本書的目的是從材料科學的角度重新審視古老的光學制造領域。光學制造是指制件,例如無件(如透鏡、透射平板、反射鏡和稜鏡)和有件(如激光增益介質、頻率轉換器、偏振器和自適件)。它們的形狀、尺寸和材料各不相同。新一代光學器件制造技術的改進,有助於提高先進激光器、成像和光譜繫統的性能。材料科學和工程的跨學科領域探索應用會影響材料結構和特性,進而影響其性能和參數。
光學制造早可以追溯到在羅馬時期使用的金屬凸面鏡和球面玻件[1]。由於工件材料、形狀、拋光材料、技術和工藝過程等變量的組合,可以形成的工藝組合幾乎是無限的。從歷史上看,這一領域主要是一門藝術,在這門藝術中,光學制造大師通過多年的學徒訓練和反復試驗,開發出一套獨特的有效加工技術。雖然在過去幾十年中,在對光學制造的科學理解方面取得了重大進展,但該領域尚未達到通過真正確定的工藝完全控制由各種光學材料制成的工件表面特性所需的成熟度。
豐富的光學制造方面的圖書為材料、研磨和拋光、加工方法、工具、光學計量測量技術和光學設計提供了極好的指導和參考[119]。盡管研究人員在過去40年中進行了開創性的工作,特別是20世紀70年代的布朗[10],80年代的泉谷[16],90年代的雅各布斯、蘭布羅普洛斯和庫克[2045],以及21世紀初的多恩菲爾德及其同事[4650],然而,時至今日仍然缺乏對光學制造的全面理解和評價。是時候探究這一話題的本源了。
在涉及集成電路制造的化學機械拋光(CMP)相關領域,有許多參考著作,其中一些涵蓋了光學制造工藝的材料科學方面[1315,17,5153]。然而,由於CMP與光學制造在材料、材料去除量和指標規格方面存在顯著差異,因此需要另行描述。
光學制造涉及研磨和拋光兩個步驟,實際上都是以下三個組成要素之間在相互作用過程中發生的一繫列效應和現像,這三個組成部分是:
(1) 工件,即要制造件。
(2) 確定工件時間和空間相關機械載荷的研磨盤或工具。
(3) 拋光液,其中可能含有磨料以去除工件上的材料。
這三個制造組成從力學、摩擦學、物理和化學方面相互作用,從而影響光學制造的四個特性(面形、表面質量、表面粗糙度和材料去除率)。全書繫統梳理並以定量的方式呈現了這些基本作用機理,用實驗數據對提出的模型進行了解釋;還討論了這些基本組成要素的研究和開發,由此引入以前沒有的新的表征方法、制造技術和工藝配方。
這本書包括兩部分。第Ⅰ部分基本相互作用——材料科學,從第1章開始介紹,第2~5章討論光學制造過程中的機械和化學現像及其對面形、表面質量、表面粗糙度和材料去除率的定量影響。從宏觀相互作用開始,例如影響面形的相互作用,然後轉移到影響表面質量、表面粗糙度和材料去除率的微觀和分子相互作用。對於基本的相互作用,已經提出了許多機制和模型,本書介紹了其中的部分機制和模型。然而,本書的目的是說明這些概念,並以標準化和有組織的方式展示一些模型的細節(其中一些來自我們的研究小組),而不是全面描述所有現有模型的細節。
第Ⅱ部分應用——材料技術,介紹了與第Ⅰ部分基本原理緊密相關的內容。第6章討論了與斷裂相關問題的診斷和預防,包括災難性問題和影響表面質量的問題,以提高光學制造成品率。第7章描述了新的制造支撐和表征技術,以更好地理解和提升光學制造工藝。第8章研究了新的光學制造工藝。第9章介紹了這些技術如何應用於高能激光器中高損傷閾件的制造。
這本書既是學生和科學家的教學參考書,也是光學制造商、工程師和技術人員的實用手冊。因此,第Ⅰ部分是書面教科書形式,描述基本物理原理和理論背景。這些原理中有許多是針對脆性玻璃和陶瓷工件討論的。對於熔融石英和其他玻璃,重點給出了一些示例,因為在許多已有的研究和開發中已經建立了這類材料的模型繫統。第Ⅱ部分是有關提升光學制造工藝的手冊。例如,第6章中有關劃痕的討論是診斷缺陷(即劃痕)和提高產量的有用工具。
盡管光學制造這一古老領域在近期取得了許多進展,但它仍然是一門年輕的科學。這本書是對現有技術的總結、參考和選編。希望本書內容能推動科學進步,提件性能及其應用。
勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室,2018 Tayyab I. Suratwala