氟化钙单晶超精密抛光技术

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第49卷第 17期20 1 3 年 9 月机 械 工 程 学 报JOURNAI，OF MECHANICAL ENGINEERINGVl01．49Sep.

NO．172 O l 3DoI： 10．3901／JM E．2013．17．046氟化钙单晶超精密抛光技术木袁 征 戴一帆 解旭辉 周 林 彭文强(国防科学技术大学机电工程与自动化学院 长沙 410073)摘要：针对紫外光学系统对氟化钙(Calcium fluoride，CaF2)晶体高精度、超光滑表面的加工要求，提出通过化学机械抛光(Chemically mechanical polishing，CMP)获得超光滑的表面，并利用离子束抛光(Ion beam figuring，mF)进一步提升其面形精度的超精密加工工艺新方法 对CaF2晶体表面粗糙度和表面形貌随着CMP去除深度的演化规律进行试验研究，发现CMP可有效去除传统机械研磨抛光过程产生的划痕，并获得表面粗糙度为0．268 am RMS(0．94 minx0．7 mm)的超光滑的表面；对 CaF2晶体表面粗糙度随 IBF中离子入射角度和去除深度 的演化规律进行试验研究，发现 IBF后 CaF2晶体表面变得粗糙，且在入射角度为 40。左右时变粗糙的程度最小。因此，利用离子束倾斜 40。对 CMP后的 CaF2晶体平面进行表面面形误差修正，得到面形精度 13．14 nnl PV，1．06 nm RMS和表面粗糙度为 O．281 nlTl RMS的高精度、超光滑 CaF2晶体表面。

关键词：氟化钙 光学加工 表面粗糙度中图分类号：TH161Research on Ultra-Precise Figuring for CaF2 Single CrystalYUAN Zheng DAI Yifan XIE Xuhui ZHOU Lin PENG Wenqiang(School of Mechatronic Engineering and Automation，National University of Defense Technology,Changsha 4 1 0073)Abstract：In order to machine ultra-precise and extremely smooth calcium fluoride(CaF2)surface for optical system in ultra violet ordeep ultra violet applications，a novel polishing method combining advantages of chemicaly mechanical polishing(CMP)and ion beamfiguring(IBF)is put forward．CMP is aimed at extremely smooth surfaces．while ion beam figuring is aimed at ultra·precise figureswithoutdestroyingthe extremely smooth surface．The evolutionof surface roughnessan d surface shape withmaterial removaldepthinCMP process are researched．Scratches produced in mechan icaly polishing process are removed by CMP and CaF2 plane with surfaceroughness of O．268 nln RMS f0．94 mmx0．7 mm)is obtained．Evolutions of surface roughness in dependence of sputering depth and ionincidence angle are studied．The surface tends to roughen after ion sputering，but roughen slightly with optimum parameters such asincidence angle of 40。．So，Polished by combined method of CMP and IBF with incidence angle of 40。，CaF2 single c~stal plan e with13．14nlnPV， 1．06nrlRMSin surface contoure~ors and0．281 nnlRMSin surface roughnessisobtained.

Key words：Calcium fluoride Optical fabrication Surface roughness0 前言氟化钙(Calcium fluoride，CaF2)晶体透射范围宽(125 m ～10 m)、具有优异的消色差和复消色差能力，被广泛地用于制造透镜、棱镜、和窗口等光学元件【J 。特别是在紫外光学系统中，CaF2晶体以极高的透射率、激光损伤阈值、折射率均匀性和低的双折射率，成为光刻系统和高能量激光系统的首选·国家自然科学基金资助项1~1(91023042，51105370)。20121008收到初稿201301 14收到修改稿透镜材料L4 J。高能量激光系统要求光学元件具有高的激光损伤阈值和透射性能，这就要求 CaF2晶体具有超光滑的表面[8-10】；在 193 nnl光刻系统中，要求CaF2表面粗糙度优于 0．5 am，面形精度必须达到纳米级[ ¨。

然而，CaF2晶体具有硬度低、易破碎、各向异性、较高的热膨胀系数等特性，对超精密加工提出巨大挑战[12-13]，CaF2晶体超精密加工已成为制约我国紫外和深紫外光学系统发展的关键因素之一。单点金刚石车削和传统的机械抛光不但会在 CaF2晶体表面产生诸如脆性破碎或划痕等表面和亚表面损伤 4J。而且，由



2013年9月 袁 征等：氟化钙单晶超精密抛光技术[13]【l4】[15】[16】段安锋，范翊，刘景和，等．CaF：晶体及加工技术研究[J】．长春理工大学学报，2007，30(2)：97—99.

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作者简介：袁征，男，1983年出生，博士研究生。主要研究方向为精密工程与计算机控制。

E—mail：bcd42C 163．com戴一帆，男，1966年出生，教授，博士研究生导师。主要研究方向为精密工程与计算机控制。

E—mail：dyf###nudt．edu．cn