（机械工程专业论文）光学镜面离子束修形理论与工艺研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 随着光学性能要求的不断提高，武器装备、太空观测、激光核聚变、极紫外 光刻等领域对光学元件的精度要求越来越高，且数量要求越来越大，使光学元件 的加工面临严峻的挑战。目前的计算机控制光学表面成形( c c o s ) 工艺虽然与传 统的加工相比能大大提高加工效率，但是仍然不能满足要求，主要是加工精度低、 面形收敛慢、容易产生中高频误差、存在边缘效应等。离子束修形( i b f ) 工艺利 用离子源发射的离子束轰击光学镜面时发生的物理溅射效应，达到去除光学元件 表面材料的目的。由于i b f 工艺独特的材料去除方式，使i b f 工艺的去除函数非 常稳定，对加工距离、工件表面起伏、环境振动、工件支撑都不敏感，并且去除 函数形状好、无边缘效应。这些优点决定了i b f 工艺加工光学镜面精度高、面形 7 、收敛快，使其成为了高精度光学镜面特别是高精度非球光学镜面加工的有效方法。 虽然国外从9 0 年代初以来就有i b f 技术的成功应用，但由于i b f 技术工艺相 对复杂、成本相对较高，国内基本未开展相关研究。由于i b f 技术在军事上和商 业上的巨大应用价值，必须对相关的理论和工艺进行研究，力争实现高精度光学 镜面的i b f 加工。论文针对i b fi 艺的去除函数、驻留时间、修形能力、加工误 差和加工工艺等关键问题展开深入研究，并进行了充分的试验验证。论文的研究 工作包括以下几部分： 1 对去除函数进行了建模和分析。利用s i g m u n d 溅射理论建立了去除函数的 理论模型，根据建立的理论模型分析了去除函数的特性，主要分析了表面曲率和 入射角度偏差对去除函数的影响；讨论了利用试验估计去除函数的方法，提出了 线扫描试验法；在自研的i b f 设备k d i f s 5 0 0 上进行了去除函数试验，研究了去 除函数的形状、稳定性和保形性。 2 驻留时间求解问题是i b f 工艺中的关键问题，为了解决驻留时间求解中的 边缘效应问题和参数优化问题，本文研究了两种驻留时间求解方法。首先引入了 c e h 模型，该模型能完全消除边缘效应，采用了t s v d 正则化算法求解该模型， 定义了加工预测曲线( 加工时间v s 加工残差) ，发现该曲线具有字母“l 形状， 利用加工预测曲线的这一性质可以确定出t s v d 算法中合理的正则化参数。其次 由于t s v d 算法计算速度慢，研究了计算速度快的迭代算法，使用了边缘平滑延 拓方法减小了迭代法中的边缘效应，应用加工预测曲线实现了迭代法中的参数优 化，使迭代法进一步实用。 3 对修形能力进行了理论研究和试验验证。针对确定性抛光工艺过程对不同 频率误差的修正能力，即修形能力，提出了量化评价指标材料去除有效率， 它定义为期望去除的材料量体积与实际去除的材料量体积之比；首先分析了高斯 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 型去除函数的修形能力，分析得出i b f 工艺对不同频率误差的修正能力与离子束 直径有关，并得出了定量关系；然后进一步分析了任意形状去除函数的修形能力， 并具体分析了回转对称型去除函数的修形能力和一维加工情况下的修形能力；最 后进行了3 个正弦面形的刻蚀试验，验证了修形能力分析的预测结果。 4 对i b f 工艺中的主要误差源进行了分析。以确定性抛光工艺过程的二维卷 积模型为基础分析了定位误差和去除函数误差对加工结果的影响，分析得出：定 位误差引起的加工残差近似等于面形梯度矢量和定位误差矢量的内积，去除函数 误差引入的加工残差正比于加工量。 5 对加工工艺进行了改进。为了减小定位误差，提出并实现了定位优化方法； 为了缩短加工时间，实现了速度加工模式；为了优化加工路径，提出并实现了等 面积增长螺旋线加工路径。这些工艺的改进有利于提高面形收敛比和提高加工精 度。 6 、最后进行了大量舶i b f 试验和应用所加工的光学镜面包括平面镜、球面 镜和非球面镜，材料包括微晶玻璃和s i c ，形状包括圆形和椭圆形，加工结果的面 形精度( 1 蝴s 值) 都小于1 0 r i m ( 最好为3 1 n m ) ，试验结果验证了本文研究所得 出的结论。 主题词：离子束修形抛光非球面去除函数驻留时间残留误差 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t w i 也t h ee v e r - i n c r e a s i n gd e m a n d so np e r f o r m a n c e s ，o p t i c su s e di nm o d e mo p t i c a l s y s t e m ss u c ha sw e a p o n s ，t e l e s c o p e s ，l a s e rf u s i o ns y s t e m sa n de x t r e m eu l t r a v i o l e t l i t h o g r a p h y ( e u v l ) s y s t e m sd e m a n d h i g h e ra c c u r a c ya n dm o r eq u a n t i t y 耶1 ep r e s e n t w i d e l yu s e dc o m p u t e rc o n t r o l l e do p t i c a ls u r f a c i n g ( c c o s ) t e c h n i q u e ，a l t h o u g hg a i n s m o r ee f f i c i e n c yt h a nc o n v e n t i o a n a lp o l i s h i n gm e t h o d s ，c a l ln o ts a t i s f yt h ec r i t i c a l d e m a n d sd u et oi t sl o w e ra c c u r a c ya n dl o w e rc o n v e r g e n c er a t i o m o r e o v e r , i to f t e n c a u s e sh i g h - m i d d l ef r e q u e n c ye r r o ra n de d g ee f f e c t so no p t i c a ls u r f a c e i o nb e a m f i g u r i n g ( i b f ) ，w h i c hr e m o v e ss u r f a c em a t e r i a lb yp h y s i c a ls p u t t e r i n g ，h o l dv e r ys t a b l e b e a mr e m o v a lf u n c t i o n ( b r f ) d u et oi t s u n i q u em a n n e rt or e m o v em a t e r i a l i ti s i n s e n s i t i v et om a c h i n i n gd i s t a n c e ，s u r f a c ec u r v a t u r e ，e n v i r o n m e n tv i b r a t i o na n do p t i c s s u p p o r t m o r e o v e r , i t sb r fi s i ng a u s s i a n s h a p ea n di sf r e eo fe d g ee f f e c t c o 勰邓衄n y ，r m f p r o c e s s 姗铂b t a i n 恤g h 嬲删a n dh i 薛o m 孵c r g e n c er a t i o 细 o t h e rd e t e r m i n i s t i cp r o c e s s ，w h i c hm a k e si ta l le f f e c t i v ea n da p p l i c a b l et e c h n i q u et o p r o d u c eh i g ha c c u r a c yo p t i c a ls u r f a c e s ，e s p e c i a l l ya s p h e r i cs u r f a c e s a l t h o u g hi b fp r o c e s sh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e ds i n c et h ee a r l y9 0 s ，t h e r ei s l i t t l ew o r ko ni ta th o m ed u et oi t sr e l a t i v ec o m p l e x i t ya n di t sh i g hc o s t b e c a u s ei ti sa k e yt e c h n o l o g yt op r o d u c eh i g hp r e c i s i o no p t i c a ls u r f a c e su s e di nb o t hm i l i t a r ya n d c o m l l l e r c e ，w es h o u l dd e v e l o pi t n l i st h e s i si sd e d i c a t e dt ot h et h e o r ya n dt e c h n o l o g y o fm fp r o c e s s ，i n c l u d i n gr e m o v a lf u n c t i o n , d w e l lt i m e ，e r r o rc o r r e c t i n ga b i l i t y ，e r r o r $ o u l c 宅s ，p r o c e s s i n gt e c h n i q u ea n dp l e n t i f t de x p e r i m e n t s 1 1 km a j o rr e s e a r c he f f o r t s i n c l u d et h ef o l l o w i n gp o i n t s 1 1 f 1 1 cb r fi nm f p r o c e s si sm o d e l e da n ds t u d i e d f i r s t , t h et h e o r e t i c a lm o d e lo f b r fi sf o u n d e du s i n gt h es i g m u n dt h e o r y t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb r fa r e i n v e s t i g a t e da c c o r d i n gt ot h em o d e l 1 1 1 em e t h o d st oe s t i m a t eb r fb ye x p e r i m e n t sa r e d i s c u s s e da n dan e wm e t h o dn a m e dl i n es c a nm e t h o di sp r o p o s e d u s i n gl i n es c 锄 m e t h o dt h es t a b i l i t yo fb r fc a l lb ei n v e s t i g a t e d f i n a l l y ，s o m ee x p e r i m e n t sa r e p e r f o r m e do i lk d i f s - 5 0 0t ot e s tt h es h a p e s t a b i l i t ya n dc o n f o r m a b i l i t yo fb i 心 2 i no r d e rt od e t e r m i n ed w e l lt i m e ，w h i c hi st h ek e yi n p u tv a r i a b l ef o rs u c c e s s f u l f i g u r i n gp r o c e s s e s ，t w oa p p r o a c h e sa r ei n v e s t i g a t e d 谢n le m p h a s e s0 1 1e d g ee f f e c ta n d p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n f i r s t , t h ec e hm o d e li si n t r o d u c e d 。w h i c hc a nc o m p l e t e l y e l i m i n a t ee d g ee f f e c t t h et s v dr e g u l a d z a t i o na l g o r i t h mi sa l s oi n t r o d u c e di no r d e rt o s o l v et h ec e hm o d e l 。a n dt od e t e r m i n ear e a s o n a b l er e g u l a r i z a t i o np a r a m e t e ri nt h e t s v da l g o r i t h m an e wc u r v en a m e df i g u r i n gp r e d i c t i o nc a lv ei sp r o p o s e da n da p p l i e d ， w h i c hi sd e f i n e da sp r o c e s st i m ev s r e s i d u a la c c u r a c y l a s t l y ，t h ei t e r a t i v em e t h o dt o d e t e r m i n ed w e l lt i m ei sa l s oi n v e s t i g a t e dd u et oi t sl e s sc o m p u t i n gt i m e s o m e i m p r o v e m e n t sa r ep r o p o s e dt or e d u c ee d g ee f f e c ta n dt od e t e r m i n ear e a s o n a b l ed w e l l 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 t i m e ，w h i c hm a k e st h ei t e r a t i v em e t h o dm o r ep r a c t i c a l 3 t oe v a l u a t et h ec o r r e c t i n ga b i l i t yo fa f i g u r i n gp r o c e s st od i f f e r e n ts p a t i a l f r e q u e n c yf i g u r ee r r o r , aq u a n t i t a t i v ec r i t e r i o nn a m e dm a t e r i a lr e m o v a la v a i l a b i l i t y ( m r h ) i sp r o p o s e d , w h i c hi sd e f i n e da st h er a t i oo ft h ev o l u m eo fd e s i r e dm a t e r i a l r e m o v a lt ot h a to ft h er e a lm a t e r i a lr e m o v a l f i r s t , t h ec o r r e c t i n ga b i l i t yo fao a u s s i a n b r fi si n v e s t i g a t e da n dt h ei n v e s t i g a t i o ni n d i c a t e st h a tt h ec o r r e c t i n ga b i l i t yo fa l li b f p r o c e s si sd e t e r m i n e db yt h ed i a m e t e r 。o ft h ei o nb e a m ，a n dt h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i p i sg i v e n 。t h e n , t h ec o r r e c t i n ga b i l i t yo fa na r b i t r a r yb r fi si n v e s t i g a t e d f u r t h e r m o r e ， t h ec o r r e c t i n ga b i l i t yo fc i r c u l a rs y m m e t r i c a lb r fa n dt h ec o r r e c t i n ga b i l i t yo fo n e d i m e n s i o n a lf i 鲥n gp r o c e s sa r ed i s c u s s e d l a s t l y ，t h r e es i n ef i g u r e sa r ee t c h e db yi b f p r o c e s s e sa n d t h ef i g u r i n gr e s u l t sa g r e e 、i 廿lt h et h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n s 4 mm a j o re r r o rs o u r c e s ，t h ep o s i t i o n i n ge r r o ra n dt h eb r f se r r o r , a r e d i s c u s s e db a s e do nt h et w o d i m e n s i o n a lc o n v o l u t i o nm o d e l t h ei n v e s t i g a t i o ns h o w s t h a tt h er e s i d u a le r r o rr e s u l t e df r o mp o s i t i o n i n ge r r o ri st h ed o tp r o d u c to ft h ef i g u m e r r o rg r a d i e n t r c c t o ra n dt h ep 0 觚佣i i i ge r r o rv e c t o r , a n dt h er e s i d u a le r r o rr e s u l t e d f r o mac o n s t a n tb i a se r r o ro fb r fi sp r o p o r t i o n a lt ot h em a t e r i a lr e m o v a l 5 s e v e r a li m p r o v e m e n t sa l em a d eo np r o c e s s i n gt e c h n i q u e ap o s i t i o n i n g m e t h o di sp r o p o s e da n dr e a l i z e di no r d e rt or e d u c ep o s i t i o n i n gc n o r t h ev e l o c i t y p r o c e s sm o d ei sr e a l i z e di no r d e rt or e d u c ep r o c e s s i n gt i m e a n dan o v e ls p i r a ls c a n p a t hn a m e du n i f o r m - a r e a - g r o w t h - r a t i os p i r a lp a t hi sp r o p o s e da n dr e a l i z e dt oo p t m 眺 p r o c e s s i n gp a t h t h e s ei m p r o v e m e n t sa r eo fg r e a tb e n e f i t st oi b fp r o c e s sw i t hh i g h e r c o n v e r g e n c er a t i oa n dl e s sr e s i d u a le r r o r 6 f i n a l l y ，i b fe x p e r i m e n t sa 托p e r f o r m e do nav a r i e t yo fo p t i c a ls u r f a c e s i n c l u d i n gf l a t s ，s p h e r ea n da s p h e r e s , o nm a t e r i a l si n c l u d i n gz e r o d u rg l a s sa n ds i c ，a n d o ns h a p e si n c l u d i n gc i r c l ea n de l l i p s e n l ef i n a lr e s i d u a lc 玎0 r sa f t e ri b fp r o c e s sa r ea l l l e s st h a n1 0 u r nr m s ( t h eb e s tv a l u ei s3 11 1 1 1 1r m s ) t h es u c c e s s f u lf i g u r i n gr e s u l t s p r o v et h ev a l i d i t ya n da d v a n t a g e so f t h ep r o p o s e da l g o r i t h m sa n dt h ep r o p o s e dp r o c e s s i m p r o v e m e n t s k e yw o r d s ：i o nb e a mf i g u r i n gp o l i s h i n g a s p h e r i cs u r f a c e r e m o v a lf u n c t i o n d w e l it i m er e s i d u a ie r r o r 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表3 1 两种驻留时间求解方法的比较4 3 表4 1 材料去除有效率的仿真计算值和理论计算值的比较4 7 表4 2 正弦面形刻蚀试验结果5 5 表5 1 定位偏差对残差影响的仿真结果j 。5 9 表7 1s i c 镜各次迭代加工的时间和结果8 6 第页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1 极紫外光刻对光学镜面的加工精度要求【1 7 1 2 图1 2 确定性抛光工艺修形原理o 4 图1 3 确定性抛光工艺流程图5 图1 4 法国r e o s c 使用c c o s 技术加工8 mv l t 主镜6 图1 5 美国s t e w a r d 实验室使用应力盘抛光( s l p ) 技术加工8 4 ml b t 主镜7 图1 6 磁流变抛光装置系统结构及抛光原理图8 图1 7q e d 的最新m r f 机床q 2 2 9 5 0 f 抛光1 4 , 8 4 0 m m 的非球面镜8 图1 8 国防科技大学研制的m r f 机床k d m r f 1 0 0 0 ：9 图1 9 磁射流抛光原理示意图【7 9 1 。1 0 图1 1 0 磁射流抛光大长径内腔的试验【8 l 】1 0 图，l ：n 离子束修形原理1 1 图1 1 2k a u f i n a n 离子源结构及原理图矗1 1 图1 13 物理溅射过程示意图1 2 图1 1 4k o d a k 公司的离子束抛光系统( i f s ) ( 完成于1 9 8 9 年) 1 4 囹1 1 5 离子束抛光设备1 4 图1 1 6 德国n t g l 公司通过设置遮挡板来减少离子束直径以提高修形能力1 5 图1 1 7c a n o n 公司利用i b f 技术进行e u v l 镜面修形的试验结果1 5 图2 1 入射离子在固体内的能量沉积分布图【1 0 9 1 1 7 图2 2s r i m 2 0 0 3 软件仿真结果( 5 0 0 0 粒能量为5 0 0 e v 的心离子入射s i 0 2 ) 1 8 图2 3 倾斜入射时束流密度的投影关系1 9 图2 4 表面曲率对去除函数影响的系数大小2 0 图2 5 入射角误差对去除函数影响的数值计算结果2 1 图2 6 典型的高斯型去除函数2 2 图2 7 去除函数试验流程2 2 图2 8 线扫描试验法中的材料去除量示意图2 3 图2 9 自行研制的离子束修形系统k d i f s 5 0 0 2 5 图2 1 0c x m 1 0 0 型激光波面干涉仪照片2 6 图2 1 1 去除函数形状试验结果2 7 图2 1 2 去除函数稳定性试验结果2 7 图2 1 3 不同入射角度( 0 0 9 0 ) 时的去除函数试验结果2 8 图2 1 4 倾斜入射时去除函数的相对变化率2 9 图3 1c e h 模型中误差点和加工点区域的选取方法3 1 图3 2 典型的加工预测曲线( “l 曲线”) 3 4 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图3 3 驻留时间求解仿真中所用的初始面形误差3 4 图3 4 驻留时间求解仿真中所用的去除函数3 5 图3 。5t s v d 算法仿真中计算所得的l 曲线”3 5 图3 6 不同截断参数七值时的驻留时间求解结果3 6 图3 7 线性方程组方法的最终求解结果。3 6 图3 8 边缘平滑延拓流程3 9 图3 9 迭代法中典型的加工预测曲线4 0 图3 1 0 仿真误差面形进行边缘延拓之后的结果4 l 图3 1 1 迭代法仿真中的加工预测曲线4 1 图3 1 2 迭代法求解中的面形收敛过程- 。4 2 图3 1 3 应用边缘平滑延拓后迭代法的求解结果4 2 圉3 1 4 零边界时迭代法的求解结果4 2 图4 2 1 修形过程的材料去赊量示意图 、 图4 2 直径为3 0 r a m 的去除函数4 6 图4 3 空间波长彳为6 0 m m 时的面形误差。4 7 图4 4 空间波长力为6 0 m m 时仿真的加工材料去除量4 7 图4 5 空间波长五为6 0 m m 时的材料去除量剖面图4 7 图4 6 材料去除有效率的仿真计算值和理论计算值的比较4 8 图4 7 日本东京大学离子束修形试验结果的中频p s d 谱比较【1 2 6 4 9 图4 8 去除函数试验结果5 2 图4 9 波长为7 0 m m 的正弦面形刻蚀试验结果：5 3 图4 1 0 波长为4 0 m m 的正弦面形刻蚀试验结果5 4 图4 1 l 波长为2 0 m m 的正弦面形刻蚀试验结果。5 4 图5 1 不同定位偏差时仿真加工的残差结果。5 8 图6 1 光学镜面坐标系与机床坐标系之间的位置关系6 3 图6 2 定位试验中去除函数的机床坐标位置。6 5 图6 3 定位试验前后的面形测量结果6 5 图6 4 定位试验中的材料去除量：6 6 图6 5 速度加工模式下正常迸给运动时的速度曲线6 8 图6 6 确定性抛光工艺中常用的两种加工路径6 9 图6 7 等面积增长螺旋线( ，= b o y 2 ) 7 0 图7 1z y g ox p d 1 0 0 0 型激光波面干涉仪( i e 在检测巾1 0 0 l l m 的样镜) 7 3 图7 2z y g on e wv i e w2 0 0 型三维表面形貌轮廓仪。7 4 图7 3 样镜1 离子束修形前的面形测量结果7 5 第页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图7 4 样镜1 离子束修形使用的去除函数7 5 图7 5 样镜l 离子束修形加工中的照片：7 5 图7 6 样镜l 离子束修形后的面形测量结果7 6 图7 7 样镜l 加工前后面形误差的p s d 谱比较7 7 图7 8 样镜1 加工前后的表面粗糙度测量结果7 7 图7 9 样镜l 加工前后的表面粗糙度测量数据的p s d 谱比较7 8 图7 1 0 样镜2 加工前后的面形测量结果7 9 图7 1 1 样镜2 修形后8 5 口径内的面形测量结果( 2 1 n mr m s ) 7 9 图7 1 2 样镜2 加工前后面形误差的p s d 谱比较7 9 图7 1 3 样镜2 离子束修形并镀膜之后的照片8 0 图7 1 4 样镜2 离子束修形并镀膜之后的面形测量结果( 3 8 r i mr m s ) 。8 0 图7 1 5 样镜2 加工前后的表面粗糙度测量结果8 1 图7 , , 1 6 群镜2 加工前后的表面粗糙度测量数据的p s i ) 谱比较。9 1 图7 1 7 样镜3 离子束修形前的面形测量结果( 1 7 2 r i mp v ，3 2 3 n m 壬u s ) 8 2 图7 1 8 样镜3 等面积增长螺旋线路径上加工点的驻留时间8 2 图7 1 9 样镜3 离子束修形后的的面形测量结果( 5 8 3 r i mp v ，4 0 n mr m s ) 。8 3 图7 2 0 样镜3 加工前后面形误差的p s d 谱比较8 3 图7 2 1 椭圆型s i c 平面反射镜照片8 4 图7 2 2s i c 镜测量子孔径划分示意图8 4 图7 2 3s i c 镜的初始面形：8 5 图7 2 4s i c 镜的加工预测曲线8 5 图7 2 5s i c 镜离子束修形加工的照片，8 6 图7 2 6s i c 镜加工后最终的面形残留误差8 6 图7 2 7s i c 镜迭代加工的面形收敛曲线8 7 图7 2 8s i c 镜离子束修形后的全口径面形测量结果8 7 图7 2 9 巾2 0 0 m m 球面镜几何尺寸。8 8 图7 3 0 # 2 0 0 m m 球面镜加工中的照片8 8 图7 3 1 # 2 0 0 m m 球面镜迭代加工的面形收敛曲线8 9 囹7 3 2 巾2 0 0 m m 球面镜加工前后的测量结果8 9 图7 3 3 巾2 0 0 m m 球面镜加工前后的表面粗糙度测量结果9 0 图7 3 4g t 2 0 0 m m 抛物面镜的检测装置与方法：9 1 图7 3 5 耷2 0 0 m m 抛物面镜离子束修形前的面形测量结果9 l 图7 3 6 巾2 0 0 m m 抛物面镜初始状态的加工预测曲线9 2 图7 3 7 巾2 0 0 m m 抛物面镜迭代加工的面形收敛曲线9 2 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图7 3 8 巾2 0 0 m m 抛物面镜第一阶段修形之后的面形测量结果。9 3 图7 3 9 巾2 0 0 m m 抛物面镜第一阶段修形前后面形中频部分p s d 谱比较9 3 图7 4 0 巾2 0 0 m m 抛物面镜第二阶段修形前的面形测量结果9 4 图7 4 1 巾2 0 0 m m 抛物面镜c c o s 工艺抛光前后的面形中频p s d 谱比较9 4 图7 4 2k 2 0 0 m m 抛物面镜离子束修形之后的最终加工结果9 5 图7 4 3q 2 0 0 m m 抛物面镜第二阶段修形前后面形中频部分p s d 谱比较9 5 第v i i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：光堂鱼亘矗王塞堡丝垄诠生王艺丑窀 学位论文作者签名： 2 霾丝 日期：。l ，占年u - 月j 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：光堂镜亘壶壬塞堡壁堡途生王艺珏究 学位论文作者签名：j 丝日期：沙t ，年垆月，日 作者指导教师签名：茧 =魈 日期：矽伊r 年吁月f 日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 1 1 1 课题的来源 课题“光学镜面离子束修形理论与工艺研究 ，来源于“9 7 3 ”国家重大基础 研究项目“x x x 可控柔体制造科学基础研究”和国家自然科学基金项目“精密光 学制造的中高频误差分析与控制 ( 资助号：5 0 7 7 5 2 1 5 ) 。课题的目标是研究离 子束修形技术的理论与工艺问题，为有效解决高精度的光学镜面加工，特别是高 精度非球面的光学零件加工提供理论依据和技术支持。 1 1 2 课题研究的背景和意义 光学元件的精度是光学系统整体性能的关键参数之一。随着科学技术的发展， 各种应用领域的光学系统对光学元件的精度要求越来越高，特别是武器装备、太 空观测、激光核聚变、极紫外光刻等领域对光学镜面的精度提出了近乎苛刻的要 求【h 】，使光学元件的高精度加工面临严峻的挑战。 高精度光学元件在军事上的应用非常广阔，美国正在发展的一些军事激光项 目，例如陆基激光武器( n 也l ) 、天基激光武器( a b l ) 、空基激光武器( s b l ) 、 空间中继镜系统( a r m s ) 等，都要求光学元件具有非常高的精度【4 】。各种导弹、 卫星、飞机等也需要大量的高精度光学元件，而且越来越普遍地采用非球面光学 元件或保形光学元件( c o n f o r m a lo p t i c s ) 口，6 l 。战斗机、直升机的瞄准镜以及导弹的 瞄准窗口如果使用保形光学元件，则能提高空气动力学性能、扩大视场，但是保 形光学元件由于面形梯度大，加工非常困难，一般的抛光方法难于胜任。 太空探索中的高精尖端仪器对光学元件的精度要求也非常高，以测量引力波 的l i c k ) 和v t r g o 两个项目为例【7 j ( l i g o 项目是由美国国家科学基金资助的引力 波探测科研项目；v h g o 是法国、意大利联合建造的“室女座 激光干涉仪引力波 观测站) ，l i g o 干涉仪光学主镜大小为巾8 0 m m ，表面形状精度要求为2 6 0 0 ( 1 0 n m ， 名= 6 3 2 8 n m ) ：v t r g o 干涉仪光学主镜大小为4 3 5 0 m m ，表面形状精度要求为2 2 0 0 ( 3 2 n m ) 。 激光惯性约束核聚变装置需要用到大量的高精度光学元件【8 9 1 ，以美国激光惯 性约束聚变( i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ，i c f ) i 程的“国家点火装置”( n a t i o n a l i g n i t i o nf a c i l i t y 。n i f ) 为例，整个装置的光学系统使用了，7 0 0 0 多件大口径光学零件。 镜面上高、中、低各频段误差对成像质量影响不一样：镜面的低频面形误差使得 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 成像扭曲变形，引入各种成像误差：镜面的中频误差使光线发生小角度散射，从 而使得所成像产生耀斑( f l a r e ) ，影响像的对比度；镜面的高频误差使光线发生广角 散射，从而影响光通量，降低镜面的反射率”“。据此，n i f 光学元件面形误差被 划分为三个空问波段【l l ”】：其中空间波长大于3 3 m m 的为低频段，波长在0 1 2 r a m 到3 3 m m 之间的为中频段( m i ds p a t i a lf r e q u e n c y r a n g e ，m s f r ) ，波长小于0 1 2 r a m 的为高频段( h i 西ls p a t i a lf k q u 锄c y r a n g e ，h s f r ) 并对每一频段误差都有严格 要求，为了评价各频段的误差是否满足要求。美国l l n l 实验室提出了以功率谱 密度( p o w e rs p e c t r a ld e n s i t yf u n c t i o n ，p s d ) 特征曲线( p s dc h a r a c t e rc u r v e ) 对 光学表面进行评价的新方法要求n i f 光学元件的功率谱线都在特征曲线之下l 】1 1 4 l 。 目前正在发展的下一代大规模集成电路制作技术极紫外光刻( e u v l ) 技 术中的极紫外反射光学元件，对加工更是提出了非常严峻的挑战”“。由于极紫外 光的波长很短，根据成像系统舶成像规律一个系统若要达到衍射极限下的分辨 率，系统的整体波前误差的均方根值需要d 、于k t l 4 ( 1 6 1 ，若极紫外光刻的工作波长是 1 3 n m ，在六块镜子组成的极紫外光刻物镜中，分配到每一