光学元件面形修正方法及装置与流程

本发明涉及光学加工技术领域，具体而言，涉及一种光学元件面形修正方法及装置。

背景技术

随着高能量激光和高功率激光系统的发展，对激光系统终端光学元件的承载能力要求日益提升。光学元件的面形精度和表面及亚表面缺陷是影响光学系统性能的关键因素。面形精度决定光学系统的可聚焦能量，表面及亚表面缺陷会产生光束调制，导致光学元件的破坏。光学元件高精度面形修整技术从基于机械去除的小工具数控加工发展到基于原子碰撞的离子束加工，光学元件面形精度有了很大提高，从机械去除加工的面形精度pv值为λ/3nm提升至离子束射流加工的λ/10nm(λ＝632.8nm)。

现有技术中采用的单原子离子束加工，虽然可以达到高的面形精度，但由于空间电荷集聚效应引起粒子之间的分离，难以获得低能量、高束流的离子束，相对较大的单原子能量使原子与材料的碰撞作用过程中纵向穿透深度更深，容易导致表面和亚表面缺陷的形成。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种光学元件面形修正方法及装置，以至少部分地改善上述问题。

本申请实施例提供一种光学元件面形修正方法，应用于包括多个团簇离子束产生装置的光学元件面形修正装置，其中，各所述团簇离子束产生装置的输入口与提供不同源气的源气供给单元连接，所述方法包括：

在待加工光学元件的初始面形精度大于第一预设阈值时，开启所述多个团簇离子束产生装置中的第一团簇离子束产生装置并采用第一预设加工模式对所述待加工光学元件进行加工，直至所述待加工光学元件的面形精度达到第二预设阈值；

在所述待加工光学元件的面形精度在所述第二预设阈值的基础上，开启所述多个团簇离子束产生装置中的第二团簇离子束产生装置并采用第二预设加工模式对所述待加工光学元件进行加工，直至所述待加工光学元件的面形精度小于第三预设阈值；

在所述待加工光学元件的面形精度小于所述第三预设阈值的基础上，开启所述多个团簇离子束产生装置中的第三团簇离子束产生装置并采用第三预设加工模式对所述待加工光学元件进行加工，直至所述待加工光学元件的表面粗糙度小于设定值。

可选地，所述在待加工光学元件的初始面形精度大于第一预设阈值时，开启所述多个团簇离子束产生装置中的第一团簇离子束产生装置并采用第一预设加工模式对所述待加工光学元件进行加工的步骤之前，所述方法还包括：

获得待加工光学元件的初始面形，根据所述初始面形得到所述待加工光学元件的初始面形精度；

将获得的所述初始面形与目标设计面形进行比较，以获得所述待加工光学元件的目标加工点，以及所述目标加工点的目标去除量。

可选地，所述在待加工光学元件的初始面形精度大于第一预设阈值时，开启所述多个团簇离子束产生装置中的第一团簇离子束产生装置并采用第一预设加工模式对所述待加工光学元件进行加工的步骤，包括：

在所述待加工光学元件的初始面形精度大于600nm时，开启所述多个团簇离子束产生装置中的第一团簇离子束产生装置并采用第一预设加工模式针对所述待加工光学元件上的目标加工点进行加工。

可选地，所述开启所述多个团簇离子束产生装置中的第一团簇离子束产生装置并采用第一预设加工模式对所述待加工光学元件进行加工，直至所述待加工光学元件的面形精度达到第二预设阈值的步骤，包括：

所述第一预设加工模式采用第一团簇离子束产生装置产生第一ar团簇离子束，以所述第一ar团簇离子束对所述待加工光学元件进行加工，以使所述待加工光学元件的面形精度达到第二预设阈值，其中，所述第二预设阈值为60nm。

可选地，所述第一团簇离子束产生装置产生第一ar团簇离子束，以所述第一ar团簇离子束对所述待加工光学元件进行加工的步骤，包括：

所述第一团簇离子束产生装置将输入的第一ar团簇气体源转化为第一ar团簇离子束，其中，所述第一ar团簇气体源的原子数量在1～200之间，所述第一ar团簇离子束的能量大于等于20kv；

将所述第一ar团簇离子束以第一入射角的方向作用于所述待加工光学元件以对所述待加工光学元件进行加工，其中，所述第一入射角为0°～90°。

可选地，所述采开启所述多个团簇离子束产生装置中的第二团簇离子束产生装置并采用第二预设加工模式对所述待加工光学元件进行加工，直至所述待加工光学元件的面形精度小于第三预设阈值的步骤，包括：

所述第二预设加工模式采用第二团簇离子束产生装置产生c60团簇离子束，以所述c60团簇离子束对所述待加工光学元件进行加工，以使所述待加工光学元件的面形精度小于第三预设阈值，其中，所述第三预设阈值为30nm。

可选地，所述第二团簇离子束产生装置产生c60团簇离子束，以所述c60团簇离子束对所述待加工光学元件进行加工的步骤，包括：

所述第二团簇离子束产生装置将输入的c60团簇气体源转化为c60团簇离子束，其中，所述c60团簇气体源的原子数量为60，所述c60团簇离子束的能量在10kv～30kv之间；

将所述c60团簇离子束以第二入射角的方向作用于所述待加工光学元件以对所述待加工光学元件进行加工，其中，所述第二入射角为0°～90°。

可选地，所述开启所述多个团簇离子束产生装置中的第三团簇离子束产生装置并采用第三预设加工模式对所述待加工光学元件进行加工，直至所述待加工光学元件的表面粗糙度小于设定值的步骤，包括：

所述第三预设加工模式采用第三团簇离子束产生装置产生第二ar团簇离子束，以所述第二ar团簇离子束对所述待加工光学元件的表面进行c沉积清洁以及平滑加工，以使所述待加工光学元件的表面粗糙度小于设定值，其中，所述设定值为1nm。

可选地，所述第三团簇离子束产生装置产生第二ar团簇离子束，以所述第二ar团簇离子束对所述待加工光学元件的表面进行c沉积清洁以及平滑加工的步骤，包括：

所述第三团簇离子束产生装置将输入的第二ar团簇气体源转化为第二ar团簇离子束，其中，所述第二ar团簇离子束的原子数量在1000～3000之间，所述第二ar团簇离子束的能量在10kv～30kv之间；

将所述第二ar团簇离子束以第三入射角的方向作用于所述待加工光学元件的表面，以对所述待加工光学元件表面上的c沉积进行清洁，并对所述待加工光学元件的表面进行平滑加工，其中，所述第三入射角为0°～90°。

本申请实施例还提供一种光学元件面形修正装置，包括加工真空腔室以及多个团簇离子束产生装置，所述加工真空腔室内设置有用于放置待加工光学元件的运动台，各所述团簇离子束产生装置设置在所述加工真空腔室顶部，并且各所述团簇离子束产生装置的输入口与提供不同种类源气的源气供给单元连接、输出口连接在开设于所述加工真空腔室顶部的开口处，用于将不同种类的源气转化为对应的团簇离子束，并导入至所述加工真空腔室内的待加工光学元件，以对所述待加工光学元件进行面形修整加工。

本申请实施例提供的光学元件面形修正方法及装置，通过利用集成了多个团簇离子束产生装置的加工装置，在待加工光学元件的不同的面形精度的情况下，选择适宜的团簇离子束产生装置以产生对应的团簇离子束，并以不同的加工模式对待加工光学元件进行加工，在提高待加工光学元件面形精度的同时降低加工区域的表面粗糙度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的光学元件面形修正装置的结构图。

图2为本发明实施例提供的光学元件面形修正方法的流程图。

图3为本发明实施例提供的光学元件面形修正方法的另一流程图。

图4为本发明实施例提供的团簇离子束产生装置的结构图。

图5为本发明实施例提供的团簇离子束入射方向示意图。

图标：10-光学元件面形修正装置；100-加工真空腔室；110-运动台；200-团簇离子束产生装置；210-超声喷嘴；220-团簇离子源真空室；230-滤束器；240-电离真空室；250-离子发生器；260-加速电极；270-磁场分析器；280-中和器；300-分子泵。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

请参阅图1，本申请实施例提供一种光学元件面形修正装置10，其中，所述光学元件面形修正装置10包括加工真空腔室100以及多个团簇离子束产生装置200，所述加工真空腔室100内设置有用于放置待加工光学元件的运动台110。

各所述团簇离子束产生装置200设置在所述加工真空腔室100顶部，并且各所述团簇离子束产生装置200的输入口与提供不同种类源气的源气供给单元连接、输出口连接在开设于所述加工真空腔室100顶部的开口处，用于将不同种类的源气转化为对应的团簇离子束，并导入至所述加工真空腔室100内的待加工光学元件，以对所述待加工光学元件进行面形修整加工。

通过上述设置，则在光学元件一次进样、抽真空及位置坐标确定的情况下，可通过不同的团簇离子束产生装置200以产生不同的团簇离子束，并作用于光学元件的表面，实现不同团簇离子束加工模式的集成加工，保障光学元件在无衍生缺陷的高精度面形修整加工的前提下，提高光学元件的加工效率。

本实施例中采用基于团簇离子束的高精度面形修整方法，利用团簇离子束具有的低能量、高束流密度及横向溅射等特征，将其应用于表面光滑、表面沉积及薄膜生长、半导体元件的表面掺杂、表面清洁等领域。团簇离子束通过几十至上万个原子的聚集形成团簇，可以在电场、磁场作用下加速、传输或偏转，形成几个ev至几个mev能量的离子束。团簇离子束总能量平均分配到几十至上万个原子的聚集原子上，每个原子所具有的能量非常小，并且团簇离子束由于单位面积通过的原子个数较多，可以突破电荷集聚效应的限制，获得高束流密度的离子束。与单原子离子束相比，团簇离子束作用能量低，作用区域在材料表层，可以实现无缺陷引入的高精度材料去除。

请参阅图2，本申请实施例还提供一种光学元件面形修正方法，所述光学元件面形修正方法应用上述的光学元件面形修正装置10，所述光学元件面形修正方法包括以下步骤：

步骤s110，在待加工光学元件的初始面形精度大于第一预设阈值时，开启所述多个团簇离子束产生装置200中的第一团簇离子束产生装置并采用第一预设加工模式对所述待加工光学元件进行加工，直至所述待加工光学元件的面形精度达到第二预设阈值。

请参阅图3，本实施例中，在执行步骤s110之前，所述光学元件面形修正方法还包括以下步骤：

步骤s101，获得待加工光学元件的初始面形，根据所述初始面形得到所述待加工光学元件的初始面形精度。

步骤s102，将获得的所述初始面形与目标设计面形进行比较，以获得所述待加工光学元件的目标加工点，以及所述目标加工点的目标去除量。

本实施例中，可预先利用激光干涉仪对待加工光学元件进行离线测量，以获得待加工光学元件的初始面形。并根据待加工光学元件的初始面形得到其初始面形精度pv，其中初始面形精度pv的单位为nm。将加工真空腔室100抽真空，且将待加工光学元件调整并放置于加工真空腔室100内的运动台110。。

其中，所述激光干涉仪中预存有目标设计面形，激光干涉仪可将得到的初始面形与存储的目标设计面形进行比较，以获得待加工光学元件的目标加工点，以及目标加工点的目标去除量。

在本实施例的另一种实施方式中，所述光学元件面形修正装置10还包括控制装置，所述控制装置与所述激光干涉仪连接。激光干涉仪在获得待加工光学元件的初始面形后，将其发送至控制装置。所述控制装置中预存有目标设计面形，控制装置将接收到的初始面形与目标设计面形进行比较，从而获得待加工光学元件的目标加工点，以及目标加工点的目标去除量。

可选地，所述光学元件面形修正装置10还包括伺服电机以及滚珠丝杆，所述滚珠丝杆与所述运动台110连接。所述伺服电机可驱动所述滚珠丝杆转动从而控制所述运动台110运动。在对光学元件进行面形加工时，可通过控制运动台110运动从而使光学元件移动，如此可集中在待加工光学元件的目标加工点进行加工，提高加工精度及效率。在本实施例中，所述光学元件面形修正装置10还包括分子泵300，所述分子泵300通过法兰盘连接至所述加工真空腔室100，用于对所述加工真空腔室100进行真空抽气。

可选地，在待加工光学元件的初始面形精度大于第一预设阈值时，开启多个团簇离子束产生装置200中的第一团簇离子束产生装置并采用第一预设加工模式针对所述待加工光学元件上的目标加工点进行加工。其中，本实施例中，所述第一预设阈值为600nm。所述第一预设加工模式为大去除模式，即在待加工光学元件的初始面形精度大于600nm时，可采用大去除模式的团簇加工，以使待加工光学元件的面形精度快速收敛。

本实施例中，所述第一预设加工模式采用的第一团簇离子束产生装置以ar作为团簇气体源，可将ar团簇气体源转化为第一ar团簇离子束，以产生的所述第一ar团簇离子束对所述待加工光学元件进行加工，以使所述待加工光学元件的面形精度达到第二预设阈值，其中，所述第二预设阈值为60nm。

其中，请参阅图4，所述第一团簇离子束产生装置包括用于将输入的源气转换为气体团簇束的超声喷嘴210，以及沿所述气体团簇束喷射方向依次设置的团簇离子源真空室220、设置在团簇离子源真空室220内的滤束器230，以及电离真空室240，设置在所述电离真空室240内的离子发生器250、加速电极260、磁场分析器270、中和器280。

所述超声喷嘴210的输入端伸出至所述团簇离子源真空室220外，并与源气供给单元连接，以接收源气供给单元充入的源气。所述团簇离子源真空室220可为气体团簇束的形成提供真空环境。其中，源气的气体分子进入超声喷嘴210，由流体状态的变化在超声喷嘴210内形成高压低温条件，并经由超声喷嘴210输出端输出后形成气体团簇束。所述滤束器230用于将产生的气体团簇束转换为准直的团簇束并导入至电离真空室240内。

电离真空室240内的离子发生器250用于发射电子束，以使所述团簇束在所述电子束的轰击作用下发生电离，电离后的团簇束形成带电的团簇束。所述加速电极260用于对电离后的团簇束进行加速处理。所述磁场分析器270用于产生磁场，以使加速后的团簇束在所述磁场的作用下发生偏转以去除所述团簇束中的单原子离子束及小团簇，以形成质量单一的团簇离子束，并将形成的团簇离子束输送至所述中和器280。所述中和器280用于发射低能电子，以使所述低能电子与所述团簇离子束发生作用形成中型团簇束流，所述中型团簇束流进入所述加工真空腔室100并作用于所述待加工光学元件的表面。

通过以上过程，第一团簇离子束产生装置可将输入的源气转化为对应的团簇离子束，其中，需要说明的是，本实施例中，第二团簇离子束产生装置和第三团簇离子束产生装置的结构以及实现原理均与第一团簇离子束产生装置相同，后续不再赘述。

可选地，本实施例中，所述第一团簇离子束产生装置将输入的第一ar团簇气体源转化为第一ar团簇离子束，其中，所述第一ar团簇气体源的原子数量在1～200之间，所述第一ar团簇离子束的能量大于等于20kv。

将所述第一ar团簇离子束以第一入射角的方向作用于所述待加工光学元件以对所述待加工光学元件进行加工，其中，所述第一入射角为0°～90°，如图5中所示的入射角θ。

步骤s120，在所述待加工光学元件的面形精度在所述第二预设阈值的基础上，开启所述多个团簇离子束产生装置200中的第二团簇离子束产生装置并采用第二预设加工模式对所述待加工光学元件进行加工，直至所述待加工光学元件的面形精度小于第三预设阈值。

本实施例中，在待加工光学元件的面形精度在第二预设阈值的基础上，即面形精度在60nm的基础上，可开启第二团簇离子束产生装置并采用第二预设加工模式进行加工。其中，第二团簇离子束产生装置以c60作为团簇离子源，可将c60团簇离子源转化为c60团簇离子束，以所述c60团簇离子束对所述待加工光学元件进行加工，以使所述待加工光学元件的面形精度小于30nm。

其中，所述第二团簇离子束产生装置将输入的c60团簇气体源转化为c60团簇离子束，其中，所述c60团簇气体源的原子数量为60，所述c60团簇离子束的能量在10kv～30kv之间。

将所述c60团簇离子束以第二入射角的方向作用于所述待加工光学元件以对所述待加工光学元件进行加工，其中，所述第二入射角为0°～90°。

步骤s130，在所述待加工光学元件的面形精度小于所述第三预设阈值的基础上，开启所述多个团簇离子束产生装置200中的第三团簇离子束产生装置并采用第三预设加工模式对所述待加工光学元件进行加工，直至所述待加工光学元件的表面粗糙度小于设定值。

在待加工光学元件的面形精度小于30nm时，一般该面形精度已可达到加工要求。在待加工光学元件的面形精度达到要求的情况下，可采用第三团簇离子束产生装置并采用第三预设加工模式对待加工光学元件进行加工。

其中，第三团簇离子束产生装置以ar作为团簇离子源，第三团簇离子束产生装置将ar团簇离子源转化为第二ar团簇离子束，以所述第二ar团簇离子束对所述待加工光学元件的表面进行c沉积清洁以及平滑加工，以使所述待加工光学元件的表面粗糙度小于设定值，其中，所述设定值为1nm。

其中，所述第二ar团簇离子束的原子规模及团簇离子束能量有别于第一ar团簇离子束。所述第二ar团簇离子束的原子数量在1000～3000之间，所述第二ar团簇离子束的能量在10kv～30kv之间。所述第三团簇离子束产生装置将输入的第二ar团簇气体源转化为第二ar团簇离子束。将所述第二ar团簇离子束以第三入射角的方向作用于所述待加工光学元件的表面，以对所述待加工光学元件表面上的c沉积进行清洁，并对所述待加工光学元件的表面进行平滑加工，其中，所述第三入射角为0°～90°。

通过以上步骤，利用激光干涉仪测量待加工光学元件的初始面形精度，若初始面形精度大于600nm，则采用大去除模式的团簇加工。可利用第一团簇离子产生装置产生第一ar团簇离子束，其中，第一ar团簇离子束的源气的原子数量在1～200之间，能量大于等于20kv。并以入射角20°～70°作用于待加工光学元件的表面，使其面形精度快速收敛至60nm。

在待加工光学元件的面形精度在60nm的基础上，采用第二团簇离子产生装置产生c60团簇离子束，其中，c60团簇离子束的源气的原子数量固定为60，能量在10kv～30kv之间。并以入射角20°～70°作用于待加工光学元件的表面，使其面形精度小于30nm。

在待加工光学元件的面形精度小于30nm时，可满足加工要求，此时采用第三团簇离子产生装置产生第二ar团簇离子束，其中，第二ar团簇离子束的源气的原子数量在1000～3000之间，能量在10kv～30kv之间。并以入射角20°～70°作用于待加工光学元件的表面，以对所述待加工光学元件表面上的c沉积进行清洁，并对所述待加工光学元件的表面进行平滑加工，以使所述待加工光学元件的表面粗糙度小于1nm。

本实施例所提供的光学元件面形修正方法，不仅适用于熔石英光学元件的高精度面形修整，也可以用于其他材料的光学元件的高精度面形加工，在提高光学元件面形精度的同时能降低加工区域的表面粗糙度。

综上所述，本申请实施例提供的光学元件面形修正方法及装置，通过利用集成了多个团簇离子束产生装置200的修正装置，在待加工光学元件的不同的面形精度的情况下，选择适宜的团簇离子束产生装置200以产生对应的团簇离子束，并以不同的加工模式对待加工光学元件进行加工，在提高待加工光学元件面形精度的同时降低加工区域的表面粗糙度。

在本发明的描述中，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其他方式实现。以上所描述的装置和方法实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的预设数量个实施例的装置、方法和计算机程序产品可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分。所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或预设数量个用于实现规定的逻辑功能。

也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。