对设备要求 低，不仅可以有效降低光学表面元件表面的粗糙度值，而且可以有效去除光学元件表面嵌 入的铁粉等杂质，保证光学元件的加工质量。附图说明图1为本专利技术实施例1中低能离子束抛光加工KDP晶体的照片。图2为本专利技术实施例1中样件2的KDP晶体表面在单点金刚石车削后、离子束抛 光前的粗糙度检测结果。图3为本专利技术实施例1中样件2的KDP晶体表面在经过离子束抛光后的粗糙度检 测结果。图4为本专利技术实施例1中离子束抛光前后KDP晶体表面的拉曼光谱分析结果。图5为本专利技术实施例2中样件3的KDP晶体表面二次离子质谱分析结果。图6为本专利技术实施例2中样件4的KDP晶体初始表面二次离子质谱分析结果。图7为本专利技术实施例2中样件4的KDP晶体溅射去除60nm后的表面二次离子质 谱分析结果。图8为本专利技术实施例2中样件5的KDP晶体表面二次离子质谱分析结果。图9为本专利技术实施例2中相对原子量为56的原子或原子团二次离子数量随溅射 深度的分布示意图。具体实施例方式以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本专利技术作进一步描述，但并不因此而 限制本专利技术的保护范围。实施例I :一种本专利技术的，包括以下步骤首先利用单 点金刚石车削对尺寸均为50 X 50 X 10 mm3的II类KDP晶体样件I和样件2进行车削加工， 单点金刚石车削的主要工艺参数控制为主轴转速500 r/min，进给量2 ym/r，切削深度I U m ;再以经过单点金刚石车削的样件2作为加工对象(样件I作为对照)，采用基于低能离 子溅射原理的离子束抛光方法对该加工对象的表面进行加工，在加工过程中，控制离子束 对光学元件表面进行均匀扫略，离子束抛光加工的主要工艺参数控制为入射离子能量400 eV，离子束流30 mA，离子束入射角度45° (加工时的图像如图I所示);该离子束对光学元 件表面的去除厚度控制在200nm，加工结束后完成对光学元件表面的清洗。采用白光干涉仪对样件2表面粗糙度进行测量，样本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于离子束抛光的光学元件表面清洗方法，包括以下步骤：以经过单点金刚石车削或磁流变抛光后的光学元件作为加工对象，采用基于低能离子溅射原理的离子束抛光方法对该加工对象的表面进行加工，在加工过程中，控制离子束对光学元件表面进行均匀扫略，加工结束后完成对光学元件表面的清洗。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：戴一帆，解旭辉，袁征，周林，关朝亮，胡皓，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：