大口径光学元件离子束沉积修正抛光工艺研究

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1、密级无分类号０４３６．１＿＃知料ｆＸＩＡＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＣＡＬＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ硕士学位论文题目：大口径光学元件离子束沉积修正抛光工艺研究作者：王泉指导教师：刘卫国教授申请学位学科：光学工程２０１８年５月２０日密级无分类号O436.1XI’ANTECHNOLOGICALUNIVERSITY硕士学位论文题目:大口径光学元件离子束沉积修正抛光工艺研究作者：王泉指导教师：刘卫国教授申请学位学科：光学工程2018年05月20日大口径光学元件离子束沉积修正抛光工艺研

2、究学科：光学工程研究生签字：指导教师签字：摘要光学晶体磷酸二氢钾（PotassiumDihydrogenPhosphate以下简称KDP）是一种典型并广泛使用的非线性光学晶体材料，由于KDP晶体具有脆性大，易潮解，易开裂，加工难度大的特点，被认为是典型的难加工材料。为了满足激光惯性约束核聚变对KDP晶体所需的面形精度、表面质量的高要求，本文针对降低KDP晶体表面粗糙度和消除KDP晶体表面周期性刀痕，采用低能离子束进行KDP晶体的抛光工艺研究。主要研究内容如下：（1）IBSE500离子束抛光系统的性能研究。针对离子束抛光系统的

3、性能研究，以小口径拼接的方式，模拟了口径为430mm光学元件，并对此光学元件进行离子束溅射沉积和刻蚀抛光工艺实验，得到该设备离子束溅射沉积均匀性在5%以内，刻蚀均匀性在5%以内，为后续研究过程中获得高精度光学元件奠定了基础。（2）平坦化层的应力研究。针对KDP晶体表面平坦化层易起皱损坏现象，建立模型并结合理论计算了平坦化层应力；利用COMSOL模拟并与实验进行对比，验证了模型的正确性，并找到间歇镀膜制作平坦化层的方法，得出每溅射沉积30min间歇120min，而获得厚度为100nm时，应力较小的平坦化层，膜层的粗糙度达到0.

4、9nm。（3）平坦化层材料的选择。为了获得对KDP晶体表面平坦化效果较优的层材料，进行了一系列研究。首先，在离子束电压为500V，离子束电流为150mA，加速电压300V，-1加速电流100mA，Ar流量35sccm，工作压强为5.71×10Pa时对比Si和SiO2平坦化效果，优选出Si平坦化层材料；然后，保持其它参数不变，研究了离子束电压与Si平坦化层表面粗糙度之间的规律，得出离子束电压为600V时，粗糙度改变量最大为1.02nm。（4）KDP晶体离子束刻蚀后表面研究。首先，对离子束刻蚀后的KDP晶体表面作拉曼、XRD等测

5、试分析，验证了离子束抛光不会造成晶体表面物质重构；其次白光干涉仪测试表明了离子束刻蚀可以消除KDP晶体表面周期性刀痕。（5）KDP晶体表面平坦化层效果转移加工工艺研究。通过工艺实验计算出平坦化层硅层刻蚀速率为0.6nm/min，在平坦化层厚度为40nm时，控制刻蚀时间66.7min，使得以小口径拼接方式获得大口径（430mm范围内）的KDP晶体表面粗糙度降低到1.5nm，达到了预期目的。关键词：磷酸二氢钾晶体；溅射沉积；离子束刻蚀；应力；平坦化层StudyonPolishingTechnologyofLargeDiamete

6、rOpticalElementbyIonBeamDepositionDiscipline:OpticalEngineeringStudentSignature:SupervisorSignature:AbstractOpticalcrystalpotassiumdihydrogenphosphate(KH2PO4,hereinafterreferredtoasKDP)isakindoftypicalandwidelyusednonlinearopticalcrystalmaterial,whichisconsideredas

7、theonetoprocesshardlybecauseofitsbrittleness,easydeliquescence,easycrackinganddifficultprocessing.Inordertomeetthehighdemandoftheshapeaccuracyandsurfacequalityforthelaserinertialconfinementfusion,alow-energyionbeampolishingtechniquehasproposedinthispapertoreducethe

8、surfaceroughnessofKDPcrystalandeliminatetheperiodicscratchesonthesurfaceofit.Thespecificresearchesareasfollows:(1)TheperformanceoftheIBSE500ionbe