本书以离子束抛光技术为基础，从单晶硅反射镜的宏观毫米尺度到微观原子尺度，系统阐述了单晶硅反射镜在时代发展下的高精度低缺陷制造技术，结合典型单晶硅元件的纳米级表面精度与低缺陷的制造需求，阐述了离子束曲面去除函数的仿真计算、离子束倾斜入射下单晶硅表面质量演变研究、功能序构层吸收机理及其对光学性质影响、单晶硅原子功能序构层调控工艺优化、中高频误差的吸收特性与抑制方法、联合工艺研究。

目录

第一章 绪论

1.1 背景与意义

1.1.1 背景概述

1.1.2 意义概述

1.2 国内外现状

1.2.1 高能激光系统对元件的要求

1.2.2 单晶硅反射镜高负载能力制造国内外研究现状

1.2.3 硅材料功能基元序构国内外研究现状

1.3 本书思路

第二章 离子束曲面去除函数的仿真计算

2.1 离子束去除函数基本理论和模型

2.1.1 Sigmund 溅射理论

2.1.2 Bradley–Harper 溅射蚀刻模型

2.2 曲面加工离子束流密度分布的影响因素分析

2.2.1 束散角对离子束流密度分布的影响

2.2.2 入射角度对离子束流密度分布的影响

2.2.3 面形对离子束流密度分布的影响

2.3 曲面加工离子束去除函数的仿真

2.3.1 入射角度对去除效率的影响

2.3.2 靶距对去除效率的影响

2.3.3 曲面去除函数仿真

2.4 本章小结

第三章 离子束倾斜入射下单晶硅表面质量演变研究

3.1 离子束去除效率与入射角度的关系

3.2 离子溅射对单晶硅表面质量的影响机理

3.2.1 局部面形对微观形貌演变的影响

3.2.2 表面原子扩散行为对微观形貌演变的影响

3.2.3 离子溅射引起的表面结构缺陷

3.3 单晶硅反射镜表面质量评价及检测设备

3.3.1 表面粗糙度及功率频谱密度 PSD 曲线

3.3.2 光热弱吸收

3.4 离子束倾斜溅射单晶硅实验

3.4.1 样件制备及实验方案

3.4.2 表面粗糙度测试结果及讨论

3.4.3 光热弱吸收测试结果及讨论

3.5 本章小结

第四章 离子束诱导功能序构层吸收机理及其对光学性质影响

4.1 功能序构层能量吸收机理

4.1.1 单晶硅结构及能量吸收过程

4.1.2 电子跃迁能量吸收对宏观光学特性影响

4.2 功能序构层光学性质仿真计算

4.2.1 功能基元仿真模型建立

4.2.2 能带结构与介电函数

4.2.3 光学性质仿真结果

4.3 功能序构层引入与光学性质表征

4.3.1 功能序构层引入实验

4.3.2 光学性能初步表征验证

4.4 本章小结

第五章 离子束调控单晶硅原子功能序构层工艺

5.1 实验设备及测试方法

5.1.1 功能序构层引入及调控设备

5.1.2 功能序构层表征及光学性质检测设备

5.1.3 粗糙度检测设备

5.2 功能序构层调控工艺参数优化研究

5.2.1 IBF 功能序构层引入参数仿真优化

5.2.2 CMP 功能序构层调控抛光盘结构优化

5.3 IBF + CMP 组合调控与光学性质表征

5.3.1 功能序构层调控工艺实验

5.3.2 基于透射电镜的原子序构层表征

5.3.3 表面粗糙度及光学性质表征

5.4 功能序构层结构对光学性质的影响

5.4.1 功能序构层对反射率影响规律分析

5.4.2 功能序构层对光热弱吸收影响规律分析

5.5 IBF + CMP 组合迭代抛光高负载能力制造工艺

5.6 本章小结

第六章 中高频误差的吸收特性与抑制方法研究

6.1 单晶硅加工中高频误差的产生

6.1.1 中频误差的产生

6.1.2 高频误差的产生

6.2 中高频误差驱动的能量吸收理论优化

6.2.1 引入功率谱密度理论后的能量吸收理论

6.2.2 能量吸收相关频段分析

6.2.3 膜层–基底中频误差复映

6.2.4 膜层–基底体系中的能量分布

6.3 基于中高频误差评价的激光性能预测

6.3.1 中高频吸收实验

6.3.2 光热弱吸收测试结果分析

6.3.3 能量吸收预测

6.4 光顺与柱面中高频抑制

6.4.1 光顺原理与广义压强

6.4.2 柱面光顺

6.4.3 柱面镜的中高频抑制

6.5 本章小结

第七章 联合工艺研究与加工实例

7.1 联合工艺研究

7.1.1 技术路线

7.1.2 联合工艺策略

7.2 联合工艺元件激光性能提升对比测试

7.2.1 样件制备与检测

7.2.2 激光测试与分析

7.3 基于浸没式光顺的低吸收联合工艺加工实例

7.3.1 φ100mm 平面反射镜全频段亚纳米精度制造

7.3.2 φ280mm 平面反射镜制造

7.3.3 φ195mm 凸抛物面反射镜制造

7.3.4 φ200mm 柱面反射镜组制造

7.4 本章小结

参考文献

前言

随着现代科学技术的飞速发展，光学系统的研究与应用迎来井喷式发展，其性能指标持续向更高精度、更极端工况适配的方向突破，因此对核心光学元件的性能也提出了越来越严苛的要求。这一需求在空间对地观测、激光惯性约束核聚变、激光武器、大规模集成电路制造等国家重大战略领域尤为突出。其中，在红外高能激光系统中，单晶硅反射镜是被广泛应用的核心光学元件；该系统要求反射镜在高功率密度激光的长时间辐照下，仍能实现高精度、高稳定性的光束传输，因此对元件的面形精度与激光负载能力有着极高的要求。随着高能激光技术的持续迭代升级，现有单晶硅反射镜的性能已无法支撑系统输出功率与整体性能的进一步提升，成为制约该领域技术突破的核心短板。高能激光系统对元件性能提出了精度与激光负载能力两个指标体系，追求全频段空间误差的抑制与激光能量吸收率的降低，二者均取决于加工质量。但目前元件制造沿袭传统光学加工，难以实现精度与激光负载能力的同时提升，需要开展制造方法与工艺研究，结合应用特点创新制造技术。

离子束抛光（IBF）技术是一种非接触式的光学元件加工技术，表面材料通过物理溅射作用去除，具有去除函数形状和稳定好、无边缘效应、无损加工、加工精度高等特点，通常被用作高精度光学零件的最终修形工艺。这些优点使离子束抛光成为加工高精度强光元件的有效方法。

因此，作者团队把在离子束抛光技术方面多年的研究成果进行归纳总结，从离子束抛光的理论、加工工艺、装备技术和原子功能序构层方面的研究成果进行了系统全面的梳理，撰写成了本书，一方面旨在给强光元件加工领域的科研人员、技术人员提供系统翔实的知识，另一方面也希望借此推动光学领域的进一步发展，为国家和国防科技战略发展提供技术支撑，促进我国尽快实现从制造大国向制造强国的转变。

本书面向高能激光单晶硅反射镜高水平制造，开展单晶硅基底高精度、低吸收制造方法的探索性研究，聚焦于单晶硅原子功能序构层对光学性质影响机理，以及功能序构层的形成与调控，针对单晶硅精抛光阶段，优选的功能序构层难以确定性获取的问题，开展功能序构层的调控工艺研究。在三个方面产生突破：①期望通过对额外吸收前驱体能量吸收特性与元件性能关联关系的研究，建立基于加工质量的元件性能评测方法，为工艺改进提供反馈，为制造质量提升提供理论指导。②基于先进光学制造技术，围绕精度误差提升和能量吸收抑制的目标，优化改进制造方法，获得适用于曲面、柱面元件制造的联合工艺，实现典型激光元件的高水平试制。③利用低能离子束工艺引入多种非晶结构，形成功能序构层，结合弱参数化学机械抛光（CMP）、浸没式抛光完成对多余非晶结构去除，对功能序构层进行调控，解决非晶层厚度确定性控制的难题。

作者

2025 年 5 月