专利名称：基于离子束抛光的光学元件表面清洗方法
技术领域：
本发明涉及光学元件的超精密加工技术领域，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。
背景技术：
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。发明内容
本发明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基于离子束抛光的光学元件表面清洗方法。
为解决上述技术问题，本发明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。
上述的基于离子束抛光的光学元件表面清洗方法，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，再采用本发明的清洗 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，再采用本发明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，采用本发明的离子束抛光方法 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，本发明的离子束抛光不 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。
上述的基于离子束抛光的光学元件表面清洗方法，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°。
上述的基于离子束抛光的光学元件表面清洗方法中，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，本发明的优点在于本发明的清洗方法简单、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。
图1为本发明实施例1中低能离子束抛光加工KDP晶体的照片。
图2为本发明实施例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为本发明实施例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为本发明实施例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为本发明实施例2中样件3的KDP晶体表面二次离子质谱分析结果。图6为本发明实施例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为本发明实施例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为本发明实施例2中样件5的KDP晶体表面二次离子质谱分析结果。图9为本发明实施例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发明作进一步描述，但并不因此而 限制本发明的保护范围。实施例I :
一种本发明的基于离子束抛光的光学元件表面清洗方法，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，样件2在离子束抛光前、后的表面 粗糙度测量结果分别如图2和图3所示，由图2和图3可见，单点金刚石车削后样件2的表 面粗糙度为I. 506 nm rms,离子束抛光后样件2的表面粗糙度为I. 258 nm rms。可以看 出，在本实施例的离子束抛光加工后，KDP晶体表面的粗糙度值有所降低，表面粗糙度得到 改善。之后利用傅里叶红外拉曼显微光谱仪对样件I和样件2的加工表面进行光谱分析并 将结果进行比较，样件I和样件2的拉曼光谱分析结果对比如图4所示。从图4可以看出， 低能离子束轰击后的KDP晶体表面除了存在K2HPO4以外，没有其他物质存在，KDP晶体在低 能离子束轰击作用下并没有新物质生成。因此，低能离子束抛光不会改变KDP晶体的表面 结构，并且对KDP晶体的表面粗糙度有一定的改善，可以用于KDP晶体的超精密加工。实施例2
一种本发明的基于离子束抛光的光学元件表面清洗方法，包括以下步骤
为便于二次离子质谱仪对样件进行分析和对比，本实施例选用三块尺寸均为8 X 8 X 2 mm3的II类KDP晶体；其中，样件3进行单点金刚石车削；样件4在单点金刚石车削后进行 磁流变抛光；样件5在单点金刚石车削和磁流变抛光之后进行离子束抛光(样件3和样件4 作为对照)；
其中，各样件单点金刚石车削的工艺参数控制为主轴转速500 r/min，进给量2 u m/ r，切削深度I Pm;
样件4和样件5的磁流变抛光采用的主要工艺参数控制为抛光轮转速150 r/min,磁 场电流强度5 A，磁流变夜流量40 L/min, KDP晶体表面压入缎带深度0. 2 mm ;样件5的离子束抛光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° ;在加工过程中，控制离子束对KDP晶体表面进行均匀扫略，该离子束对 KDP晶体表面的去除厚度控制在100 nm。
随后，利用飞行时间二次离子质谱仪对上述样件3、样件4和样件5的加工表面进行表面元素分析；二次离子质谱仪所用的分析条件为离子源为镓源，离子束能量为25 keV，分析范围10X10 μπι2，使用充电中和，后加速电压为5 kV。
图5所示为样件3加工表面的二次离子质谱仪分析结果。横坐标表示相对原子量， 纵坐标表示溅射出的原子或原子团数量。从图5中可以看出，质谱分析离子束溅射出诸多原子或原子团，例如，相对原子量54. 96处对应的为KO原子团，相对原子量55. 97处对应的为KOH原子团等。
图6所示为样件4加工表面的二次离子质谱仪分析结果。对比图5所示单点金刚石车削后的KDP表面二次质谱分析结果，磁流变抛光后的KDP晶体表面质谱分析结果中发现在55. 93处出现新的峰值，而原子量55. 93对应的元素为Fe，这表明磁流变抛光后KDP晶体表面有铁粉嵌入。
图9为相对原子量为56的原子或原子团相对数量随着二次离子质谱分析溅射深度的变化曲线，其中溅射深度由原子力显微镜测量得到。从图9中可以看出，样件4表面检测到的相对原子量为56的原子或原子团相对数量明显大于样件3表面检测到的该原子或原子团相对数量。这主要是因为样件3表面检测到的相对原子量为56的原子团是Κ0Η，而样件4表面除了包含KOH外，还含有Fe原子。此外，由图7可见，当样件4表面的二次离子质谱分析溅射深度达到60 nm时，检测到的相对原子量为56的原子或原子团相对数量与样件3初始表面检测到的该原子或原子团相对数量基本相当，在相对原子量为55. 93处的峰值已经基本消失，这表示此时样件4表面检测区域内已经不存在Fe。因此，本实施例中可认为铁粉的嵌入深度约为60 nm。
图8所示为样件5加工表面的二次离子质谱仪分析结果。从图8可以看出，离子束抛光去除IOOnm后，相对原子量55. 93处的峰值基本消失。同时，图9的分析结果显示， 离子束抛光后，二次离子质谱仪检测到的KDP表面相对原子量为56的原子或原子团的相对数量与单 点金刚石车削后的KDP表面检测结果相当。这说明经过离子束抛光去除100 nm 后，KDP表面的嵌入的铁粉基本被去除。
通过利用二次离子质谱对磁流变抛光和离子束抛光后的KDP表面成分进行分析对比，我们可以发现，因磁流变抛光在KDP晶体表面嵌入的铁粉可以通过本发明的清洗方法得到很好地去除。
权利要求
1.一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。
2.根据权利要求1所述的基于离子束抛光的光学元件表面清洗方法，其特征在于所述光学元件为KH2PO4光学晶体材料。
3.根据权利要求1或2所述的基于离子束抛光的光学元件表面清洗方法，其特征在于，所述离子束抛光方法的工艺参数为入射离子能量为300eV 500eV，离子束流20mA 50mA，离子束入射角度为0° 60°。
4.根据权利要求1或2所述的基于离子束抛光的光学元件表面清洗方法，其特征在于， 所述离子束对光学元件表面的去除厚度控制在不超过200nm。
5.根据权利要求1或2所述的基于离子束抛光的光学元件表面清洗方法，其特征在于， 所述均勻扫略时的扫描速度控制在2mm/s 20mm/s。
全文摘要
本发明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。
文档编号B24B1/00GK102990480SQ20121055398
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月19日 优先权日2012年12月19日
发明者戴一帆, 解旭辉, 袁征, 周林, 关朝亮, 胡皓 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学