光学表面超精密加工技术

　　1　引　言

　　现代科学技术的不断发展对超光滑表面的需要越来越多,世界各国都在积极研究新的加工方法与技术,特别是对光学器件的超精密抛光加工进行了大量的研究工作,提出了许多新的超精密加工方法,包括离子束加工、在线电解修整(Electrolytic In-process Dressing,ELID)磨削抛光、等离子体辅助抛光(PlasmaAssisted Chemical Etching,PACE),磁流变抛光(Magnetorheological Finishing,MRF)等[1,2]。这些技术成功地实现了光学器件的超精密加工,达到了较高的精度,是现在以至今后光学器件超精密加工的主要方法。

　　2　超精密光学表面加工技术

　　近年来,人们对光学器件超精密加工进行了大量的实验研究工作,从而提出了许多新的超精密加工方法。

　　2.1　离子束加工

　　离子束加工是把中性离子在电场中加速,将这种高速的离子束流射向工作表面,利用离子束的力学作用撞击工件表面的原子或分子,将能量直接传给工件材料的原子或分子,使其逸出表面从而将材料去除。离子束加工采用离子碰撞的方法,可以实现以原子为计量单位的纳米级加工,得到质量较高的加工表面[3]。1987年,美国学者Wilson等人用Ar+、Kr+离子束对石英玻璃、微晶玻璃等进行了表面精整加工,在直径为0.3m的工件上得到了面形精度为170nm,表面粗糙度值为0.6nm的超精密表面[1]。

　　离子束抛光的加工范围较广,对工件尺寸没有严格控制,并且可加工球面、非球面和非对称面形。离子束抛光可以获得面形精度0.015λ,表面粗糙度优于0.6nm的表面[4]。但是这种加工方法需要有一套复杂的离子束产生设备,大且昂贵的真空系统,同时仍然存在着生产率低,加工过程不易控制,加工材料有限等缺点,还有待于进一步研究解决。

　　2.2　在线电解修整(ELID)磨削抛光

　　ELID磨削技术是日本理化学研究所大森整等人于1987年提出的磨削新工艺。它是利用在线的电解作用对金属基砂轮进行修整,即在磨削过程中在砂轮和工具电极之间浇注电解磨削液并加上直流脉冲电源,通过电解磨削液。利用电解过程中的阳极溶解效应,砂轮表层的金属基体被电解去除,露出崭新锋利的磨粒,同时形成一层氧化膜附着于砂轮表面,抑制砂轮过度电解,从而使砂轮始终以最佳磨削状态连续进行磨削加工。所以,该技术利用金属基砂轮进行磨削加工的同时,利用电解方法对砂轮进行修整,保持了砂轮的面形,从而达到超精密镜面磨削[5,6]。

　　ELID磨削工艺很好地解决了金属砂轮的钝化和修整难题,保持了砂轮的锋利性。而其最大的特点在于,采用粗粒度的ELID技术可代替通常的磨削技术。采用1μm~10μm的微磨粒可代替一般的超精密磨削和研磨。用0.1μm~1μm超微粒砂轮的ELID技术可进行超精密镜面磨削,可代替抛光加工。这能有效提高工件的加工效率和精度。自该技术诞生以来虽然只有十几年,但已受到各国的重视,在许多方面特别是各种材料的超精密镜面磨削上获得极大的成功。现已生产出粒度为0.5nm的以钴粉作结合剂的金刚石砂轮,磨削的表面粗糙度为0.5nm。达到了较高的加工精度[7]。