[发明专利]一种基于离子束修形的连续相位板制备方法

说明书

本发明提供一种基于离子束修形的连续相位板制备方法，属于光学加工技术领域，制备方法利用离子束修形技术去除函数尺寸小、修形能力强、加工确定性高、无加工边缘效应的特点，采用不同束径去除函数组合加工以及面形滤波工艺，直接在光学元件表面加工出具有复杂微结构的连续相位板设计图案。该方法充分利用离子束大尺寸去除函数的高去除效率和小尺寸去除函数的精修能力，同时结合面形滤波工艺，在提高加工精度的同时提高加工效率，对于连续相位板复杂微结构的加工有很大的优越性。该方法充分发挥离子束去除函数加工精度高、确定性强的能力，根据连续相位板面形频率分布实现最大材料去除量，具有工艺简单、加工精度高、成形效率高等优点。

技术领域

本发明涉及光学加工技术领域，尤其涉及一种基于离子束修形的连续相位板制备方法。

背景技术

以美国国家“点火”装置(National Ignition Facility，NIF)和我国SG-Ⅲ装置等惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion，ICF)系统为代表的高功率激光系统，被广泛应用于国民生产、生活以及军事领域当中。ICF系统能否实现聚变反应，很大程度取决于光学元件的制造水平。在激光聚变实验中，提高激光能量利用率，实现靶面光强的主动控制以满足对焦斑强度分布的不同要求具有重要意义。各国研究者们尝试使用了随机相位板、相息相位板、分布相位板和连续相位板(Continuous Phase Plates,CPP)等不同的光学相位元件对激光束进行匀滑处理，以改善光束辐照均匀性。其中CPP元件凭借其较高的能量利用率以及良好的激光光束整形效果而被广泛应用于高功率激光装置。CPP元件表面连续起伏变化的三维微结构避免了传统台阶式相位板存在的散射以及强度调制，能够显著降低元件损伤，提高元件使用寿命，技术优势明显。

然而，由于通常设计的CPP元件是具有小周期、大梯度、纳米精度的类自由曲面结构，给其加工和检测都带来了很大的挑战。光学元件面形的最小空间周期限制了频谱范围，是CPP设计和加工过程中的重要特征参数。最小空间周期越小，CPP设计自由度越大，越有利于提高光学设计性能。为了保证CPP元件加工质量，研究表明最小空间周期通常应大于加工去除函数的1.5倍。

目前，主要采用磁流变抛光技术或化学刻蚀技术进行CPP元件的加工。然而，由于磁流变抛光技术使用的抛光轮口径较大(一般大于50mm)，所加工CPP元件的最小空间周期仍然受限。此外，由于磁流变抛光液中含有金属成分，在抛光过程中引入金属离子成分会对CPP元件的抗激光损伤性能带来负面影响，需要后续工艺处理以提升CPP元件的抗激光损伤能力。化学刻蚀技术受限于化学抛光头的几何尺寸，所能加工的最小空间周期较大，焦斑轮廓整形能力不强，并且工件边缘部分难以加工。

可见，CPP元件的高精度高效率加工仍存在瓶颈问题。为了在工程应用中实现更好的光束匀滑效果，在确保CPP元件表面加工质量的前提下，探索新的加工技术，解决CPP元件加工中存在的最小空间周期、加工精度、加工效率和小尺度制造误差等瓶颈问题已成为当务之急。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于离子束修形的连续相位板制备方法，解决背景技术中提到的技术问题。该方法具有工艺简单、加工精度高、成形效率高等优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于离子束修形的连续相位板制备方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：测量基板初始面形数据，判断基板初始面形数据是否满足设定的条件，若满足，则执行下一步，不满足的，采用离子束修形至预设面形精度；

步骤2：将连续相位板的设计面形数据取反，叠加至测量得到的基板面形数据，采用面形匹配算法将取反后的设计面形数据与基板面形数据进行匹配，得到待加工的残余误差面形数据，残余误差面形数据包含基板各个位置所需加工的材料去除量；

步骤3：以残余误差面形数据为基础，基于多束径离子束组合加工工艺的束径选取准则，选择合适的离子束去除函数；