[发明专利]超光滑玻璃镜片多级离子抛光方法

说明书

本发明属于超光滑玻璃镜片抛光技术领域，具体涉及一种超光滑玻璃镜片多级离子抛光方法。本发明采用高能惰性气体离子(Ar⁺、Xe⁺等)束快速刻蚀去除超光滑表面亚表面损伤层中比耳拜层，高能离子束快速刻蚀后不可避免造成玻璃超光滑表面粗糙度的增加和氧化物组份的失氧；为降低高能离子束刻蚀后超光滑表面的粗糙度，采用多级离子抛光方法，通过逐级降低离子束的能量，同时逐渐在离子束中增加氧离子浓度、降低惰性气体离子浓度，使粗糙度降低并使表面失氧的氧化物组份再次氧化，最终实现了在超光滑表面粗糙度变化量极小的情况下，成功去除了比耳拜层，极大减少了超光滑表面亚表面损伤层中的主要污染物和缺陷，有效提高光学元件的光学性能。

技术领域

本发明属于超光滑玻璃镜片抛光技术领域，具体涉及一种超光滑玻璃镜片多级离子抛光方法。

背景技术

超光滑玻璃镜片(rms≤0.3nm)在强激光系统、激光陀螺、极紫外光刻、地球引力波检测系统等方面有着重要而广泛的应用。目前，制造这种超光滑玻璃镜片的方法有传统古典式抛光法、浮法抛光法、离子束抛光法等，其中以传统古典式抛光法所获得的超光滑玻璃表面具有很高的性价比，因而，在工业化生产中获得了广泛的应用。古典式抛光的不足之处是：抛光过程形成的亚表面损伤层隐藏在玻璃镜片表面下，亚表面损伤层中存在着残留气体分子、氮化物、氧化物等污染物以及亚微米级缺陷，这些污染物和缺陷大部分存在亚表面损伤层中的比耳拜层(Bielby layer)中，古典式抛光后形成的比耳拜层厚度一般在0.1～1微米。这些污染物和亚微米级缺陷难以清净，也难以实现无损检测，去除这些污染物和亚微米级缺陷成为超光滑玻璃镜片研究和制造过程中的技术难题之一。

在光学系统中，绝大部分镜片均需镀膜以实现系统的光学性能，超光滑玻璃镜片也不例外，如超光滑玻璃镜片亚表面损伤层中的污染物、亚微米缺陷在超光滑表面元件镀膜之前不能被去除干净，在镀膜过程中，这些污染物、亚微米缺陷将受到膜层的融合和传递作用，随着膜层厚度的增加，它们会显现得越来越清楚，即污染物、亚微米缺陷均“长”大了，因而，它们对最终超光滑光学元件带来严重质量隐患，如激光损伤阈值降低、光学损耗增大、膜层结合力下降等。

为消除比耳拜层中污染物、亚微米缺陷对超光滑光学元件带来的不利影响，国内外研究人员采用多种手段来改善超光滑表面的最终质量。如在镜片抛光过程中，采用多级抛光技术、浮法抛光技术等，这些抛光技术可以将超光滑表面的粗糙度降至0.1nm以下，比耳拜层的厚度可以控制在100nm以下。德国NTG公司采用聚焦型高能离子束抛光技术，可以最大程度上减少超光滑表面亚表面损伤的产生，但不足之处，目前尚难以直接抛光至0.1nm以下。吴卫东等人采用反应等离子体修饰技术，对熔石英玻璃表面进行化学反应刻蚀，但这种方法导致了石英表面粗糙度增加，并出现表面物质结构状态的改变。上述几种处理超光滑表面的方法均在镀膜前实施，实施完后，还需要转入专用镀膜设备中进行薄膜镀制工作，在转移过程中，不可避免了会再次引入污染物。在常规真空镀膜过程中，在镀膜前采用Ar离子刻蚀技术对镜片表面进行清洗，这种清洗的作用主要用于去除镜片表面残留的碳氢污染物及表面吸附的颗粒物。更为深入的研究显示，不合适的Ar离子轰击会引起固体表面形成新缺陷、新污染、新的表面结构。如：能量过高的Ar离子轰击可导致Ar原子的注入渗入后发生迁移聚集后在表面层下形成鼓起的气泡现象；长时间Ar离子轰击时因基片不同区域与离子束的入射角不一致会导致刻蚀不均匀现象。综上所述，离子束刻蚀或轰击一方面去除对基片表面的一些污染物，有助于提高基片表面镀膜时的膜层结合力，另一方面，不合适的离子刻蚀或轰击导致新的缺陷形成，从而对最终的镜片质量造成不利影响。

研究表明，对于超光滑光学元件来讲，低表面粗糙度和低表面缺陷是超光滑表面的两大核心指标，表面粗糙度增加直接会导致光学表面的散射损耗增大，而缺陷直接导致表面局部异常，光学性能在缺陷位置发生突变，从而造成镜片质量的下降。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种用于改善超光滑玻璃镜片表面质量的多级离子束抛光方法。