离子束加工光学表面伴生微纳结构的生成机理与调控方法

The nanometer fabrications of optical surfaces have extremely extensive application requirements in some technical fields, such as extreme ultraviolet lithography, synchrotron radiation and novel optoelectronic material. However, the specifications made on surface accuracy or characteristic dimension achieve nanometer or even atomic magnitudes, where theoretical, technological and methodological breakthroughs for ultra-precision fabrication technology are urgently need. Based the nano-fabrication method of ion beam machining, the fundamental researched on nano-precision/nanoscale fabrication are developed to investigate the accompanying nanoscale phenomenon and its regulation theory in fabrication process. Based on a new perspective of the symbiotic mechanisms of material removal, flow and addition, the nanoscale behaviors on surface nanopatterning are firstly investigated, which would establish theoretical foundation for the regulation of nanostructures. Then, through the researches of the influence rules of processing conditions and material properties on nanopatterning behaviors, the formation and vanishment of nanostructures are modeled in mathematics to comprehensively reveal the formation mechanisms of the accompanying nanoscale phenomenon. Finally, the regulation theory and approach for surface nanostructures will be proposed based on the innovative processing methods and technique, where breakthroughs in key technologies would be made in the fabrications of ultrasmooth surface and nanostructures. Depend on our proposed core theory of ion beam machining, we believe that it will be of great significance to reveal the basic scientific rules of nanoscale phenomenon and promote the development of ultra-precision manufacturing science.

光学表面的纳米制造在国家极紫外光刻、同步辐射和新型光电材料等科技领域有着重大的应用需求。然而，光学表面制造的精度或者特征尺度要求已经达到了纳米量级甚至原子量级，迫切需要超精密制造在原理、技术和方法上的突破。本项目基于离子束纳米加工的手段，开展纳米精度/尺度制造的基础科学研究，探索制造过程的纳米新现象及其调控理论。从材料原子分子去除、流动和添加共生的新视角，研究光学表面微观塑形的纳米尺度效应，为实现微纳结构的调控奠定理论基础；建立微结构消长的数学模型，研究工艺参数及材料特性对微观效应的影响规律，全面系统地剖析伴生纳米现象的生成机理；创新加工方法和工艺，提出宏微跨尺度光学表面微纳结构调控的理论和手段，在超光滑表面生成、微结构高效制备等方面形成关键性技术突破。在创新研究基础上，掌握离子束纳米量级加工的核心理论，对揭示微观尺度的基本科学规律、推动超精密制造科学的发展具有重要意义。

以微米级为代表的传统制造转向纳米制造时，制造精度或者特征尺寸由宏观进入微观，势必伴生纳米现象的出现。从纳米尺度甚至是原子分子尺度研究制造过程的纳米新效应和新规律，是对超精密加工理论的丰富和发展，代表了制造科学发展的前沿研究领域。.面向极紫外光刻、同步辐射和新型光电材料等科技领域的光学制造需求，本项目针对具有纳米制造潜力的低能离子束加工方法，开展了纳米精度/尺度制造的基础研究，探索了制造过程的纳米现象及其调控理论。研究了离子溅射诱导的微观塑形效应，揭示了伴生微观形貌的多样性，为离子束溅射光学表面伴生微结构的调控奠定了基础；基于离子溅射的材料去除、流动和添加理论，建立了伴生微结构在能量沉积、流动和扩散等效应下的生成与演变模型，合理解释了表面伴生微纳结构的现象；研究了离子溅射参数和被加工表面微区材料特性对微纳结构生成的影响规律，掌握了伴生微结构的生成机理和调控方法，形成了离子束超光加工工艺和微结构制备方法；基于相关的理论和方法，利用离子溅射诱导的两面性微观塑形效应，在大面积光学表面上分别实现了超光滑表面加工和微结构高效制备。.在理论研究的基础上，针对光学表面的纳米精度制造，从材料微观特性和微结构调控的角度出发，掌握了离子束超光滑加工技术，创新加工方法和工艺，有效地抑制了表面伴生微纳结构的生成，在典型光学零件的纳米精度加工中，可达到有效口径内面形精度优于1nm RMS、微观尺度粗糙度优于0.1nm RMS的超精密加工，实现了从宏观尺度面形精度到微观尺度粗糙度的中高频误差一致收敛到纳米精度的目标。针对光学表面的微结构加工，利用离子束溅射技术，制备出了诸如波纹、颗粒状、锯齿等形状的微结构，尺度能够控制在几十纳米到微米量级的范围，并且通过溅射参数能够对微结构的幅值和周期进行调控，实现了大面积范围内规则性纳米微结构的加工。相关研究成果应用于光刻物镜、强光光学元件等光学零件的研制，利用自主研发的理论和工艺实现了典型光学零件的纳米精度/尺度的制造，为国家相关科技项目的顺利实施提供了制造技术支撑。