一种用于去除光学元件表面亚表层损伤的抛光方法

技术领域

本发明属于光学加工技术领域，具体涉及一种用于去除光学元件表面亚表层损伤的抛光方法。

背景技术

针对惯性约束核聚变、远程成像探测等应用，光学元件需要满足超光滑、低损耗要求，其制造方法必须满足消除表面疵病及亚表面损伤要求。光学元件的亚表面损伤是潜伏在光学元件表面之下的微裂纹、断裂、形变等缺陷，它会引起光的散射和信号的损失，并且增加激光的损伤阈值。对于高性能的光学元件，一般对其亚表面损伤状况有严格要求。

为了减少在抛光过程中对光学元件的亚表面损伤，专利号为CN202011006458.X(公开号为CN112192323A)的中国发明专利申请公开的《一种无亚表面损伤抛光设备及方法》，包括等离子体发生装置、磁场装置、高能带电离子束缚腔体、加工抛光真空腔体，通过磁场装置产生的磁场将等离子体发生装置产生的高能带电离子束缚隔离在加工抛光真空腔体中抛光区域以外的高能带电离子束缚腔体中，等离子体发生装置产生的自由基等离子体活性基团进入加工抛光真空腔体中抛光区域，实现抛光等；该专利有效减少工艺腔体内高能带电离子的数量，大量减少高能离子对光学元件表面的轰击溅射效应，可以有效去除光学元件的亚表面损伤层，明显改善光学元件的表面质量等。

但是真空等离子抛光的方法效率太低，而对于光学元件的抛光，是需要兼顾抛光精度和抛光效率的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种抛光效率高且抛光精度高的用于去除光学元件表面亚表层损伤的抛光方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于去除光学元件表面亚表层损伤的抛光方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：对光学元件进行古典抛光；

步骤二：对经过古典抛光的光学元件进行真空等离子体抛光。

为了达到更好的抛光效果，所述步骤一中，包括如下步骤：

(1.1)先将光学元件进行预抛光；

(1.2)对光学元件加压到4～8Mpa，机床主轴转速控制在30～40rpm，这样被测的光学元件通过机械压力，被压在浸满抛光液的抛光模上；

(1.3)对抛光模预热，可使抛光模上的沥青层因受热变软而增加塑性；

(1.4)在抛光模上加入抛光液，这样在光学元件和抛光模之间形成一层液体薄膜,这层膜起质量传输和传递压力的作用；

(1.5)开始抛光60～90min。

为了达到更好的抛光效果，所述步骤二中，包括如下步骤：

(2.1)开启真空室，放入经过古典抛光的光学元件，然后将真空室抽至本底压强；

(2.2)向等离子体源中充入工艺气体，所述工艺气体为Ar气、氧气以及SF

(2.3)将真空室的压强维持在工作压强20～40Pa，可以使反应气体SF

(2.4)打开射频电源，频率在80～100MHz，由于射频功率会影响等离子体对光学元件的去除速率，大于或低于这个频率，增幅较为平缓；

(2.5)开始抛光20～30min；

(2.6)抛光结束后，停止充入工艺气体，将真空室抽至本底压强；

(2.7)打开真空室，取出加工好的光学元件；

(2.8)将真空室抽至0～5Pa状态。

为了提高去除速率，所述步骤(1.1)中，预抛光方法为：先将极性溶剂涂覆在光学元件表面，然后将光学元件置于甩胶机上转动后，再用去离子水冲洗光学元件5～10min。

优选地，所述极性溶剂为甲醚或乙二醇。极性溶剂可以去除光学元件表面的污染物，甲醚的极性强，可以提高去除速率。申请人在实验过程中做了对比实验，与非极性化学溶剂异丙醇做了对比，极性溶剂的效果佳，在极性溶剂中，甲醚的效果更佳。

简单地，所述步骤(1.3)中，抛光模预热的方法为：将抛光模放入温水中4～5min。

优选地，所述步骤(1.4)中，所述抛光液为浓度为30％～50％的三乙醇胺溶液。

优选地，所述步骤(2.2)中，Ar及O

为了进一步提高对光学元件表面杂质的去除效率，在所述步骤(1.1)中，在进行预抛光之前，先通过磨片对光学元件进行打磨，并在打磨过程中加入水溶性冷却液进行冷却、清洗和润滑。

与现有技术相比，本发明的优点：本发明采用古典抛光和等离子抛光的复合抛光技术，能显著消除光学元件的表面与亚表面损伤，该复合抛光技术能够有效克服古典抛光造成光学元件表面和亚表面损伤以及等离子抛光的抛光效率低的问题，即将古典抛光与等离子体抛光结合，可以兼顾抛光效率和对损伤层的去除。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

下述实施例和对比例中，选用口径为300mm融石英光学元件样品，样品起始表面粗糙度为Ra2.45nm，其中Ra是衡量表面粗糙度的一个指标，为轮廓算数平均偏差，Rvmax表示亚表层损伤最大深度。

实施例1

本优选实施例的光学元件的起始表面粗糙度为Ra2.45nm，该用于去除光学元件表面亚表层损伤的抛光方法包括如下步骤：

步骤一：对光学元件进行古典抛光，该步骤一又包括如下步骤：

(1.1)先将光学元件进行预抛光，预抛光方法为：先将极性溶剂甲醚涂覆在光学元件表面，然后将光学元件置于甩胶机上以3000r/min的速度转动2min后，再用去离子水冲洗光学元件5min；

(1.2)对光学元件加压到4Mpa，机床主轴转速控制在30rpm；

(1.3)对抛光模预热，抛光模预热的方法为：将抛光模放入50℃的温水中5min；

(1.4)在抛光模上加入抛光液，抛光液为浓度为30％的三乙醇胺溶液(将三乙醇胺溶于水中)的冷却液；

(1.5)开始抛光60min。

经过古典抛光后，Ra＝1.85nm，Rvmax＝89.6nm；然后进行下述真空等离子体抛光；

步骤二：对经过古典抛光的光学元件进行真空等离子体抛光，该步骤二又包括如下步骤：

(2.1)开启真空室，放入经过古典抛光的光学元件，然后将真空室抽至本底压强；

(2.2)向等离子体源中充入工艺气体，所述工艺气体为Ar气、氧气以及SF

(2.3)将真空室的压强维持在工作压强20Pa；

(2.4)打开射频电源，频率在100MHz；

(2.5)开始抛光20min；

(2.6)抛光结束后，停止充入工艺气体，将真空室抽至本底压强；

(2.7)打开真空室，取出加工好的光学元件；

(2.8)将真空室抽至5Pa状态，抛光结束。

最终光学元件的Ra＝0.89nm，Rvmax＝7.367nm；由上可知，古典抛光最大的亚表层损伤深度为89.6nm，亚表面损伤很严重，经过等离子体抛光后，其最大的亚表层损伤深度降为7.367nm，亚表层损伤密度得到缓解。因此，等离子体抛光可以在很大程度上减少由古典抛光所带来的亚表层损伤。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于：

步骤一的(1.5)中，抛光时间为90min，其他同实施例1的步骤一；经过古典抛光后，Ra＝1.69nm，Rvmax＝87.3nm；

步骤二的(2.5)中，抛光时间为30min，其他同实施例1的步骤二；经过等离子体抛光后，Ra＝0.84nm，Rvmax＝5.367nm。

由实施例1和实施例2的对比可知，单纯延长古典抛光的抛光时间，并不能继续有效消除亚表层损伤，虽然再经过等离子体抛光后，样品的Ra相对于古典抛光变化并不大，但Rvmax显著变化，并且表面损伤层密度大幅度下降；适度延长等离子体抛光时间，则可获得损伤深度更小的表面。

实施例3

本优选实施例的光学元件的起始表面粗糙度为Ra2.45nm，该用于去除光学元件表面亚表层损伤的抛光方法包括如下步骤：

步骤一：对光学元件进行古典抛光，该步骤一又包括如下步骤：

(1.1)先将光学元件进行预抛光，预抛光方法为：先将极性溶剂甲醚涂覆在光学元件表面，然后将光学元件置于甩胶机上以3000r/min的速度转动2min后，再用去离子水冲洗光学元件10min；

(1.2)对光学元件加压到4Mpa，机床主轴转速控制在30rpm；

(1.3)对抛光模预热，抛光模预热的方法为：将抛光模放入50℃的温水中5min；

(1.4)在抛光模上加入抛光液，抛光液为浓度为30％的三乙醇胺溶液(将三乙醇胺溶于水中)的冷却液；

(1.5)开始抛光60min。

经过古典抛光后，Ra＝1.92nm，Rvmax＝110.70nm；

步骤二：对经过古典抛光的光学元件进行真空等离子体抛光，该步骤二又包括如下步骤：

(2.1)开启真空室，放入经过古典抛光的光学元件，然后将真空室抽至本底压强；

(2.2)向等离子体源中充入工艺气体，所述工艺气体为Ar气、氧气以及SF

(2.3)将真空室的压强维持在工作压强20Pa；

(2.4)打开射频电源，频率在80MHz；

(2.5)开始抛光20min；

(2.6)抛光结束后，停止充入工艺气体，将真空室抽至本底压强；

(2.7)打开真空室，取出加工好的光学元件；

(2.8)将真空室抽至0～5Pa状态，抛光结束。

最终光学元件的Ra＝0.92nm，Rvmax＝12.14nm。

实施例4

本优选实施例的光学元件的起始表面粗糙度为Ra2.45nm，该用于去除光学元件表面亚表层损伤的抛光方法包括如下步骤：

步骤一：对光学元件进行古典抛光，该步骤一又包括如下步骤：

(1.1)先将光学元件进行预抛光，预抛光方法为：先将极性溶剂甲醚涂覆在光学元件表面，然后将光学元件置于甩胶机上以3000r/min的速度转动2min后，再用去离子水冲洗光学元件5min；

(1.2)对光学元件加压到5Mpa，机床主轴转速控制在35rpm；

(1.3)对抛光模预热，抛光模预热的方法为：将抛光模放入50℃的温水中5min；

(1.4)在抛光模上加入抛光液，抛光液为浓度为30％的三乙醇胺溶液(将三乙醇胺溶于水中)的冷却液；

(1.5)开始抛光60min。

经过古典抛光后，Ra＝1.89nm，Rvmax＝100.57nm；

步骤二：对经过古典抛光的光学元件进行真空等离子体抛光，该步骤二又包括如下步骤：

(2.1)开启真空室，放入经过古典抛光的光学元件，然后将真空室抽至本底压强；

(2.2)向等离子体源中充入工艺气体，所述工艺气体为Ar气、氧气以及SF

(2.3)将真空室的压强维持在工作压强30Pa；

(2.4)打开射频电源，频率在90MHz；

(2.5)开始抛光20min；

(2.6)抛光结束后，停止充入工艺气体，将真空室抽至本底压强；

(2.7)打开真空室，取出加工好的光学元件；

(2.8)将真空室抽至5Pa状态，抛光结束。

最终光学元件的Ra＝0.87nm，Rvmax＝9.37nm；由上可知，改变古典抛光法的压力与转速，真空等离子体的的压强和电源频率，对光学元件的表面粗糙度影响不大，但Rvmax显著变化，并且表面损伤层深度大幅度下降。

实施例5

实施例5与实施例1的区别仅在于：

在步骤(1.1)对光学元件预抛光之前，先对光学元件进行打磨，并在打磨过程中加入水溶性冷却液进行冷却、清洗和润滑。

具体为：选用金刚石粒度为W28的精磨片作为磨具装在磨床主轴上作高速旋转以对光学元件进行研磨，同时加入浓度为50％水溶性冷却液(以水为主，加入少量三乙醇胺)进行冷却、清洗、润滑。

该实施例与实施例1对比，光学元件表面杂质的去除效率大大提高。

对比例1

该对比例的光学元件的抛光方法包括如下步骤：

(1.1)先将光学元件进行预抛光，预抛光方法为：先将极性溶剂甲醚涂覆在光学元件表面，然后将光学元件置于甩胶机上以3000r/min的速度转动3min后，再用去离子水冲洗光学元件15min；

(1.2)对光学元件加压到4Mpa，机床主轴转速控制在30rpm；

(1.3)对抛光模预热，抛光模预热的方法为：将抛光模放入50℃的温水中5min；

(1.4)在抛光模上加入抛光液，抛光液为浓度为30％的三乙醇胺溶液(将三乙醇胺溶于水中)的冷却液；

(1.5)开始抛光4h。经过处理后，光学元件的抛光表面粗糙度低于0.86nm，其亚表层损伤深度Rvmax最大可达到12.5nm。

由上述可知，该光学元件的抛光方法仅采用古典抛光方法，在古典抛光过程中，适当延长抛光时间可以显著减小亚表层损伤深度，但是单纯依靠时间延长，一方面效率降低，另一方面损伤无法继续减少。

对比例2

该对比例的光学元件的抛光方法包括如下步骤：

(2.1)开启真空室，放入经过古典抛光的光学元件，然后将真空室抽至本底压强；

(2.2)向等离子体源中充入工艺气体，所述工艺气体为Ar气、氧气以及SF

(2.3)将真空室的压强维持在工作压强20Pa；

(2.4)打开射频电源，频率在100MHz；

(2.5)开始抛光2h；

(2.6)抛光结束后，停止充入工艺气体，将真空室抽至本底压强；

(2.7)打开真空室，取出加工好的光学元件；

(2.8)将真空室抽至5Pa状态，抛光结束。

由上述可知，该光学元件的抛光方法仅采用等离子体抛光方法。在此条件下，平均刻蚀速率可达20nm/min，在起始表面粗糙度2.45nm时，工作时间2h，抛光表面粗糙度低于0.86nm。其亚表层损伤深度Rvmax最大可达到11.5nm。