一种高精度C向蓝宝石窗口的离子束抛光方法与流程

一种高精度c向蓝宝石窗口的离子束抛光方法
技术领域
1.本发明属于光学制造技术领域，具体涉及一种高精度c向蓝宝石窗口的离子束抛光方法。


背景技术：

2.蓝宝石材质是一种纯度极高的氧化铝单晶,其主要成分为α-al2o3，它具有一系列优异的性能：在光学方面，蓝宝石在紫外、可见光和红外三个波段都保持了非常高的透过率；同时蓝宝石红外窗口还具有很好的机械性能，有着极高的抗热冲击性能，硬度也非常高，抗磨损性能也非常优异。更加可贵的是，蓝宝石材质的化学性质也非常的稳定，不溶于常见的酸和碱性溶液。正因为蓝宝石具有良好的物理化学性能，蓝宝石制造的红外窗口相对于其他材料的红外窗口性能更优，是目前光学窗口常用的材料之一。
3.传统抛光法是目前光学加工领域上加工蓝宝石窗口常采用的方法，其具有抛光后蓝宝石晶体表面光洁度好，加工成本低等优点，但是其缺点也比较明显，如加工周期长，加工效率低，加工人员经验要求高，加工过程中抛光液结晶造成蓝宝石表面划伤等。
4.相比于传统的抛光法，离子束抛光具有以下优点:
①
高稳定的高斯型去除函数可以实现材料的高确定性去除；
②
非接触式加工避免了边缘效应和应力；
③
离子的物理溅射作用实现材料去除，避免了传统抛光中抛光液、磨料的影响，加工过程不会引入抛光杂质污染，可以实现低缺陷加工。
5.离子束加工c向蓝宝石窗口的技术问题在于：
①
离子束加工c向蓝宝石窗口工艺参数的研究(其工艺参数涉及加工距离、气体流量、工作真空度、射频功率、束电压、加速电压、中和电压等)；
②
根据c向蓝宝石窗口的面形数据仿真计算驻留时间并生成nc代码；
③
根据c向蓝宝石窗口的面形数据计算不同fwhm离子束栅网下加工蓝宝石的收敛率及迭代算法次数。


技术实现要素：

6.本发明目的在于提供一种能够快速高效得到光学级高精度蓝宝石窗口的非接触式离子束抛光方法。
7.为达到上述目的，采用技术方案如下：
8.一种高精度c向蓝宝石窗口的离子束抛光方法，包括以下步骤：
9.(1)采用环抛机对c向蓝宝石毛坯成型料进行加工，获得c向蓝宝石窗口样件；
10.(2)采用激光干涉仪测量所述c向蓝宝石窗口样件的透射波前；
11.(3)洁净间内完成所述c向蓝宝石窗口样件的清擦、背面保护及装夹；接着将其挂入离子束抛光机副腔室样件工装上关闭副腔室，然后通过磁性连接杠拖到主腔室指定位置并夹紧；
12.(4)开启离子束抛光机的离子源，等待离子源稳定；
13.(5)通过c向蓝宝石窗口样件的透射波前面形仿真计算得到其驻留时间及nc加工
代码；
14.(6)采用高能宽束离子束进行粗加工；
15.(7)采用低能窄束离子束进行精加工；
16.(8)取出c向蓝宝石窗口样件，待其温度稳定后采用激光干涉仪测量其透射波前，确认后得到具有高精度面形的c向蓝宝石窗口样件。
17.按上述方案，步骤(1)包括以下步骤：
18.a.控制环抛机环抛工艺参数：大盘转速：2rpm、校正盘转速：2.5rpm、工件环转速：3rpm；
19.b.采用5μm钻石液粗抛去沙面，至沙面完全去除；
20.c.采用3μm钻石液粗抛光至n≤3、δn≤0.5(ф150mm口径内)、、平行差≤15
″
；
21.d.采用1μm氧化铝液抛光至pv≤2λ、rms≤1λ(λ＝632.8nm)、平行差≤6
″
。
22.按上述方案，步骤(2)包括以下步骤：
23.a.调节激光干涉仪背景条纹至零条纹，平行差计算数学表达式为：
[0024][0025]
式中，n～光学元件折射率；m～长度b范围内干涉条纹数；b～被测光学元件口径；λ～激光干涉仪使用的光源波长；
[0026]
b.更改激光干涉仪折射率n为c向蓝宝石窗口样件折射率；
[0027]
c.将c向蓝宝石窗口样件固定在激光干涉仪的tf镜与rf镜之间；
[0028]
d.激光干涉仪检测软件上做mask后，点击测量得到c向蓝宝石窗口样件透射波前dat面形数据文件。
[0029]
按上述方案，步骤(3)包括以下步骤：
[0030]
a.洁净台内丙酮擦拭c向蓝宝石窗口样件；
[0031]
b.将c向蓝宝石窗口样件非加工面贴上高温胶布做背面保护处理；
[0032]
c.将c向蓝宝石窗口样件装夹到离子束抛光机零件装夹工装上，接着将装夹工装挂到运送小车上，然后通过磁性连接杆拖到主腔体指定位置，最后通过锁紧装置锁紧零件装夹工装。
[0033]
按上述方案，步骤(4)包括以下步骤：
[0034]
a.待主腔体真空度小于20pa，将机械泵抽真空更换为分子泵抽真空；
[0035]
b.待主腔体真空度小于20mpa，打开离子源rf开关稳定5～10min；
[0036]
c.打开并设置氩气流量为10sccm，进行离子源的起弧点火，稳定5～10min；
[0037]
d.打开束电压、加速电压及中和器，待离子源稳定30min以上。
[0038]
按上述方案，步骤(5)包括以下步骤：
[0039]
a.将激光干涉仪测量得到的c向蓝宝石窗口样件透射波前dat面形数据文件导入metro pro软件进行翻转及口径标定处理，然后保存为xyz面形数据文件；
[0040]
b.以xyz面型数据文件为初始面形，通过matlab软件仿真得到离子束抛光机加工驻留时间及nc加工代码。
[0041]
按上述方案，步骤(6)包括以下步骤：
[0042]
采用fwhm为16mm离子束栅网进行粗加工，其工艺参数为：gas＝10sccm、rf＝180w、
beam＝1200ev、accelerator＝200ev、neutralizer＝100ma。
[0043]
按上述方案，步骤(7)包括以下步骤：
[0044]
采用fwhm为7mm离子束栅网进行精加工，其工艺参数为：gas＝5sccm、rf＝80w、beam＝1000ev、accelerator＝100ev、neutralizer＝50ma。
[0045]
按上述方案，步骤(8)确认得到的c向蓝宝石窗口样件的面形为：在通光口径内，样件透射波前pv≤0.5λ，任意ф150mm范围内透射波前pv≤λ/10、rms≤λ/50(λ＝632.8nm)，平行差≤1
″
。
[0046]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0047]
(1)采用离子束抛光技术，通过在高真空环境下电离惰性气体产生等离子体，等离子体经过离子光学系统引出，形成离子束，离子束携带能量轰击样件表面，与表面原子接触并传递能量，当原子的能量高于表面束缚能时，会脱离表面，实现材料的去除，此过程无新的污染物或杂质元素引入；
[0048]
(2)采用抛光机获得光学级蓝宝石，结合高能宽束离子束进行粗加工以及低能窄束离子束进行精密加工，最终将其表面抛光为纳米级，大幅提高c向蓝宝石材料表面质量；尤其适用于高精度c向蓝宝石的抛光处理。
附图说明
[0049]
图1为实施例中环抛机处理后c向蓝宝石窗口面形检测图；
[0050]
图2为实施例中离子束抛光去除函数仿真图；
[0051]
图3为实施例中高能宽束离子束粗加工后全口径面形检测图；
[0052]
图4为实施例中高能窄束离子束精加工后全口径面形检测图；
[0053]
图5为实施例中离子束加工后有效口径内面形检测图；
[0054]
图6为实施例中离子束加工后ф150mm口径内面形检测图。
具体实施方式
[0055]
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
[0056]
本发明具体实施方式提供一种高精度c向蓝宝石窗口离子束抛光制备方法：
[0057]
1)采用环抛机对c向蓝宝石毛坯成型料进行抛光加工，直至蓝宝石窗口光学表面的面形精度达到指定的面形精度制造要求；本实施例中步骤(1)中指定的面形精度制造具体要求是pv≤2λ、rms≤1λ(λ＝632.8nm)、平行差≤6
″
；
[0058]
2)采用激光干涉仪测量c向蓝宝石窗口样件的透射波前，图1为环抛机抛光后的c向蓝宝石窗口面形检测图，图中左图为面形检测干涉条纹图，图中右图为面形检测二维图，其初始面形为：pv＝0.69002λ，rms＝0.17144λ，平行差＝5
″
。具体通过如下方式实现：
[0059]
a.调节激光干涉仪背景条纹至零条纹，平行差计算数学表达式为：
[0060][0061]
式中，n～光学元件折射率；m～长度b范围内干涉条纹数；b～被测光学元件口径；λ～激光干涉仪使用的光源波长；
[0062]
b.更改激光干涉仪折射率n为大口径c向蓝宝石折射率；
[0063]
c.将c向蓝宝石固定在激光干涉仪的tf镜与rf镜之间；
[0064]
d.激光干涉仪检测软件上做mask后，点击测量得到c向蓝宝石透射波前dat面形数据文件；
[0065]
3)洁净间内完成c向蓝宝石窗口样件的清擦、背面保护及装夹，接着将其挂入离子束抛光机副腔室样件工装上关闭副腔室，然后通过磁性连接杠拖到主腔室指定位置并夹紧；
[0066]
4)开启离子束抛光机的离子源，等待离子源稳定，具体通过如下方式实现：
[0067]
a.待主腔体真空度小于20pa，将机械泵抽真空更换为分子泵抽真空；
[0068]
b.待主腔体真空度小于20mpa，打开离子源rf开关稳定5～10min；
[0069]
c.打开并设置氩气流量为10sccm，进行离子源的起弧点火，稳定5～10min；
[0070]
d.打开束电压、加速电压及中和器，待离子源稳定30min以上即可加工。
[0071]
5)通过步骤2所得c向蓝宝石窗口样件的透射波前面形仿真计算得到其驻留时间，生成nc加工代码，图2为离子源去除函数仿真示意图，其去除函数为高斯型，主要由峰值去除速率a和去除函数直径d组成。具体通过如下方式实现：
[0072]
a.将激光干涉仪测量得到的c向蓝宝石透射波前dat面形数据文件导入metro pro软件进行翻转及口径标定处理，然后保存为xyz面形数据文件；
[0073]
b.将激光干涉仪测量得到的c向蓝宝石透射波前dat面形数据文件导入metro pro软件进行翻转及口径标定处理，然后保存为xyz面形数据文件；
[0074]
c.以xyz面型数据文件为初始面形，通过matlab软件仿真得到离子束抛光机加工驻留时间及nc加工代码。
[0075]
6)采用高能宽束离子束进行粗加工，图3为高能宽束离子束粗加工后得到的c向蓝宝石窗口全口径面形检测图，图中左图为面形检测干涉条纹图，图中右图为面形检测二维图，其面形为：pv＝0.42402λ，rms＝0.07611λ，平行差≤1
″
。具体通过如下方式实现：
[0076]
a.采用fwhm为16mm离子束栅网进行粗加工，其工艺参数为：gas＝10sccm、rf＝180w、beam＝1200ev、accelerator＝200ev、neutralizer＝100ma。
[0077]
7)采用低能窄束离子束进行精加工，图4为低能窄束离子束粗加工后得到的c向蓝宝石窗口全口径面形检测图，图中左图为面形检测干涉条纹图，图中右图为面形检测二维图，其面形为：pv＝0.26299λ，rms＝0.03239λ，平行差≤1
″
。具体通过如下方式实现：
[0078]
a.采用fwhm为7mm离子束栅网进行精加工，其工艺参数为：gas＝5sccm、rf＝80w、beam＝1000ev、accelerator＝100ev、neutralizer＝50ma。
[0079]
8)取出c向蓝宝石窗口样件，待其温度稳定后采用激光干涉仪测量其透射波前，得到具有高精度面形的c向蓝宝石窗口样件，如若未达到要求则继续采用低能窄束离子束进行精加工。图5为低能窄束离子束精加工后满足要求的c向蓝宝石窗口全口径范围内面形检测图，图中上图为面形检测干涉条纹图，图中下图为面形检测二维图，其面形为：pv＝0.19070λ，rms＝0.03116λ，平行差＝0.359
″
。图6为低能窄束离子束精加工后满足要求的c向蓝宝石窗口ф150mm口径范围内面形检测图，图中上图为面形检测干涉条纹图，图中下图为面形检测二维图，其面形为：pv＝0.09907λ，rms＝0.01563λ，平行差＝0.28
″
。
[0080]
所得高精度c向蓝宝石的面形为：在通光口径内，样件透射波前pv≤0.5λ，任意ф150mm范围内透射波前pv≤λ/10、rms≤λ/50(λ＝632.8nm)，平行差≤1
″
。