光学元件离子束抛光去除特性研究

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1、航天先进制造技术国际研讨会专栏2013年6月第3期光学元件离子束抛光去除特性研究王永刚肖正航王鹏（北京空间机电研究所，北京100076）摘要：针对微晶玻璃材料系统研究了加工时间、作用距离以及入射角度对去除函数的影响。实验及分析结果表明：加工时间及作用距离与去除效率呈线性关系；随着入射角的增大，理论与实际去除率偏差也随之增大，在入射角为0º～60º时，去除率偏差值变化范围为1.43%至3.38%，总体上仍小于5%的误差指标，满足非球面离子束超精密抛光的需求。关键词：去除特性；三轴离子束系统；归一化去除效率TheRemovalCharacteristicsofIonBeam

2、PolishingOpticalElementsWangYonggangXiaoZhenghangWangPeng(BeijingInstituteofSpaceandMechanics,Beijing100076)Abstract：Theeffectofworkingtime,workingdistanceandincidentangleonremovalcharacteristicswereinvestigatedcomprehensivelyinthispaper.Itindicatesthattheremovalratevariedlinearlywithinc

3、reasingworkingtimeandworkingdistance.Andastheincidenceangleincreasingfrom0ºto60º,thedeviationofremovalratewasalsoincreasedfrom1.43%to3.38%gradually.AllofthemmakethebasicconditionforpolishingasphericmirrorsdeterminedlywithIBF.Keywords：removalcharacteristics；three-axisIBFsystem；normalizedr

4、emovalrate1引言实施离子束确定性加工的前提是了解离子束的去除特性，并获取稳定可靠的去除函数。针对空间用在高分辨率光学相机研制中，非球面反射镜的高高精度非球面，纳米量级的可控非接触去除是实现高精度面形要求和加工周期是制约这些型号产品研制精度修形的基础，需要开展离子束去除函数特性的基[7～11]进度的最主要因素之一。现阶段，随着高分辨率遥感础工艺研究。因此，本文主要以微晶玻璃材料为器的研制及非球面反射镜口径的进一步增大，对加工基础，采用试验验证即数据分析的方式探索去除函数效率及加工精度的需求就更加突出。分布与作用时间、作用距离、束流入射角度的关系，离子束抛光技术是

5、一种柔性非接触加工技术，利揭示离子束去除函数的特性。用高能氩离子轰击材料表面，对材料实现纳米量级的[1～3]可控去除，加工中不会出现传统抛光方法中易产2离子束去除经验性公式[4～6]生的磨头磨损、边缘效应、网格效应等不利因素。因此离子束抛光技术往往处于加工过程中的最后一根据Sigmund溅射理论可建立离子束倾斜入射时[12～15]个环节，担负着去除上一道加工环节残留的误差和缺的去除函数理论模型，但由于加工中去除机理的陷及提升面形最终精度的重任。独特的材料去除原理复杂性，离子溅射理论模型只可对去除函数进行定性决定了离子束抛光高精度超薄镜、轻型镜、异型光学分析，但无法精确预

6、测去除函数的实际去除量。实际非球面时，比其它传统抛光技术具有更大的优势。加工时，去除函数成高斯型分布，如图1所示。作者简介：王永刚（1982-），博士，光学工程专业；研究方向：空间非球面反射镜超精密加工及检测技术。收稿日期：2013-05-168航天先进制造技术国际研讨会专栏航天制造技术图1离子束垂直入射情况下的去除函数分布a二维图b三维图图2加工时间与去除函数关系的实验对去除函数实验结果进行分析可知（表1）：可用高斯公式近似表示去除函数的分布，并对不同入射经过分析，可以获得去除函数与作用时间的关系角下的去除函数进行预测。假设离子束垂直入射情况如图3所示：去除函数的最大

7、去除深度及均方根去除下去除函数分布为：深度与加工时间成严格的线性关系。这一结论对解算2驻留时间非常重要，也是实现确定性加工的一个基本pr()=p0exp(−r2)（1）σ前提。式中：σ为去除函数方差，p为垂直入射时的最去除函数与作用距离的关系如图4所示，去除函0大峰值去除率，则去除函数直径为d=6σ。数的最大去除深度及均方根去除深度与作用距离成为揭示去除函数特性与入射角变化间的规律，可近似的线性关系。假设Z轴的重复定位精度为0.1mm，假设任意入射角下的去除函数分布也服从高斯分布。可以算出此时去除函数最大去除深度及均方根去除为了建模方便，