Abstract
会聚抛光是一种新颖的抛光系统及方法用于精加工平面和球形玻璃光学其中一个工件，独立于它的初始形状（ 即表面图），将收敛到最终表面的数字与下一个固定的，不变的一组良好的表面质量在单个抛光迭代抛光参数。与此相反，常规的全口径抛光方法需要多个常长，涉及抛光，计量和工艺变化以获得所需的表面图的迭代循环。的收敛抛光过程是基于工件 - 研具失配的高度造成的压力差，与去除并导致工件会聚到搭接的形状减小的概念。成功地执行收敛抛光处理的是若干的技术的结合的结果，以除去非均匀的空间的材料去除（所有来源除了工件 - 研具失配）为表面图形收敛性和减少在系统中为低刮密度和低粗糙度流氓颗粒的数目。的收敛抛光过程已被证明为单位和各种形状，尺寸的球体，以及各种玻璃材料的长宽比的制造。的实际影响是，高品质的光学元件，可以更快速地制造，更多次，以较少的计量，并以更少的劳动，从而降低了单位成本。在这项研究中，收敛抛光协议是专门用于制造26.5厘米正方形熔融二氧化硅单位从细地面表面到抛光〜λ/ 2的表面图抛光表面每4小时就A 81厘米直径的抛光后说明。
Introduction
在一个典型的光学制造工艺的主要步骤包括整形，打磨，全口径抛光，有时小工具抛光1-3。凭借高品质的光学元件的需求成像和激光系统不断增加，出现了光学加工显著的进步在过去的几十年。例如，精密，确定性材料去除现在可以塑造和打磨工艺，在计算机数字控制的进步（CNC）玻璃成型机中。同样地，小工具抛光技术（ 例如 ，计算机控制光学表面（CCOS），离子辩别，而磁流变精加工（MRF）），导致确定性材料去除和表面形状控制，从而强烈地影响光学制造工业。然而，在整理过程中，全口径抛光的中间步骤，仍然缺乏确定性较高，通常需要熟练的opticiaNS开展多个，长常，迭代周期，多工艺变化，实现对所需的表面图1-3。
大量的研磨方法中，过程变量，以及复杂的化学和工件，搭接和浆料3-4之间的机械相互作用作出它具有挑战性的，从一个“艺术”到科学变换光学研磨。为了实现确定性全口径抛光，该材料去除速率，必须很好地理解。从历史上看，材料去除速率已经描述了广泛的应用普雷斯顿公式5
（1）
其中，DH / dt是平均厚度去除率，K p是普雷斯顿恒定的，σO被所施加的压力，而V r是在工件和研具之间的平均相对速度。 图1示意性地示出了如所描述的普雷斯顿公式，包括在速度的空间和时间的变化和压力，之间的差别影响的材料去除速率的物理概念施加的压力和压力分布工件经历，和摩擦效应6-8。具体地，经历了由工件的实际压力分布由一些现象强烈影响所得工件的表面图（在别处详细描述的6-8）的约束。另外，在普雷斯顿公式，微观和分子水平的影响在很大程度上折叠成宏观普雷斯顿常数（k p）的 ，这影响了整体材料去除率，微观粗糙度，甚至刮伤工件上。各种研究已扩大普雷斯顿的模型来解释对于微观粒子的浆垫，工件的相互作用来解释材料去除率和微粗糙度9-16。
为了实现表面图的过程中充分孔径抛光确定性控制中，每个上述的现象，需要理解，量化，然后进行控制。后面收敛抛光的策略是消除或最小化的材料去除不均匀的不良的原因，无论是通过工程化抛光的设计或通过过程控制，使得去除仅驱动由工件-研具失配由于工件形状7,17- 18。 图2说明了如何根据工件-研具失配的概念工件形状可导致收敛。考虑一台一圈，并在左上方显示复杂形状的工件的假设。该接口高度不匹配（称为间隙，ΔHOL）影响界面压力分布（σ）为：
内容“FO：保持together.within页=”总是“>
（2） 其中，h是常数，描述的速率将压力下降的增加间隙的ΔhOL 6。在这个例子中，工件具有在中心的最高局部压力（参见图2的左下角），因此这个位置将抛光期间观察的最高初始材料去除速率。作为材料被去除，横跨工件的压力差会减小，由于在工件 - 研具失配的降低，工件会收敛到搭接的形状。在收敛时，工件的压力分布，并且因此材料去除，将横跨该工件均匀（参照图2右侧的）。这个例子说明了一个平面搭接，howev呃同样的概念适用于一个球形棉卷（凹或凸）。同样，如果所有影响空间的材料的不均匀等现象已经消除了这种融合的过程才有效。在收敛抛光协议实施的具体程序和工程缓解在讨论中描述。
在以下研究中所描述的协议是收敛的抛光过程专门为26.5平方厘米的熔融石英玻璃工件从细地面开始。在8小时内抛光的（4小时/面），此工件可达到〜λ/ 2的抛光平坦度非常高的表面质量（ 即低刮密度）。
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Protocol
1.准备抛光和研磨液的
首先准备收敛抛光系统（特别是称为C onvergent， 我 nitial表面独立，S英格尔迭代，R ogue无颗粒抛光或CISR（发音为'剪刀'））7,17通过安装垫和隔，调节垫，稀释＆化学稳定浆料，并结合过滤系统内的浆液。
- 在CISR抛光，坚持聚氨酯垫到花岗岩一圈基地。一个边缘的第一附着垫和在方向施加压力朝向相对边缘，以尽量减少空气间隙。修剪悬垂垫，然后使用剃刀刀片和滚筒刺穿并在必要时除去气泡。
- 第一次使用时，每100〜h时抛光，金刚石条件使用CMP金刚石修整垫R（直径50mm; 0.6磅施加的压力; 5分钟停留在为25mm的间距增量每个径向圈位置;旋转一圈25转）用流动的去离子水。
- 用流动的去离子水，抛光迭代之间，从垫采用原位超声波清洗机（圈旋转5转〜2分钟停留在每个径向位置）清除残留的泥浆，玻璃制品。
- 上的形状独特的隔膜的重量，附着双面泡棉胶带，然后将隔膜材料（ 例如 ，预先切割的玻璃或其它非穿着材料）。修剪任何悬垂泡沫带相匹配的隔膜材料和重量的形状。注意隔膜设计（包括形状和重量）改变为不同尺寸的工件和研具7,17的。
- 制备抛光浆料以波美4浓度（具体地按体积混合〜1份氧化铈抛光浆料和〜9份去离子（DI）水的11部总cket）。检查波美用波美浮动。加〜5毫升KOH（10μM）的pH调节至9.5，并添加〜专有表面19120毫升（1体积％）。调整pH和波美抛光的每24个小时。
- 用准备好的泥浆进入过滤系统安装水桶。然后安装所需的CMP颗粒物过滤器进入过滤系统。让过滤系统内的淤浆再循环数小时。
- 浆料的测量的粒度分布（ 例如 ，使用单粒子光学传感技术），以确保尾端分布是充分流氓无颗粒9,20。
2.准备工件（蚀刻和方块）
前抛光，化学蚀刻作为接收的细地工件，以减少所需的除去亚表面研磨损伤21的材料去除量。然后，方框工件（如果纵横比（ 即长度/厚度）为> 10）使用一种新的音调按钮阻塞（PBB）技术，以防止工件从阻断和抛光22中弯曲。
- 蚀刻精细地工件（具体为265 X 265×8 mm 3的熔凝石英玻璃平板）的一个填充有高频罐：NH 4 F（6：1的缓冲氧化物蚀刻（BOE）3倍稀释用DI水）6小时除去10玻璃从工件表面微米。注意！京东方是非常危险的;穿戴适当的个人防护装备（PPE）。从蚀刻罐中取出工件，积极冲洗工件与去离子水，并允许工件风干垂直。
- 在使用明亮的光检查在黑暗的房间磨削过程中检查工件深的伤害。如果没有发现深的伤害，继续下一步，否则工件发回重磨。
- 升温阻挡间距在胶枪〜95ºC和地点沥青水滴（也称为按钮）（〜0.06克）上的脸堵板9×9阵列（81按键与26毫米间距）。对于不同尺寸的工件，请参考设计的理想数量，大小规则，和音调按钮22的间隔。放置阻挡板与所施加的按钮正视在预热烘箱中在70 ºC。
- 适用胶带到未待抛光工件的表面上。避免产生气泡或过度伸展的胶带。
- 放置工件用胶带面朝下到上的遮挡板在烤箱的按钮。覆盖工件键块，以尽量减少对流。 1.5小时后，将炉冷却至10℃/小时至室温。冷却后，就被阻止的工件的节距厚度应为〜1毫米。
3.收敛抛光
- 打开湿度系统在CISR抛光机的环境室中，以防止在抛光期间由干燥浆料，并尽量减少流氓颗粒划伤工件。
- 插件身高和挂载专门设计并准备入隔抛光。安装PBB工件放入CISR抛光和下部支臂保持工件。
- 在CISR波兰工件4小时以25转75毫米〜径向行程，并与从1加仑/分钟过滤系统泥浆流匹配一圈工件旋转速度。
注：阻挡板兼作工件上的负荷重量相应于0.6 psi的施加压力。 - 关闭一圈工件旋转和泥浆流。从CISR抛光去除PBB工件和沉没入DI装满水的浴缸。擦拭工件表面无尘布，而淹没。从浴中取出PBB工件和喷淋漂洗用去离子水。
- 分块工件通过插入垫片在工件块接口。从工件表面去除胶带。积极冲洗工件与DI水和空气干燥。
- PBB工件如第2部分所述，然后重复宝面对反对如在第3节中描述利升过程。
4.计量检验
- 使用干涉测量工件反射的两侧的波前（ 即 ，表面图）以及发送波阵面。
- 明亮的光线检测站山工件测量使用光学加工标准方法的刮伤/坑性质。工件的简短BOE蚀刻，如在步骤2.1中所述，可以使用以暴露隐划痕用于高通量的激光应用中使用的工件。用于在工件上细的划痕或粗糙度的测定中，标准光学显微镜或白光干涉可被使用。
- 商店中使用的脸的工件的容器最小化的接触完成的工件。
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Representative Results
的收敛抛光协议上述允许地面熔融二氧化硅的工件（在此情况下26.5厘米见方）待抛光，以每面4小时的单次迭代，以的峰 - 谷平坦度〜λ/ 2（〜 330纳米）为低纵横比的工件和〜1λ（〜633纳米），用于高纵横比的工件（ 见图3）。再次，此过程反复收敛工件至相同的最终面形，而无需改变抛光参数，它独立于初始表面身影。另外，〜4微米/小时的高工件平均去除率一律取得使用上述条件，这使得快速收敛和足够的材料去除，以确保除去来自地面表面的所有子表面损伤。一个典型的，精细地工件表面（ 例如 ，用9微米的氧化铝松散磨料处理）具有次表面机械损伤深度的〜10微米的散蚀刻前和蚀刻之后〜4微米;因此，至少需要这个量的材料从工件表面23,24每个横向位置删除。用各种圆形和方形工件具有不同的起始表面的数字（两个凹或凸）的收敛抛光处理面图收敛的其他例子示于图4。
该抛光浆料19,20，结合使用一种工程颗粒过滤系统和密闭高湿环境抛光期间，在尾端的粒度分布的化学稳定性的影响示于图5a。注意到在较大颗粒的显著减少（简称流氓粒子）在淤浆。流氓颗粒是已知的在工件上划痕影响的两个倾向并导致增加整个表面粗糙度9,25。相应的简离子在工件上的细划痕示于图5b中 。
图1：普雷斯顿方程的示意图 （公式1）描述的现象抛光8时生效的空间和时间材料去除，请点击这里查看图的放大版本。
图2：图示的工件形状的 （顶部）和接口压力分布（底部）与期间收敛抛光研磨时间（t）。es.jpg“目标=”_空白“>点击此处查看图的放大版本。
图3：典型的最初和最后面的数字（满量程-4至2微米）265平方毫米的石英工件单位收敛抛光后， 请单击此处查看图的放大版本。
图4：各种大小和后收敛抛光7初始形状的工件表面图进化的实例请点击此处查看图的放大版本。
图5（A）中的氧化铈研磨浆液（Hastilite PO）和（b）工件刮分配改进粒度分布的改善的化学稳定性的结果（收敛抛光和HF蚀刻使用扫描光学显微术之后测量）和工程化过滤19 20。 请点击此处查看图的放大版本。
图6：表面的数字（如DESCR由峰-谷表面高度）会聚点值和工件关于各种抛光实验配置的重复性收敛抛光的开发过程中IBED。对于每个试验系列中，的幅度（平均）和可重复性（标准偏差和最小/最大）的注意。注PV q是报告后的1％最低和最高数据点已贴现减少的敏感性，由于异常数据点的测量表面的最大高度差的峰-谷表面高度。 请点击此处查看大图版本的身影。
图7：workpiec表面图（如由峰-谷表面高度）e对应抛光只能使用工件次或隔只配置。这说明了收敛点可以通过改变抛光的配置进行调整。 请点击此处查看图的放大版本。
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Discussion
正如引言中讨论，成功实现收敛相对于抛光表面图涉及消除或减少所有影响空间的材料的非均匀性，除了对工件 - 研具失配，由于工件形状的现象。如果这些现象的任何一个没有适当地减轻，无论是通过过程控制或通过抛光，然后将所需的会聚点不能达到或维持适当的工程;因此，每一个基本的缓解变得至关重要。为了说明这一点， 图6示出在工件上的收敛点的表面的图（表示为峰-谷表面高度）作为收敛抛光的发展过程中进行了不同的抛光实验系列的函数的幅度和可重复性。与每个实验系列中，一个新的缓解实施。最后的实验系列（M系列），现在代表Øf显示收敛抛光协议和系统，表现出低和可重复的汇聚点。
其结果是，该收敛抛光协议和系统是许多开发的技术允许在衔接面图中，高的材料去除速率和高表面质量（低刮密度，低表面粗糙度）通过最小化流氓粒子的组合。关键使能技术包括： 一种新颖的形隔膜其是玻璃或无磨损到用于补偿不均匀的磨损垫的垫装材料，提高了温度均匀性，提高浆料分布，并降低了粘弹性垫的边缘效应6,7 ，17; 散装蚀刻其允许更迅速地除去的亚表面损伤和抛光以及移除磨削应力，这可能会导致工件弯曲改变会聚点7,21过程中降低材料从工件去除的量， 23-24 音高按钮阻塞（PBB），它允许用于阻断高纵横比工件防止其阻塞和刮伤相对工件表面22的低风险抛光期间弯曲; 径向行程这导致改进的材料去除的空间时间平均抛光期间，防止可能发生的对工件表面8的高频脉动; 工件，隔膜和膝部 ，它提供了一圈，因此工件的一个更稳定的会聚点的所期望的，稳定的形状平衡3体磨损 ; 密封高湿度抛光室，其防止外部流氓粒子的条目，并且防止形成干燥的浆料凝聚体这是工件划伤的共同来源的;也减少垫干燥的机会和永久变形的搭接形状17,18,25; 工程改造的过滤系统，该系统提高了并维持所希望的浆液粒径类分布灰改善表面粗糙度和减少的划痕形成概率;这包括氟化管道的功能，最小化死区，并防止浆料沉降，结块，和污染控制17的流速; 化学浆料稳定化从而降低在浆料凝聚体的数目和尺寸不牺牲使用遵循一种新颖的该表面活性剂的材料去除率“带电胶束光环'的化学机制19,20;和原位超声治疗垫 ，允许从搭接面，这有助于保持较高的材料去除率，并因优惠存款材料8最大限度地减少中档空间尺度长度的工件形状的降解去除浆及玻璃制品存款。
此外，收敛抛光利用已知技术的光学制造社区内，以消除空间材料去除不均匀。这些包括：固定时间平均使用匹配的旋转（工件旋转率=圈旋转速率）3速度;边驱动工件，防止力矩工件弯曲6;统一应用加载;负荷和速度调整在接触模式6进行操作;僵硬的膝盖基地，以防止在负载下弯曲;小心垫选择，以提供快速收敛和良好的泥浆运输;适当波美和pH维持抛光浆料;和水下的水清洗工艺的工件，防止泥浆污染2,26。
若干策略可以用来转移会聚点，这有时可能需要在厚度均匀性作为购买的垫或平坦度被调谐由于变性。与工件抛光仅驱动工件收敛点凸，同时与隔抛光仅驱动工件收敛点凹。此外，工件之间的压力比第二隔膜可以调节，并且该垫可使用金刚石调理可以定制形状的。 图7示出了仅工件或隔膜的仅抛光修改收敛点的效果。一旦会聚点处建立所需的值，那么就可以保持长时间的抛光时间（几百小时）使用收敛抛光过程。
会聚抛光具有以下优点：抛光参数是固定的，并保持相同的过程和抛光运行而不管工件的初始表面图形之间;抛光可以实现在从地表面的单个迭代中，需要更少的抛光时间和更少的计量;并且是在一个流氓无颗粒的环境，导致在工件上几乎没有或没有划伤进行抛光。最终，这些优点导致使高端光学部件更快和更便宜的能力。
潜力收敛抛光的应用包括制造在高功率或高能量激光或光学系统中使用的光学元件，以及光学单位和领域的一般制造。的收敛抛光过程已被证明在熔融石英玻璃，硼硅酸盐玻璃和磷酸盐玻璃工件。还已经证明了在圆形和方形工件超过50-265毫米的尺寸范围和单位及球体。
该过程的细节在本研究中是专门为一个整理平坦的，正方形的熔融二氧化硅工件26.5厘米的尺寸。对于其它尺寸的光学，球，或其它玻璃材料，设备可能需要被修改（ 例如 ，所使用的尺寸/形状的搭接的，所述隔膜的形状，浆液）。收敛抛光的整个过程和系统覆盖各种专利或专利申请17-19。
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| MHN 50 mil Polyurethane Pad | Eminess Technologies | PF-MHN15A050L-56 | |
| Cerium oxide polishing slurry | Universal Photonics | HASTILITE PO | |
| Septum Glass (waterjet cut) | Borofloat ; Schott | NA | |
| Diamond conditioner | Morgan Advanced Ceramics | CMP-25035-SFT | |
| Ultrasonic Cleaner | Advanced Sonics Processing System | URC4 | |
| Purification Optima Filter cartridge | 3M | CMP560P10FC | |
| Blocking Pitch | Universal Photonics | BP1 | |
| Blocking Tape | 3M | #4712 | |
| Cleanroom Cloth | ITW Texwipe | AlphaWipe TX1013 | |
| Single Particle Optical Sensing | Paritcle Sizing Systems | Accusizer 780 AD |
References
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