浅谈超光滑表面加工技术

摘 要：超光滑表面加工技术属于超精密加工技术领域的前沿课题，是一个国家科学技术发展水平的重要标志，因此受到各国的重视。文章阐述了现有超光滑表面加工的先概念，详细介绍了浮法抛光、等离子体辅助抛光、浴法抛光和流体抛光法等技术。

关键词：抛光；超光滑表面；光学零件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.009

随着微电子学领域、光学领域及其相关技术的快速进展，越来越多的现代科学研究项目和民用商用装备仪器越来越多地需要具有高表面质量的光学元件[1]，尤其是强激光技术、电子学以及薄膜技术的发展对光学元件表面粗糙度的要求更为苛刻，其明显特征是需要光学表面的表面粗糙度小于1nm[2-3]。因此，超光滑表面加工技术已成为各国科学家研究的重点领域，高效、快速和稳定获得高质量表面越来越多受到重视。

1 超光滑表面概念

所谓光学超光滑表面，一般是指其表面粗糙度均方根值（RMS）小于 1 纳米的光学表面，并且对其表面损伤程度和物理结构等也有严格的要求，比如具有较高的表面面形精度和较低的表面疵病（surface defect）和亚表面损伤（SSD），表面残余应力极小、具有完整的晶格结构等[4]。

2 浮法抛光

浮法抛光是以锡盘为抛光盘，采用浴式抛光方式的加工法。它是一种非接触式抛光方法，机床主轴转动精度要求很高且转速很快，一般为60～200rpm，既可用软质磨料又可用硬质磨料，关键是磨料的粒度和均匀性。为了增大工件与磨料的接触面积和碰撞概率，提高抛光效率，所用磨料粒度要小，最好为纳米量级，通常为20nm。浮法抛光是一种去除量较小的抛光方法，工件需要用传统的抛光方法加工到一定的面性精度，一般为2～4个光圈。它是目前所有超光滑表面加工技术中加工的工件表面粗糙度最小的方法[5-8]。

3 等离子体辅助抛光

等离子体辅助抛光[5-8]的原理是利用被抛光工件表面的材料与等离子体发生化学反应达到光学零件抛光的目的。光学零件利用等离子体辅助抛光技术实现光学抛光的主要两方面是：一是根据光学零件的材料选择合适的能与之发生化学反应的抛光材料；另一方面是抛光材料经过激光冲击形成等离子体。采用等离子体辅助抛光光学零件的过程为：光学零件和抛光材料置于真空的环境当中，激光脉冲照射到抛光材料上形成等离子体，等离子体与光学零件表面的材料发生化学反应，实现光学零件表面材料的去除，达到抛光的目的。由于抛光材料的等离子体与工件表面通过化学反应实现抛光，属于经典抛光理论中的化学作用理论，不是传统的机械剥离，因此，光学零件表面不形成新的亚表层损伤和机械应力。

4 浴法抛光

传统的古典法抛光原理是光学零件与抛光盘相对运动，其中抛光盘或光学零件之一作旋转运动，另外一个再其的带动下发生从动运动，并且两者之一作左右摆动运动，通过在两者之间添加抛光液实现光学零件的抛光。浴法抛光[5-8]与传统的古典法抛光方式的最主要区别是将光学零件和抛光盘置于抛光液中，其运动方式基本一致。光学零件与抛光盘之间通过机械作用实现抛光颗粒对工件表面材料的去除，抛光过程中会产生热量，导致抛光盘和光学零件的变形，从而影响光学零件的抛光质量。浴法抛光使抛光液充分的与抛光盘和光学零件相接触，不仅可以提高抛光效率，而且可以起到降温的作用。浴法抛光能够实现光学玻璃的超光滑表面抛光。

5 流体抛光法

流体抛光方式主要由抛光盘、工件和抛光液等组成。流体抛光的方法是抛光盘高速旋转，抛光液在抛光盘高速离心力的作用下而形成一层抛光液体膜，光学零件悬浮在抛光液体膜的上，光学零件与抛光液体膜之间夹持着抛光颗粒，抛光颗粒连续的碰撞光学零件表面，从而实现光学零件表面的材料去除。与传统的古典法相比，抛光盘具有相对高的旋转速度，机械剥离不是工件表面材料去除的主要方式，而是依靠抛光颗粒的连续碰撞剥离工件表面材料，可以减少亚表层损伤和实现高精度抛光，但抛光效率较低[5-8]。

6 结束语

超光滑表面的先进抛光方法主要利用流体体力学及化学反应等原理来实现光学元件表面的原子量级去除，改变了过去以往通过改进工艺参数获取高精度表面的技术。随着工业4.0和中国制造2025等工程的实施，开展原子量级的材料去除及无亚表层损伤的先进抛光技术将是今后研究的热点。

参考文献：

[1]杨力.先进光学制造技术发展研究[J].光学技术，1998（03）：2-5.

[2]马占龙，刘健，王君林.超光滑光学表面加工技术发展及应用[J].激光与光学电子进展，2011.

[3]李锡善，戈鹤忠.超光滑表面加工技术[J].激光与光电子學进展，1998.

[4]孟凯.基于散粒磨料的超光滑抛光材料去除机理与试验研究[D].中国科学院光电技术研究所博士论文.

[5]李圣怡，戴一帆等.大中型光学非球面镜制造与测量新技术[M].北京：国防工业出版社，2011.

[6]程灏波，冯之敬，王英伟.磁流变抛光超光滑光学表面[J].哈尔滨业大学学报，2005.

[7]武建芬.离子束加工技术研究[D].中国科学院长春光机所博士论文，2010.

[8]苏建修.IC 制造中硅片化学机械抛光材料去除机理研究[D].大连理工大学博士论文，2006.

作者简介：王广林（1972-），男，陕西西安人，高级工程师，主要从事精密加工及机械设计方面的研究。