低能宽束离子源与光学材料的作用特性研究

The purpose of this project is to explore the acting properties when the low-energy broad beam ion source bombarded on variety of commonly used optical materials, including material removal rate and surface roughness evolution properties. Provide the necessary theoretical and experimental basis for the application of reference broad beam ion source of low energy to fabricate ultra-smooth and high precision optical components.. This project proposes to base on the theoretical model of ion sputtering, low-energy broad beam ion source as the main experimental equipment, fused silica, silicon carbide, calcium fluoride, gold-plating mirror, aluminum mirror, anisotropic crystals as a research object, covering semiconductors, crystal , metal and other optical materials. Research involving many parameters when ion bombard to variety of optical material , including the ion beam energy , the ion incidence angle , ion source operating distance and so on. Comprehensively and systematically investigate the possibilities and limitations of using ion beam on the ion beam figuring technique and the ion beam smoothing technique. This topic take the mechanism of the low-energy of broad beam ion source on the optical materials as a core critical to research, including the mechanism of the physical level and experimental data statistics and analysis; build the model of the act characteristics of the low-energy broad beam ion source and frequently-used of optical materials..

本项目的研究目的在于探索低能宽束离子源轰击多种常用光学材料时对材料表面的作用特性，包括材料移除速率及表面粗糙度演化特性。为应用低能宽束离子源加工高精度超光滑的光学元件提供必要的理论参考及实验依据。. 本课题提出以离子溅射模型作为理论基础,以低能宽束离子源作为主要实验设备，以熔石英、碳化硅、氟化钙、镀金镜面、铝镜面、各向异性晶体等多种常用光学镜面作为研究对象，研究范围涵盖半导体、晶体、金属等多种光学材料。研究涉及离子束轰击多种光学材料时的诸多参数，包括离子束能量，离子束入射角度，离子源工作距离等。全面系统地探讨离子束用于离子束抛光技术和离子束光滑技术上的可能性与局限性。本课题将低能宽束离子源与光学材料的作用机理作为核心关键进行研究，包括物理层面的机理分析与预测和实验数据统计及分析；建立低能宽束离子源与常用光学材料作用特性模型。

新型光学元件的应用是现代光学系统发展的源动力。基于低能宽束离子源的离子束加工技术由于其自身超高精度、无应力、无边缘效应、无亚表面损伤、面型适应范围广等诸多优势越来越多地应用于高精度复杂面型的新型光学元件加工领域。但受限于离子束与光学材料的作用机理和特性，针对不同的光学材料，离子束加工技术的工艺及应用也存在一定的差异和局限性。离子束与光学材料作用时其去除函数的变化规律和表面粗糙度演变特性等是决定离子束加工技术的应用范围以及工艺方法的最重要参考依据。为此本课题就低能宽束离子源与光学材料的作用特性开展了系列实验研究与分析。.本课题从材料的微观物理结构、外在物理化学特性和应用领域等方面考虑，选取熔融石英、微晶、单晶硅、蓝宝石、锗、硫化锌、铝合金、镀镍铝合金和KDP晶体共计九种典型光学材料进行了实验研究。分别研究了以上各种材料在低能宽束离子源的轰击下其材料去除速率、表面粗糙度和表面物质成分的演化等规律。.研究结果表明，熔融石英、微晶、单晶硅、蓝宝石和锗这几种光学材料在离子束的轰击下，具有良好的表面粗糙度保持能力，适合采用离子束进行高精度非接触式加工。但离子束针对以上材料的去除速率差异较大，最大可达到近6.5倍。此外，针对不同入射角的轰击实验表明，入射角达到45度时其去除速率约是垂直入射时的3.5倍。针对硫化锌、铝合金和镀镍铝合金的实验表明，其在离子束的轰击作用下，表面中高频粗糙度会严重变差。采用离子束进行这些材料的加工仍需克服材料自身均一性、致密性和前序加工时的亚表面损伤等问题。.本课题的研究工作为现代光学系统设计中的光学材料选型和新型高精度光学元件加工工艺链提供了重要的参考依据。研究成果将有效促进低能宽束离子源在更多新材料、新工艺、新结构的光学元件加工领域的应用，并推动现代光学系统的技术进步。