1、離子束和等離子體加工的原理和特點及這兩種加工技術在高精度表面拋光中應用。1.離子束加工的基本原理所謂離子束拋光, 就是把惰性氣體氬、氮等放在真空瓶中, 用高頻電磁振蕩或放電等方法對陰極電流加熱, 使之電離成為正離子, 再用5千至10萬伏高電壓對這些正離子加速, 使它們具有一定的能量。利用電子透鏡聚焦，將它們聚焦成一細束,形成高能量密度離子流，在計算機的控制下轟擊放在真空室經過精磨的工件表面, 從其表面把工件物質一個原子一個原子地濺射掉。用這種方法對工件表面進行深度從100 埃到10微米左右的精密加工。2.等離子體加工的基本原理等離子體加工又稱為等離子弧加工，是利用電弧放電使氣體電離成過熱的等離

2、子氣體流束，靠局部熔化及氣體去除材料的。等離子體又被成為物質的第四種狀態。等離子體是高溫電離的氣體，它由氣體原子或分子在高溫下獲得能量電離之后，理解成帶正電荷的離子和帶負電荷的自由電子，整體的正負離子數目和正負電荷仍相等，因此稱為等離子體，具有極高的能量密度。3. 離子束加工主要的特點（1）屬于原子級逐層去除加工，加工精度高 （2）加工生產污染小 （3）加工應力、變形小 （4）加工范圍廣（利用機械碰撞能量加工） （5）易實現自動化 （6）設備復雜、價格貴 4. 等離子體加工主要的特點由于等離子體電弧對材料直接加熱，因而比用等離子體射流對材料的加熱效果好得多。因此，等離子體射流主要用于各種材料的

3、噴鍍及熱處理等方面；等離子體電弧則用于金屬材料的加工、切割以及焊接等。等離子弧不但具有溫度高、能量密度大的優點，而且焰流可以控制。適當的調節功率大小、氣體類型、氣體流量、進給速度和火焰角度，以及噴射距離，可以利用一個電極加工不同厚度和多種材料。5.離子束拋光的典型應用離子束拋光是 1965 年美國亞利桑那大學的工作人員發現并研制成功的。目前，美國離子光學公司、法蘭克福兵工廠早已研制成功離子束拋光設備，并應用于生產。此外，日本、英國、法國等國也已開發和研究了這一新技術。從目前國內外研究現狀來看,關于離子束拋光及整形的文獻有很多研究涉及。材料從半導體 InP、Si、CuInSe2 到絕緣體 SiC

4、、AI2O3、CaF、CsLiBsOio、BK7 玻璃、焰石英等等,研究內容主要集中在不同材料的刻蝕速率、刻燭導致的損傷情況、表面粗糖度變化等總的來說,離子束拋光方法可以降低元件的表面粗糖度、改善表面質量,通過適當的控制離子能量、刻燭角度和束流密度等實驗參數可實現對刻蝕速率進行優化,同時產生較低的損傷。(1) 高精度非球面光學零件的拋光 離子束拋光法的加工范圍廣，對工件尺寸沒有嚴格控制，可加工球面、非球面和非對稱形面。對外界環境的振動、溫度變化以及裝卡穩定性不敏感。一次加工過程既可實現對面形誤差的完全修正，縮短制造周期。同時不會出現傳統拋光方法中易出現的塌邊、翹邊的邊緣效應。（2）離子束拋光提

5、高激光工作物質的性能休斯研究實驗室用離子束拋光提高藍寶石和紅寶石等激光工作物質的性能。他們用加速電壓為7千伏、電流密度為300 微安/厘米的低能離子束對經普通磨料拋光后的藍寶石再進行2一4小時拋光, 去掉厚度約2.5 一5微米的材料。用功率密度為1一9千兆瓦/厘米2的激光進行抗破壞試驗, 發現經離子束拋光的工件比經普通拋光的工件的抗破壞閥值提高2一6倍。離子束拋光能去掉普通拋光后產生的劃痕、應力、裂紋和表面殘留的化學污染, 因而提高抗激光破壞閩值。 (3) 離子束拋光硅片采用離子束拋光法,在石英基底上可獲得好于0.5nm(有效值)的表面粗糙度,在硅表面甚至可獲得好于0.2nm(有效值)的表面粗

6、糙度。由于硅為晶體結構,與石英(一般為熔石英)相比,加工成光學元件后的尺寸比較穩定,所以硅材料作為反射鏡基底使用較多,尤其在短波段(X射線、軟X射線)光學領域,如X射線多層膜反射鏡基底等。（4）超光滑超精密玻璃拋光 離子束拋光是20世紀末光學玻璃制造上的創新，1990年美國Eastman Kodak公司即研究了實用化的計算機控制的Kodak 2.5 m五束數控離子束拋光系統，將直徑1.3 m熔融石英（ULF）鏡面拋光，對直徑1.3 m花瓣形離軸非球面鏡加工精度達到0.01 mm。由于離子束拋光主要依靠濺射玻璃表面原子（離子）而拋除的，所以會引起玻璃表面成分、結構和折射率的變化，也會有表面殘余應

7、力的產生，對折射率變化有嚴格要求的玻璃材料，要慎用此方法。6.等離子體拋光的典型應用等離子體加工技術是等離子體源與化學氣相處理設備相結合的新技術,其工作原理是利用等離子體與工件表層材料發生化學作用去除材料。采用這種方法可以進行大面積平面拋光、局部拋光、非球面的成形和拋光等。采用此方法進行光學零件的加工,可以避免亞表面損傷層的出現,提高光學零件表面加工等級,實現高精密加工,該項技術包括真空等離子拋光和常壓(大氣壓)下等離子拋光。涉及到光學加工、自動控制、等離子體物理、化學氣相反應以及流體動力學等學科的相關內容,日本、美國已經開始了對該項技術的應用基礎研究,并取得了初步的研究成果。（1） 真空等離

8、子拋光應用 傳統的真空等離子體表面加工技術通常使用六氟化硫!四氟化碳等具有腐蝕作用的氣體,利用高頻電場激發產生等離子體,等離子體中的活性自由基能夠與被加工材料表面原子產生化學反應,生成強揮發性氣體,在此過程中產生拋光效果。其實質是真空中的純化學反應，因此真空系統的好壞將直接影響最終的拋光效果。根據多數工藝實驗的結果發現,此方法雖然原理明了，設備簡單,但是加工的方向性與選擇性差,加工效率不高。在諸多研究機構的努力之下,具有更高加工效率的反應離子刻蝕技術RIE成為等離子體拋光技術的研究重點,此方法的拋光原理是利用高頻電場激發等離子體,產生氣體輝光放電,利用等離子體中離子轟擊的物理效應與活性自由基的

9、化學反應效應共同去除被加工件的表面材料。反應離子刻蝕的刻蝕速率高,方向性與選擇性好,但是由于加工過程中有離子轟擊的物理效應,很容易破壞被加工件表面的晶格結構,使表面粗糙度增加。鑒于RIE的缺點,研究人員提出一種采用低氣壓下電容藕合放電的低溫等離子輔助拋光技術,其主要的刻蝕原理為等離子體中的活性自由基與被加工件表面原子間發生化學反應,產生揮發性強的物質,不引入新的表面污染,實現以化學作用為主的材料去除。此方法拋光效率高,加工后無亞表層損傷,可加工球面與非球面因為此方法使用射頻放電激發等離子體,離子在電場中的加速時間變短,使等離子體中的離子能量比較低,離子轟擊物理效應帶來的被加工表面晶格結構破壞微

10、弱,能夠獲得良好的拋光效果。日本Nikon大學采用的是等離子體化學氣相加工技術,原理是在射頻(RF 150MHz)激勵的作用下,在拋光室中產生等離子體。具有化學活性的等離子體與工件表面物質發生化學反應,達到去除目的。同時有一套自反饋系統控制,通過控制被加工工件的轉動或移動來控制去除量。該技術對石英玻璃的去除速率為200Lm /min,表面粗糙度達到亞納米級,面形誤差為亞微米級。美國Hughs公司采用的是PACE等離子體輔助拋光技術,其拋光原理與等離子體化學氣相加工沒有本質區別,只是在激勵方式、工作真空度、反應氣體和惰性氣體的比率等方面不同。該技術對石英玻璃的去除速率為100Lm /min,表面

11、粗糙度也達到亞納米級,面形誤差為幾十微米。(2)大氣壓等離子拋光技術應用大氣壓等離子體技術是當前等離子體應用領域中的前沿問題。一直以來，實現光學零件的高效、超精密加工都是困擾科技工作者的世界性難題，最近幾年，國際上提出了大氣壓等離子體拋光(APPP-Atmosphere Pressure Plasma Polishing)的加工方法，因其特殊的加工機理，可以實現材料表面原子量級化學去除，能夠獲得極低的表面粗糙度，加工后不會對工件表層及亞表層造成損傷，并且較以往的非接觸拋光加工具有更高的加工速度，其應用前景十分可觀。與真空等離子體拋光技術相比,大氣等離子體拋光技術具有諸多優勢,例如不需要真空設備

12、，加工成本低!應用范圍廣,在一個大氣壓下產生的低溫等離子體面積大并且均勻性好,其中存在大量種類繁多的活性粒子,更容易與所接觸的材料表面發生反應,能夠提高化學反應的速度,提高零件的加工速率。美國勞倫斯國家重點實驗室(Lawrence Livermore National Labs)發明了反應原子等離子體技術(RAPT，ReactiveAtom Plasma Technology)，RAPT是一項在大氣壓下用離子體加工的新技術。該技術在美國國家點火工程項目中被用來加工無表面損傷的高精度光學元件，這項新技術在光學和半導體元件的生產制造領域有廣泛的應用前景。英國Cranfield大學的Paul Sho

13、re教授與RAPT公司聯合開發研制了HELIOS 1200-3，用以拋光直徑為1.2m的大型光學鏡片。英國Cranfield大學受英國政府資助已經向RAPT公司購買了HELIOS 1200系列產品，以探索一條新的面向超精密表面加工的新途徑，用來為下一代太空望遠鏡和高能量激光系統制造超高精度的光學元件。大阪大學也是最早從事大氣條件下利用等離子體對工件工件表面拋光研究的單 位 之 一 ， 他們提出等離子體化學氣相加(PCVM,Plasma ChemicalVaporization Machining)的加工方法。與 RAPT 不同的是，PCVM 采用電容耦合等離子放電方式，該方法采用旋轉電極來產生

14、等離子體，針對不同的加工目的和工件形狀，可以采用不同類型的電極。安裝有工件的電極接地，另一個與之平行的回轉電極接 RF 電源的陽極。大阪大學將此種技術與彈性發射成形技術相結合加工 90mm 直徑的光學反射鏡，面型精度達到了 3nm(PV),約相當于 20 個原子的高度，表面粗糙度則達到了亞納米級而其表面缺陷密度僅為常規機械拋光和氬離子濺射加工方法的 1/100由于采用了高速回轉電極做陽極，電極與工件間可以形成高速的等離子體流，有利于反應產物的快速排出，抑制了表面沉積現象的發生，另外高速旋轉電極可以對電極進行冷卻。據報道,大阪大學已經可以在加工半導體用硅片時實現1.4nm的表面粗糙度,并在很多功能性材料上實現了最高可達每分鐘數百微米的去除速率,與常規的研磨效率相當,而其表面缺陷密度僅為常規機械拋光和氬離子濺射加工方法的1/100。另據報道,采用此種技術加工90mm直徑的光學反射鏡,面型精度達到了3nm(p-v),約相當于20個原子的高度。參考文獻1 鄭開陵. 離子束拋光技術 J. 現代兵器，1982,9(28)2 洪義麟，付紹軍，陶曉明，黃文浩，褚家如，LMonica，AM