锥形光阑优化小尺寸离子束加工中频误差的纳米级曲面修正技术研究

针对复杂曲面镜中频误差(MSF)修正难题，研究团队创新性提出采用锥形光阑生成小尺寸离子束(直径<8 mm)的加工方法。通过建立鞘层发射理论模型优化光阑几何参数，实现1.01 mm半高宽(FWHM)离子束，峰值能量提升29倍，最终将Φ45-210 mm复杂曲面镜面形误差修正至3.55 nm RMS，为纳米级光学元件制造提供关键技术支撑。

　　

在精密光学制造领域，复杂曲面镜凭借高设计自由度、优异像差校正能力和紧凑结构，已成为航天相机、极紫外光刻(EUV)等尖端设备的核心元件。随着镜片口径增大和曲率变陡，传统离子束修形(IBF)技术面临严峻挑战：中频误差(MSF，1-10 mm^-1
)难以有效消除，而采用小尺寸离子束(<8 mm)又存在加工距离短、峰值能量弱等瓶颈。现有解决方案如磁流变抛光(MRF)需依赖特定"魔法角"参数，流体射流抛光(FJP)工艺复杂，均难以兼顾精度与效率。

针对这一难题，中国研究人员在《Vacuum》发表重要成果。团队基于鞘层发射理论建立离子运动轨迹模型，创新设计锥形光阑结构，通过COMSOL Multiphysics 6.2软件模拟优化几何参数。实验采用玻璃陶瓷工件，对比分析不同孔径(1/2/4 mm)锥形与平面光阑性能，最终在Φ45-210 mm、矢高差16.9 mm的复杂曲面镜上实现纳米级精度验证。

原理与方法
研究提出锥形光阑生成小尺寸离子束的新策略：通过60°锥角结构约束离子发散，使1.01 mm半高宽(FWHM)离子束在22.32 mm加工距离下保持稳定，峰值能量达平面光阑的29倍。理论模型揭示离子密度与电场强度呈正相关，锥形结构可有效聚焦离子束流。

模型验证
仿真显示锥形光阑出口处离子密度提升4.7倍，与实测材料去除率趋势吻合。当加工距离增至30 mm时，1 mm锥形光阑仍保持高斯分布，而平面光阑束流已严重扩散。

材料去除率
关键数据表明：1 mm锥形光阑在10 mm距离处去除率峰值达58.3 nm/min，是同等孔径平面光阑的3.2倍；4 mm光阑在40 mm距离时仍保持21.7 nm/min的有效去除率，突破传统小束流加工距离限制。

实际应用
最终实验将复杂曲面镜面形误差从初始状态修正至3.55 nm RMS，验证该方法对陡峭曲面(矢高16.9 mm)中频误差的卓越修正能力。相比德国莱布尼茨表面工程研究所(IOM)的工程经验，本研究首次系统阐释锥形光阑提升峰值能量的物理机制。

该研究突破离子束修形技术瓶颈：通过理论创新阐明锥形光阑的离子聚焦机理，工艺创新实现加工距离与去除率的协同优化，为大口径自由曲面光学元件制造提供可量化、可复制的技术方案。成果对提升空间光学系统成像质量、极紫外光刻设备分辨率等具有重要工程价值，标志着我国在超精密光学制造领域取得关键技术突破。