光学制造中的材料科学与技术

本书的目的是从材料科学的角度重新审视古老的光学制造领域。光学制造是指制造光学元件，例如无源光学元件（如透镜、透射平板、反射镜和棱镜）和有源光学元件（如激光增益介质、频率转换器、偏振器和自适应光学元件）。它们的形状、尺寸和材料各不相同。新一代光学器件制造技术的改进，有助于提高先进激光器、成像和光谱系统的性能。材料科学和工程的跨学科领域探索应用会影响材料结构和特性，进而影响其性能和参数。

光学制造早可以追溯到在罗马时期使用的金属凸面镜和球面玻璃光学元件[1]。由于工件材料、形状、抛光材料、技术和工艺过程等变量的组合，可以形成的工艺组合几乎是无限的。从历史上看，这一领域主要是一门艺术，在这门艺术中，光学制造大师通过多年的学徒训练和反复试验，开发出一套独特的有效加工技术。虽然在过去几十年中，在对光学制造的科学理解方面取得了重大进展，但该领域尚未达到通过真正确定的工艺完全控制由各种光学材料制成的工件表面特性所需的成熟度。

丰富的光学制造方面的图书为材料、研磨和抛光、加工方法、工具、光学计量测量技术和光学设计提供了极好的指导和参考[119]。尽管研究人员在过去40年中进行了开创性的工作，特别是20世纪70年代的布朗[10]，80年代的泉谷[16]，90年代的雅各布斯、兰布罗普洛斯和库克[2045]，以及21世纪初的多恩菲尔德及其同事[4650]，然而，时至今日仍然缺乏对光学制造的全面理解和评价。是时候探究这一话题的本源了。

在涉及集成电路制造的化学机械抛光（CMP）相关领域，有许多参考著作，其中一些涵盖了光学制造工艺的材料科学方面[1315，17，5153]。然而，由于CMP与光学制造在材料、材料去除量和指标规格方面存在显著差异，因此需要另行描述。

光学制造涉及研磨和抛光两个步骤，实际上都是以下三个组成要素之间在相互作用过程中发生的一系列效应和现象，这三个组成部分是：

(1)  工件，即要制造的光学元件。

(2)  确定工件时间和空间相关机械载荷的研磨盘或工具。

(3)  抛光液，其中可能含有磨料以去除工件上的材料。

这三个制造组成从力学、摩擦学、物理和化学方面相互作用，从而影响光学制造的四个特性（面形、表面质量、表面粗糙度和材料去除率）。全书系统梳理并以定量的方式呈现了这些基本作用机理，用实验数据对提出的模型进行了解释；还讨论了这些基本组成要素的研究和开发，由此引入以前没有的新的表征方法、制造技术和工艺配方。

这本书包括两部分。第Ⅰ部分基本相互作用——材料科学，从第1章开始介绍，第2～5章讨论光学制造过程中的机械和化学现象及其对面形、表面质量、表面粗糙度和材料去除率的定量影响。从宏观相互作用开始，例如影响面形的相互作用，然后转移到影响表面质量、表面粗糙度和材料去除率的微观和分子相互作用。对于基本的相互作用，已经提出了许多机制和模型，本书介绍了其中的部分机制和模型。然而，本书的目的是说明这些概念，并以标准化和有组织的方式展示一些模型的细节（其中一些来自我们的研究小组），而不是全面描述所有现有模型的细节。

第Ⅱ部分应用——材料技术，介绍了与第Ⅰ部分基本原理紧密相关的内容。第6章讨论了与断裂相关问题的诊断和预防，包括灾难性问题和影响表面质量的问题，以提高光学制造成品率。第7章描述了新的制造支撑和表征技术，以更好地理解和提升光学制造工艺。第8章研究了新的光学制造工艺。第9章介绍了这些技术如何应用于高能激光器中高损伤阈值光学元件的制造。

这本书既是学生和科学家的教学参考书，也是光学制造商、工程师和技术人员的实用手册。因此，第Ⅰ部分是书面教科书形式，描述基本物理原理和理论背景。这些原理中有许多是针对脆性玻璃和陶瓷工件讨论的。对于熔融石英和其他玻璃，重点给出了一些示例，因为在许多已有的研究和开发中已经建立了这类材料的模型系统。第Ⅱ部分是有关提升光学制造工艺的手册。例如，第6章中有关划痕的讨论是诊断缺陷（即划痕）和提高产量的有用工具。

尽管光学制造这一古老领域在近期取得了许多进展，但它仍然是一门年轻的科学。这本书是对现有技术的总结、参考和选编。希望本书内容能推动科学进步，提升光学元件性能及其应用。

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室，2018 Tayyab I. Suratwala

本书为引进译著。作者全面梳理并总结了其团队在光学制造方面的研究结果。全书包括两大部分：第Ⅰ部分基本相互作用——材料科学，从摩擦学、流体动力学、固体力学、断裂力学、电化学等光学制造的基础理论出发，系统分析了从宏观到微观的材料去除过程，定量描述了光学制造中不同工艺参数与光学元件性能之间的关系。第Ⅱ部分应用——材料技术，详细叙述了工程应用的光学制造，汇总了现代光学制造中缺陷的检测和评价方法，剖析了多方面工艺优化的可行性，说明了各类新的抛光技术；针对高能激光系统要求的高损伤阈值光学元件，书末还给出了高能激光元件制作的关键工艺实例。
本书既是光学制造理论的梳理，也是现代光学制造技术与应用的汇总，涵盖了从光学制造工艺到光学元件性能评价等多方面的理论与实践，是一部兼具理论、方法和实际应用价值的教科书和参考书。

[美]塔亚布•I.苏拉特瓦拉（Tayyab I. Suratwala），获工程博士学位。在劳伦斯利弗莫尔国家实验室的工作生涯中，为美国国家点火工程在光学和制靶领域做出了杰出贡献。长期致力于激光磷酸盐玻璃的研制，提高了熔石英光学元件的损伤性能，以及微靶的质量和产能，也研究开发了一种低成本的光学抛光收敛技术。在光学材料的研磨和抛光、玻璃的断裂行为、延缓裂纹扩展、玻璃的光学特性、溶胶凝胶化学以及激光损伤的延缓等领域进行了广泛的研究。

吴姜玮，上海海事大学机械系副教授，获英国南安普敦大学工程科学学院机械系博士学位。主要学术领域包括计算固体力学及计算方法研究、黏弹性力学及黏弹性断裂力学、边界元方法在工程问题中的应用、有限元方法在工程问题中的应用等。出版专著1本、译著3本，发表论文20余篇。

致谢

第Ⅰ部分基本相互作用——材料科学

第1章绪论

1．1光学制造工艺／2

1．2光学制造工艺的主要特点／5

1．3材料去除机制／8

参考文献／10

第2章面形

2．1普雷斯顿方程／12

2．2普雷斯顿系数／13

2．3界面摩擦力／16

2．4运动和相对速度／18

2．5压力分布／22

2．5．1施加的压力分布／22

2．5．2弹性抛光盘响应／23

2．5．3流体动力／24

2．5．4力矩／26

2．5．5黏弹性和黏塑性抛光盘特性／29

2．5．6工件抛光盘失配／33

2．6确定性面形／54

参考文献／57

第3章表面质量

3．1亚表面机械损伤／63

3．1．1压痕断裂力学／63

3．1．2研磨过程中的亚表面机械损伤／76

3．1．3抛光过程中的SSD／91

3．1．4蚀刻对SSD的影响／99

3．1．5小化SSD的策略／107

3．2碎屑、颗粒和残留物／108

3．2．1颗粒／108

3．2．2残留物／110

3．2．3清洁策略和方法／112

3．3拜尔培层／114

3．3．1通过两步扩散的钾渗透／116

3．3．2化学反应性引起的铈渗透／118

3．3．3拜尔培层和抛光工艺的化学结构机械模型／122

参考文献／124

第4章表面粗糙度

4．1单颗粒去除功能／130

4．2拜尔培层特性／137

4．3浆料粒度分布／138

4．4抛光盘机械性能和形貌／141

4．5浆料界面相互作用／144

4．5．1浆料岛和
μ
粗糙度／144

4．5．2浆料中颗粒的胶体稳定性／148

4．5．3抛光界面处的玻璃抛光生成物堆积／150

4．5．4抛光界面处的三种力／152

4．6浆料再沉积／154

4．7预测粗糙度／157

4．7．1集成赫兹多间隙(EHMG)模型／157

4．7．2岛分布间隙(IDG)模型／164

4．8降低粗糙度的策略／167

4．8．1策略1： 减少或缩小每粒子负载的分布／167

4．8．2策略2： 修改给定浆料的去除函数／168

参考文献／170

第5章材料去除率

5．1磨削材料去除率／173

5．2抛光材料去除率／178

5．2．1与宏观普雷斯顿方程的偏差／178

5．2．2宏观材料去除的微观／分子描述／179

5．2．3影响单颗粒去除函数的因素／185

参考文献／195

第Ⅱ部分应用——材料技术

第6章提高产量： 划痕鉴定和断口分析

6．1断口分析101／200

6．2划痕辨识／204

6．2．1划痕宽度／205

6．2．2划痕长度／206

6．2．3划痕类型／207

6．2．4划痕密度／208

6．2．5划痕方向和滑动压痕曲率／208

6．2．6划痕模式和曲率／208

6．2．7工件上的位置／209

6．2．8划痕辨识示例／209

6．3缓慢裂纹扩展和寿命预测／210

6．4断裂案例研究／213

6．4．1温度诱发断裂／213

6．4．2带摩擦的钝性载荷／221

6．4．3玻璃与金属接触和边缘剥落／223

6．4．4胶合导致碎片断裂／225

6．4．5压差引起的工件失效／226

6．4．6化学相互作用和表面裂纹／229

参考文献／233

第7章新工艺及表征技术

7．1工艺技术／236

7．1．1刚性与柔性固定块／236

7．1．2浅层蚀刻和深蚀刻／240

7．1．3使用隔膜或修整器进行抛光垫磨损管理／241

7．1．4密封、高湿度抛光腔室／244

7．1．5工程过滤系统／244

7．1．6浆液化学稳定性／246

7．1．7浆料寿命和浆料回收／250

7．1．8超声波抛光垫清洗／250

7．2工件表征技术／252

7．2．1使用纳米划痕技术表征单颗粒去除函数／252

7．2．2使用锥形楔片测量亚表面损伤／253

7．2．3使用特怀曼效应进行应力测量／255

7．2．4使用SIMS对拜尔培层进行表征／255

7．2．5使用压痕和退火进行表面致密化分析／256

7．2．6使用静态压痕法测量裂纹发生和扩展常数／258

7．3抛光或研磨系统表征技术／258

7．3．1使用SPOS分析的浆料PSD末端结构／258

7．3．2使用共焦显微镜测量抛光垫形貌／259

7．3．3使用zeta电位测量浆料稳定性／259

7．3．4红外成像测量抛光过程中的温度分布／261

7．3．5使用非旋转工件抛光表征浆料空间分布和黏弹性研磨盘响应／261

7．3．6使用不同盘面槽结构分析浆料反应性与距离／262

参考文献／263

第8章新型抛光方法

8．1磁流变抛光／265

8．2浮法抛光／271

8．3离子束成形／273

8．4收敛抛光／275

8．5滚磨抛光／279

8．6其他子孔径抛光方法／285

参考文献／288

第9章抗激光损伤光学元件

9．1激光损伤前体／296

9．2减少激光光学元件中的SSD／300

9．3高级缓解过程／301

参考文献／306

本书为引进译著。作者全面梳理并总结了其团队在光学制造方面的研究结果。全书包括两大部分：第Ⅰ部分基本相互作用——材料科学，从摩擦学、流体动力学、固体力学、断裂力学、电化学等光学制造的基础理论出发，系统分析了从宏观到微观的材料去除过程，定量描述了光学制造中不同工艺参数与光学元件性能之间的关系。第Ⅱ部分应用——材料技术，详细叙述了工程应用的光学制造，汇总了现代光学制造中缺陷的检测和评价方法，剖析了多方面工艺优化的可行性，说明了各类新的抛光技术；针对高能激光系统要求的高损伤阈值光学元件，书末还给出了高能激光元件制作的关键工艺实例。
本书既是光学制造理论的梳理，也是现代光学制造技术与应用的汇总，涵盖了从光学制造工艺到光学元件性能评价等多方面的理论与实践，是一部兼具理论、方法和实际应用价值的教科书和参考书。

[美]塔亚布•I.苏拉特瓦拉（Tayyab I. Suratwala），获工程博士学位。在劳伦斯利弗莫尔国家实验室的工作生涯中，为美国国家点火工程在光学和制靶领域做出了杰出贡献。长期致力于激光磷酸盐玻璃的研制，提高了熔石英光学元件的损伤性能，以及微靶的质量和产能，也研究开发了一种低成本的光学抛光收敛技术。在光学材料的研磨和抛光、玻璃的断裂行为、延缓裂纹扩展、玻璃的光学特性、溶胶凝胶化学以及激光损伤的延缓等领域进行了广泛的研究。

吴姜玮，上海海事大学机械系副教授，获英国南安普敦大学工程科学学院机械系博士学位。主要学术领域包括计算固体力学及计算方法研究、黏弹性力学及黏弹性断裂力学、边界元方法在工程问题中的应用、有限元方法在工程问题中的应用等。出版专著1本、译著3本，发表论文20余篇。