超光滑硅柱面反射镜的加工和检测

　　1　前　言

　　超光滑硅柱面反射镜在现代高科技领域中得到了广泛的应用,如在强激光系统和同步辐射光束线中。但超光滑硅柱面镜无论是在加工还是在检测方面都有一定的困难。加工时的困难在于柱面镜在两个正交截面上曲率半径的差异,这限制了机床的运动自由度,而且在保持面形精度的同时还需达到超光滑的要求,特别是对于以硅为材料的反射镜更难以得到较为理想的结果。检测的困难在于其非轴对称的面形不能直接利用干涉仪进行检测。针对以上问题作者形成了一整套完整的工艺,较好的解决了超光滑硅柱面反射镜的加工和检测。

　　2　加工工艺与检测

　　图1为加工过程与相关检测方法的流程图,以下将按此流程图进行介绍。

　　2·1　粗磨成形

　　被加工工件为方形的硅反射镜,且具有几米以上的曲率半径,这就给工件的成形带来了一定的困难。为了保证成形时曲率半径的准确性,首先用线切割的方法制作成对的钢质磨具。由于线切割时所使用的切割金属线的直径远小于柱面的直径,所以可认为所得到的一对凸凹磨具具有相同的曲率半径。然后经成对修磨后它在有效孔径内与柱线正交的截面中得到矢高与理论值的差值小于1μm。矢高的测量用普通的环形球径仪,并利用微差原理来完成,即仅测量柱面镜与标准球面样板间的矢高差值,根据(1)式求得柱面工具的曲率半径为

　　式中,R为柱面工具的曲率半径; R标为标准球面的曲率半径;h标为测得的标准球面矢高,也可以为计算值; d为球径仪测环的半径; h为测得的被检柱面镜矢高。

　　(3)式中,当选取R标与R的名义值一致时,由于加工误差的影响,所以Δh应为一个小量,易于利用微小量程的测微计高精度测量。在矢高测量时,要注意的问题是由于球径仪的测环与被测柱面镜的接触点为对径的两点属不稳定接触,在测量时必须将球径仪在保持接触的同时进行摆动以得到矢高的最小值。应注意的是,此时只能对凹柱面镜进行矢高的测量。

　　进行粗磨成形和抛光的机床如图2所示。该机床有两个正交方向的平移运动和绕平移运动方向的滚转运动。

　　用经上述修正的模具在柱面镜成型和抛光机床上对硅柱面镜成型,成型后的硅柱面镜利用凸球面样板和平面样板加极少量的液体或哈气,观察接触轨线,分别对柱面和柱线进行检验。当沿与柱线正交方向的圆弧上和柱线上的接触轨线的宽度都均匀一致时,即可认为成形完成。

　　2·2　细磨抛光

　　抛光时的运动方式与成形时一样,此时柱线的直线性可以在干涉仪上进行测量。此时的参考标准面为平面,面形误差为1·2个波长。在控制柱线的同时还需修正柱面的曲率半径和柱面面形,用凸球面样板和干涉仪交替进行,此时干涉仪的参考标准面为球面。经多次试验作者用经精选的氧化铝为抛光时的磨料。