CN110491754B - 一种基于电感耦合等离子体与离子束耦合的光学加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电感耦合等离子体与离子束耦合的光学加工装置，电感耦合等离子体发生器和离子束发生器同时工作，电感耦合等离子体发生器出射的等离子体与离子束发生器出射的离子束均入射到待加工光学材料表面形成作用区，且两个作用区大小相同且重合。在等离子体和离子束的共同作用下，能够获得较高的光学材料去除率及优良的表面粗糙度及下表面破坏层。
Description
技术领域
本发明涉及超精密光学加工领域，尤其涉及一种基于电感耦合等离子体与离子束耦合的光学加工装置。
背景技术
在传统光学加工领域内，在加工过程中多使用精密研磨盘、抛光盘施压加工光学材料，这种传统的机械式加工方法在一定程度上往往会导致光学材料上在微观结构上出现下表面破坏层，即使采用最细的磨料颗粒，也会在表面产生下表面破坏层，只不过这个破坏层降低到微米量级或是亚微米量级。这种现象的发生会增加下一道工序的加工时间，增加了光学加工成本。
第二种情况是在加工多相复合光学材料时，诸如反应烧结碳化硅(RB-SiC)以及微晶玻璃(Zerodur)时，其材料内部存在多种不同性质的光学材料(热导率、线胀系数、材料硬度等)，采用传统光学加工工艺，由于多相材料的硬度不同，在同样的加工压力下，总是会导致硬度较低的材料去除较多，导致不同材料间出现微小的高度差，这个高度差会从亚微米量级到纳米量级不等。这种现象的发生会直接导致光学元件表面粗糙度降低并且增加了材料的光学散射率。
需要一种新的加工工艺解决上述问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于电感耦合等离子体与离子束耦合的光学加工装置，能够获得较高的光学材料去除率及优良的表面粗糙度及下表面破坏层。
该光学加工装置包含电感耦合等离子体发生器和离子束发生器；电感耦合等离子体发生器出射的等离子体与离子束发生器出射的离子束均入射到待加工光学材料表面形成作用区，且两个作用区大小相同且重合；电感耦合等离子体发生器与离子束发生器的工作压强匹配。
本发明光学加工装置的原理是：
等离子体加工光学材料时，其加工原理是等离子体内在活性离子基团在等离子体环境下与光学材料表层的原子发生化学反应，生成气态产物直接挥发掉，从而达到材料的去除目的。与机械去除容易发生材料脆性崩裂不同的是，化学反应去除材料不会发生崩裂现象，不会产生下表面破坏层，其获得的光学表面相对较为光滑。而且如果上道工序是机械光学加工引入了下表面破坏层，利用等离子体光学加工可以逐渐消除下表面破坏层，提升光学表面粗糙度。
而在加工多相复合材料时，采用等离子体加工后也会在多相材料间存在一定的高度差，而这种高度差可以通过优化电感耦合等离子体的加工参数尽可能的缩小这个高度差(可以最小达到10-20纳米)。由于等离子体光学加工过程会产生一定量的固态化合物沉积在光学材料表面，而由于之前在多相材料间形成了高度差，因此产生的沉积层也出现了同样量级的高度差。这一沉积层的出现则会降低等离子体的材料去除率。为了增加材料去除率，本发明中引入了离子束工艺，然后利用离子束斜入射轰击具有高低分布的沉积层后，高度较高的沉积层被优先去除，而分布在较低区域的沉积层则得以保留。接下来，暴露在等离子体环境中的都是表层沉积层被去掉后的硬度较大的光学材料，其继续与等离子体中的活性离子基团发生化学反应。而硬度较小的光学材料上层的沉积层则阻止了其与等离子体中的活性离子基团发生反应，与此同时，高度较高的光学材料则继续被去除，高度也随之下降。当硬度不同的光学材料高度一致后，其表层沉积层也处于同一高度。这时斜入射的离子束则继续轰击去除沉积层，这样，多相复合光学材料又同时暴露在等离子体环境中，继续被去除。进而不同硬度的材料又出现高度差，随着反应的去除，其上又被沉积层覆盖，接下来离子束又再次介入加工。如此上述过程不断循环，电感耦合等离子体与斜入射离子束同时在工作，多相复合光学材料不断被去除，因此不同硬度的光学材料从宏观来看始终维持在相同的高度，从而获得了非常良好的表面粗糙度。而这一个过程都是以等离子体化学去除为主、物理轰击去除为辅，从原理角度不存在下表面破坏层的过程。最终在去除作用区内，将会获得一个较为理想的光学表面。
优选地，设计电感耦合等离子体与离子束之间存在夹角，从而形成电感耦合等离子体垂直入射，等离子束斜入射的组合方式，尽可能的提高电感耦合等离子体的作用效率。由于电感耦合等离子体的去除作用区为圆形，为了让离子束工艺与等离子体工艺相配合，在离子束前端加入一个椭圆形遮栏，使得出射的离子束为一特定尺寸的椭圆形，这个椭圆形离子束通过斜入射到光学材料后就会形成圆形作用区，该圆形作用区与等离子体工艺作用区直径相同，且两个作用区能够重合。
优选地，电感耦合等离子体发生器与待加工光学材料表面之间距离为20mm～80mm之间可调，从而保证等离子体产生区域内部的活性反应基团比如(F+)有足够的活性能量与光学材料的硅原子发生反应。如果距离过近，虽然活性基团能量高，容易与硅原子发生反应，但发生器与光学材料间空间不足，离子束无法有效入射。如果距离过远，活性反应基团与真空系统中残余的气体分子碰撞极易损失能量，无法有效破坏光学材料内部的硅基共价键。
优选地，垂直入射的等离子体与斜入射的离子束之间的夹角不小于45°，从而使得等离子体与离子束在空间重合的起始位置尽可能接近待加工光学材料，令离子束集中作用于光学材料。
本发明的复合装置可以在真空罐内集成于真空运动设备之上，通过控制复合装置在光学元件表面的驻留点，进而实现对光学元件面形误差的进一步修整，最终实现单相及多相复合材料的光学元件的超精密光学加工。
附图说明
图1为电感耦合等离子与斜入射离子束的复合加工工艺示意图；
图2为低压等离子体与斜入射离子束复合作用的微观原理示意图；
其中，1-低压电感耦合等离子体发生器，2-低压等离子体，3-多相复合材料，4-椭圆遮栏，5-离子束发生器，6-离子束作用区，21-低压等离子体浓度分布曲线，22-低压等离子体中活性离子基团，31-多相复合材料中硬度较大的材料分布区，32-多相复合材料中硬度较小的材料分布区，61-斜入射离子束离子浓度分布曲线，62-斜入射离子束氩离子。
具体实施方式
本发明提供了一种基于电感耦合等离子体与离子束耦合的光学加工装置，其基本思想是：将等离子体与离子束相结合，令二者共同作用在光学材料表面，从而获得较高的光学材料去除率及优良的表面粗糙度及下表面破坏层。
本发明适用于加工单相或多相光学材料。
下面结合附图并举实施例，对本发明应用于多相复合材料为例进行详细描述。
图1为本发明基于电感耦合等离子体与离子束耦合的光学加工装置的一种具体实施方式。该装置采用电感耦合等离子体为主、斜入射离子束为辅的工艺。如图1所示，该装置包括电感耦合等离子体发生器1和离子束发生器5。电感耦合等离子体发生器1与离子束发生器5的工作压强匹配，离子束发生器5工作压强范围为10-1-10-4Pa，因此电感耦合等离子体发生器1采用低压电感耦合等离子体发生器，其工作压强为10-1-10-4Pa。
在实施加工前，调整低压电感耦合等离子体发生器1与被加工多相复合材料3之间的距离，一般保持在20-80mm之间可调，喷出射流与多相复合材料3被加工区域垂直，等离子体发生器功率保持在200W以上，离子束发生器5喷出的射流与低压电感耦合等离子体发生器1夹角不小于45°。低压电感耦合等离子体发生器1出射的低压等离子体2垂直入射到多相复合材料3表面，形成等离子体工艺作用区；离子束发生器5出射的离子束经椭圆遮栏4产生椭圆形离子束，斜入射到多相复合材料3表面形成圆形的离子束作用区6，该离子束作用区6与等离子体工艺作用区直径相同且区域重合。其中，椭圆遮栏4是一种具有椭圆通孔的遮挡片。
待准备工作完成后，开启低压电感耦合等离子体发生器1和离子束发生器5的电源预热，预热完成后即可进入加工状态。
如图2所示，低压等离子体2区域内部有效的活性基团按照低压等离子体浓度分布曲线21分布，内部的活性基团与多相复合材料3发生化学反应，部分材料生成气态产物被去除，同时会产生少量固态产物沉积在多相复合材料3的表面。离子束发生器5产生的离子束，斜入射离子束氩离子62按照斜入射离子浓度分布曲线61分布，利用离子束发生器5斜入射轰击具有高低分布的沉积层后，在多相复合材料中硬度较大的材料分布区31表层高度较高的沉积层被优先去除，而分布在多相复合材料中硬度较小的材料分布区32表层较低区域的沉积层则得以保留。接下来，暴露在等离子体环境中的都是表层沉积层被去掉后的硬度较大的光学材料，其继续与等离子体中的活性离子基团22发生化学反应。而硬度较小的光学材料上层的沉积层则阻止了其与低压等离子体中活性离子基团22发生反应，与此同时，高度较高的光学材料则继续被去除，高度也随之下降。当硬度不同的光学材料高度一致后，其表层沉积层也处于同一高度。这时离子束作用区6则继续轰击去除沉积层，这样，多相复合材料3又同时暴露在等离子体环境中，继续被去除。进而不同硬度的材料又出现高度差，随着反应的去除，其上又被沉积层覆盖，接下来斜入射离子束又再次介入加工。如此上述过程不断循环，低压电感耦合等离子体发生器1与离子束发生器5同时在工作，多相复合材料3不断被去除，因此不同硬度的光学材料从宏观来看始终维持在相同的高度，从而获得了非常良好的表面粗糙度。而这一个过程都是以等离子体化学去除为主、物理轰击去除为辅，从原理角度不存在下表面破坏层的过程。最终在去除作用区内，将会获得一个较为理想的光学表面。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于电感耦合等离子体与离子束耦合的光学加工装置，其特征在于，包括：电感耦合等离子体发生器(1)和离子束发生器(5)；电感耦合等离子体发生器(1)与离子束发生器(5)的工作压强匹配；
电感耦合等离子体发生器(1)出射的等离子体与离子束发生器(5)出射的离子束之间存在夹角；电感耦合等离子体发生器(1)出射的等离子体垂直入射到待加工光学材料表面，形成等离子体工艺作用区；离子束发生器(5)出射的离子束经椭圆遮拦(4)产生椭圆形离子束，斜入射到待加工光学材料形成圆形作用区，该圆形作用区与所述等离子体工艺作用区直径相同且区域重合。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，电感耦合等离子体发生器(1)与待加工光学材料表面之间距离为20mm～80mm之间可调。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，垂直入射的等离子体与斜入射的离子束之间的夹角不小于45°。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电感耦合等离子体发生器(1)的工作压强为与离子束发生器(5)配合的低压，低压范围为10-1-10-4Pa。
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