介绍了一种新型光学抛光工艺，称为“收敛抛光”，该工艺可实现更快、成本更低的抛光。与传统抛光工艺不同，收敛抛光允许玻璃工件仅通过单次迭代即可达到最终的表面形状，且表面质量高，无需调整抛光参数。
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本文内容
摘要
摘要
收敛抛光是一种用于完成平面和球面玻璃光学元件的新型抛光系统与方法，在该方法中，工件无论其初始形状（即表面面形）如何，均可在单次抛光循环中，在一组固定不变的抛光参数下，收敛至具有优异表面质量的最终面形。相比之下，传统的全口径抛光方法需要经过多次、通常耗时较长的迭代循环，包括抛光、检测计量以及工艺调整，才能达到所需的表面面形。收敛抛光工艺基于工件与抛光模之间高度不匹配的概念，由此产生的压力差随材料去除而逐渐减小，从而使工件面形逐渐收敛至抛光模的形状。成功实施收敛抛光工艺的关键在于综合运用多种技术，以消除除工件-抛光模不匹配之外所有导致空间材料去除不均匀的因素，实现面形收敛，同时减少系统中的游离颗粒数量，从而获得较低的划痕密度和表面粗糙度。收敛抛光工艺已在多种玻璃材料上验证，适用于不同形状、尺寸和宽高比的平面与球面元件的制造。其实际意义在于，能够以更快的速度、更高的重复性、更少的计量检测和更少的人工投入来制造高质量光学元件，从而降低单件成本。本研究中，具体描述了采用收敛抛光工艺从精细磨削表面开始，加工26.5 cm见方的熔融石英平面元件，使用直径为81 cm的抛光机，每表面抛光4小时后，获得表面面形约为λ/2的抛光表面的完整操作流程。
引言
典型的光学元件制造过程主要包括成形、研磨、全口径抛光，有时还包括小工具抛光1-3。随着成像和激光系统对高质量光学元件需求的不断增加，过去几十年来光学制造技术取得了显著进展。例如，得益于计算机数控（CNC）玻璃成形设备的进步，在成形和研磨过程中现已能够实现高精度、确定性的材料去除。同样，小工具抛光技术（例如，计算机控制光学表面成型（CCOS）、离子束修形和磁流变抛光（MRF））的发展也实现了确定性材料去除和表面面形控制，从而极大地推动了光学制造行业的发展。然而，加工过程中的中间步骤——全口径抛光——仍缺乏高度的确定性，通常需要经验丰富的光学技师通过多次、耗时较长的迭代循环，并结合多种工艺调整，才能达到所需的表面面形1-3。
大量的抛光方法、工艺参数，以及工件、抛光盘和抛光液之间复杂的化学与机械相互作用3-4，使得将光学抛光从一种“技艺”转变为一门科学极具挑战性。为了实现确定性的全口径抛光，必须充分理解材料去除率。历史上，材料去除率通常由广泛使用的普雷斯顿方程5来描述
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方案
1. 抛光剂和抛光液的准备
首先准备汇聚抛光系统（简称 C收敛的， 我初始表面无关的， S单次迭代， R无颗粒抛光剂 或 CISR （发音为“scissor”）7,17 通过安装垫片 & 隔膜，润洗垫片，稀释 & 化学稳定化浆料，并将浆料整合到过滤系统中。
- 在CISR抛光机上，将聚氨酯垫粘附到花岗岩抛光基座上。先将垫子的一边粘上，然后朝对侧边缘方向施加压力，以尽量减少气隙。修剪多余部分的垫子，必要时使用剃刀刀片和滚轮刺破并去除气泡。
- 首次使用及每研磨约100小时后，使用化学机械抛光金刚石修整器（直径50 mm；施加压力0.6 psi；在每个径向研磨位置停留5分钟，间距增量25 mm；研磨盘转速25 rpm）并配合流动的去离子水对金刚石研磨垫进行修整。
- 在抛光步骤之间，使用一个 原位 超声波清洗器（每个径向位置停留约 2 分钟；晶圆旋转 5 rpm），同时流动去离子水。
- 在形状独特的隔膜片上，粘贴双面泡沫胶带....
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结果
上述收敛抛光（Convergent Polishing）工艺可在单次迭代中，对一块经研磨的熔融石英工件（本例中为26.5 cm见方）的每个表面进行约4小时的抛光处理，使其达到峰谷平坦度约λ/2（约330 nm）的水平，适用于低长宽比工件；而对于高长宽比工件，则可达约1λ（约633 nm）（见图3）。该工艺可反复将工件收敛至相同的最终表面面形，无需调整抛光参数，且不受初始表面面形的影响。此外，在上述条件下，工件的平均材料去除率稳定达到约4 µm/hr，从而实现快速收敛，并去除足够的材料以确保彻底清除研磨表面的亚表面损伤层。典型的精细研磨工件表面（例如，使用9 µm氧化铝游离磨料处理）在整体蚀刻前的亚表面机械损伤深度约为10 µm，蚀刻后约为4 µm；因此，工件表面每个横向位置至少需去除相应厚度的材料23,24。在不同初始表面面形（包括凹面或凸面）的多种圆形和方形工件上应用收敛抛光工艺实现表面面形收敛的其他示例见图4。
化学稳定抛光液19,20，结合使用工程.......
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讨论
如引言部分所述，要成功实现与表面面形相关的汇聚抛光（Convergent Polishing），关键在于消除或最小化所有影响空间材料非均匀性的因素，唯独保留因工件形状导致的工件与抛光模不匹配所引起的非均匀性。如果这些因素中的任何一个未能通过工艺控制或抛光设备的合理设计得到有效抑制，则无法实现或维持理想的收敛点；因此，每一项抑制措施都至关重要。为说明这一点，图6展示了在汇聚抛光技术开发过程中，随着一系列抛光实验的进行，工件上收敛点表面面形（以峰谷表面高度表示）的大小及其重复性变化情况。在每一系列实验中，均引入了一项新的抑制措施。最后一组实验（系列M），代表当前的汇聚抛光方案与系统，显示出较低且可重复的收敛点。
因此，汇聚抛光（Convergent Polishing）工艺与系统集成了多项已开发的技术，通过最大限度减少 rogue 颗粒，实现表面面形的收敛性、高材料去除率以及高表面质量（低划痕密度、低表面粗糙度）。关键使能技术包括：一种新型成型隔膜，该隔膜由玻璃或非磨损材料制成并加载于抛光垫上，可补偿抛光垫的非均匀磨损，改善温度均匀性.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作在美国能源部合同 DE-AC52-07NA27344 框架下，由劳伦斯利弗莫尔国家实验室在 LDRD 项目资助下完成。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| MHN 50 mil 聚氨酯垫片 | Eminess Technologies | PF-MHN15A050L-56 | |
| 氧化铈抛光液 | Universal Photonics | HASTILITE PO | |
| 隔膜玻璃（水射流切割） | Borofloat ; Schott | NA | |
| 金刚石修整器 | Morgan Advanced Ceramics | CMP-25035-SFT | |
| 超声波清洗机 | Advanced Sonics Processing System | URC4 | |
| Optima 过滤器滤芯（纯化用） | 3M | CMP560P10FC | |
| 阻挡沥青 | Universal Photonics | BP1 | |
| 阻挡胶带 | 3M | #4712 | |
| 洁净室布 | ITW Texwipe | AlphaWipe TX1013 | |
| 单颗粒光学传感系统 | Particle Sizing Systems | Accusizer 780 AD |
参考文献
- Thompson, B., Malacara, D. Ch 28. Handbook of optical engineering. Optical fabrication. , CRC Press. (2001).
- Karow, H. Fabrication Methods for Precision Optics. , Wiley. (1993).
- Brown, N. J. A short course in optical fabrication technology. Optical Society of America Annual Meeting, 1981 Oct 26, Orlando, FL, USA, , Lawrence Livermore National Lab. (1981).
- Co....
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