[发明专利]一种动态可控超宽幅高频响离子源调控方法

说明书

本发明公开了一种动态可控超宽幅高频响离子源调控方法，包括在迭代加工时进行离子束加工驻留时间解算；根据驻留时间结算结果选择机床合适的运动轴速度V；根据光学元件初始的面形误差、运动轴速度V动态解算离子源的工艺参数，并生成对应的数控程序对光学元件进行加工。本发明能够实时调控离子束抛光的去除函数，不仅能够提升离子束抛光的精度和效率，同时还可以降低对机床运动系统的需求以及损伤层深度，可用于高精度修形、质量修调以及光学元件表面特性调控等领域，具有高精度和效率兼备、调节的范围广、可操作性强、经济实用性强、应用前景广阔等优点。

技术领域

本发明属于离子束超精密加工技术，具体涉及一种动态可控超宽幅高频响离子源调控方法。

背景技术

离子束抛光的基本原理就是利用具有一定能量的离子轰击光学镜面，与表面原子发生复杂的碰撞过程，并且通过碰撞与材料原子进行动量和能量交换。当被碰撞的表面原子获得足够的能量后，便可以摆脱表面能的束缚，脱离工件表面，从而实现原子级的材料去除。高确定性、高稳定性和非接触、无应力的加工方式，使得离子束抛光方法在很多方面优于传统抛光技术，克服了传统抛光加工过程中的边缘效应、刀具磨损和压力负载等缺点，在多个方面应用优势明显。

在高精度修形方面：现有的离子束抛光针对多频段面形误差往往采取加光澜获取不同束径去除函数的方式，更换去除函数会额外增加加工的准备时间，且每一种束径的去除函数都会对整个面形进行扫描加工，使得每次更换束径都得重新对元件进行测量，引入了光学元件多次装夹带来的装夹误差，降低了修形的精度和离子束抛光的效率。且对于误差梯度过大区域，机床动态性能不足会引入加工误差，使面形达不到预期的收敛效果甚至会影响面形原有质量。

在质量修调方面：半球谐振陀螺(Hemispherical Resonator Gyro，HRG)是目前精度最高的固态振动陀螺。半球谐振陀螺主要由半球谐振子、施力电极、拾取电极(检测器)三部分构成，半球谐振子是核心零件。我国半球谐振陀螺研究尚处于探索阶段，与国外先进水平差距还很大，特别是半球谐振子的制造、质量调平等关键技术和工艺，已经成为HRG产品突破零偏稳定性0.01°/h的“卡脖子”难题。谐振子质量调平工艺主要有激光加工、化学腐蚀和离子束修调等。化学腐蚀方法可以高效地去除熔石英材料，但可控性差，难以满足高精度要求；激光加工使得损伤层加大，影响性能。离子束修调方法为原子级无应力材料去除方式，调平精度高，对材料表面和深层结构影响小，受到普遍重视。但是目前离子束抛光难以实现纳克级质量修调，急需我们提升离子束质量修调能力，将我国半球谐振子陀螺研制和应用水平提升到一个新高度。

在光学元件表面特性调控方面：当前为解决机床加速度无法满足高陡度误差修形的要求，国防科技大学的廖文林等人提出了增加额外去除量的方式降低对机床加速度的要求，进而实现高陡度面形误差离子束抛光。可增加额外去除量会恶化光学元件表面的光学性能，相关研究表明，离子溅射去除深度直接影响光学元件表面光热弱吸收特性。

综上所述，半球谐振子要接近理想的质量调平状态、光学表面多频段误差收敛以及表面光学性质调控，都需要开辟一种新的离子束抛光方法。

现有连续离子束加工模式存在如下缺点：1)对高频段误差不具备修行能力，不能满足光学元件生产需求；2)机床的动态特性难以达到理想条件，驻留时间产生误差，引起误差残留，甚至引入额外误差；3)加工过程中离子束持续引出，对整个面形进行溅射去除，影响面形收敛；4)采取连续扫描模式，对不需要进行材料去除区域造成额外的材料去除，增加了损伤层厚度；5)离子束抛光过程中束径不可控，不能在单次加工过程中实现面型误差全频段收敛。以上缺点造成了离子束加工系统在使用中无法对高陡度误差进行有效去除，不易于去除量的精密控制，加工过程中不可避免会有额外去除层，增加损伤层深度，从而降低了离子束抛光效率，弱化了光学元件的性能。要想半球谐振子要接近理想的质量调平状态、光学表面多频段误差收敛以及表面光学性质调控，都需要开辟一种新的离子束抛光方法。要能够实现离子束去除函数的动态可控。因此，提出一种动态可控超宽幅高频响离子源调控方法，已经成为本领域人员一项亟待解决的关键技术问题。

发明内容