[发明专利]一种大口径光学元件的离子束加工装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及离子束加工的技术领域，具体涉及一种大口径光学元件的离子束加工装置及方法。

背景技术

离子束抛光技术是现代光学元件加工的一种重要加工技术，其优势在于精度高、无表面应力、无边缘效应、确定性强、能加工硬、脆、软等多种特殊材料。其加工的光学元件可广泛应用于光刻投影物镜系统、天文系统、激光核聚变系统等居多高新技术领域。

但是，离子束抛光技术其去除速率相对较慢。在加工大口径光学元件时其加工周期往往达数周甚至数月的之久。在此期间，离子源的部分损耗部件性能将会劣化，即便离子源依然能够正常工作，其去除函数的去除速率和形貌依然会发生变化，进而导致后期加工达不到预期的效果。

发明内容

为了克服上述问题，必须要在整个加工过程中不断分阶段检测去除函数，并按照检测出的去除函数调整驻留时间分布策略，以期在离子源性能参数不断变化的情况下依然能获得预期的加工效果。本发明的任务在于，允许离子源在大口径光学元件加工周期内性能劣化的情形下，提供一个可以实现大口径光学元件分块离子束加工的装置及方法。

本发明采用的技术方案为：用于大口径光学元件的离子束加工装置，其特征在于包括主真空舱、副真空舱、气动真空门、数控三坐标位移台、离子源、被加工件夹持机构、试验样品夹持机构、试验样品传送机构。

主真空舱存在一个主真空舱门，用做被加工件放入和取出主真空舱的通道。主真空舱存在一个进气孔用于往主真空舱内注入气体，存在一个抽气孔用于从主真空舱内抽取气体。副真空舱在主真空舱内的位置必须满足在被加工件夹持好后并不会遮拦副真空舱。被加工件和试验样品可以同时被夹持于主真空舱内，并均可以被离子源轰击。

气动真空门竖直安装于主真空舱与副真空舱之间，其门插板能上下移动。门插板向下移动时，气动真空门关闭，主真空舱和副真空舱隔开，可分别形成两个独立的真空环境。门插板向上移动时，气动真空门开启，主真空舱和副真空舱连通，形成一个连通的真空环境，此时试验样品可被送入到主真空舱内。只有当主真空舱和副真空舱内的压强基本一致时气动真空门才可以被打开。

副真空舱存在一个副真空舱门，用做试验样品放入和取出副真空舱的通道。副真空舱存在一个进气孔，用于往副真空舱内注入气体，存在一个抽气孔用于从副真空舱内抽出气体。副真空舱具有尽可能小的体积，只要能容纳试验样品及相关夹持机构和传送机构即可。

数控三坐标位移台位于主真空舱内，安装于底部位置。其采用计算机控制，能做X、Y和Z方向的三维移动。能以不同速度连续执行数控代码。

离子源采用计算机控制，能发射低能宽束离子束。其安装于数控三坐标位移台上，能跟随数控三坐标位移台做X、Y和Z方向的三维移动。离子源发射的离子束的方向与被加工件的光轴方向保持一致。离子源可发射低能宽束径的离子束，离子束轰击光学材料时即能以极慢的速率移除光学材料表面原子，以达到光学元件表面修形的目的。

被加工件夹持机构采用被加工件竖直夹持的方式，对被加工件进行支撑。其安装于主真空舱内壁上，且在夹持好被加工件后不会遮盖副真空舱通往主真空舱的入口。

试验样品夹持机构能将试验样品竖直夹持放置。试验样品夹持机构固定于试验样品传送机构上。夹持试验样品时，其光轴要与离子束的发射方向保持一致。

试验样品传送机构为一维运动机构，可沿着X方向移动。上部支撑结构存在一个呈90度弯曲的弯曲臂，在计算机控制下可在副真空舱内移动。当试验样品传送机构走到一侧极限位置时，弯曲臂能将试验样品及其夹持机构伸进主真空舱内部。当试验样品传送机构走到另一侧极限位置时，能通过副真空舱门从试验样品夹持机构上取出试验样品。

另外，一种大口径光学元件的离子束加工装置对光学元件进行离子束加工，采用如下的方法，包括如下的步骤，具体为：

步骤1，检测面形误差：检测被加工件的面形，与期望面形比较，计算出被加工件的面形误差，也称为期望材料移除量。

步骤2，对光学元件表面期望材料移除量划分子块。

步骤3，放入被加工件：将被加工件夹持于工件夹持机构上，关闭主真空舱门和副真空舱门。

步骤4，抽真空并开启离子源：抽真空至离子源的工作压强，将离子源移动至安全位置后，开启离子源并预热。其中，安全位置是指离子源开启后，其离子束不会轰击到被加工件和试验样品的位置。