[发明专利]一种超精密元件亚表面微纳缺陷测量系统及测量方法

说明书

本发明的超精密元件亚表面微纳缺陷测量系统，包括XY轴位移调节平台、Z轴位移调节平台、角度调节平台、扫描探针、激励源、锁相放大器及上位机；角度调节平台设于Z轴位移调节平台上，XY轴位移调节平台的上方和角度调节平台的下方分别固定压电晶片一和压电晶片二，样品固定于压电晶片一上，扫描探针固定于压电晶片二上；激励源的两个输出端分别与压电晶片一和压电晶片二连接，扫描探针与样品携带的弹性波和倏逝波相互作用后的信号连接于锁相放大器的输入端、扫描探针的振动频率与样品的振动频率相互作用后的参考频率连接于锁相放大器的参考端，锁相放大器的输出端连接至上位机。实现了对超精密元件亚表面维纳尺寸缺陷三维形态特征的高精度测量。

技术领域

本发明涉及超精密元件技术领域，具体涉及一种超精密元件亚表面微纳缺陷测量系统及测量方法。

背景技术

随着超精密加工技术的不断进步，各种超精密元件被广泛应用于航空航天、量子通讯、新能源、生物医疗等关系国计民生的重要领域。例如，用于激光诱导核聚变的光学晶体自由曲面、用于高分辨对地观测系统的微透镜阵列、用于光伏能源电池的纳米结构光学薄膜等。超精密元件除了对加工几何精度有严格的要求之外，还要求具备极高的结构完整性和服役可靠性。超精密元件的表面、亚表面缺陷是影响其服役可靠性的关键因素之一。对超精密元件的表面及亚表面缺陷实施高精度测量既是确保超精密加工质量的关键需求，也是微纳测量学科领域重要的前沿发展方向。

研究表明，除了材料本身的固有缺陷外，超精密元件加工过程中刀具与材料之间复杂的机械、物理、化学相互作用过程是诱导加工件缺陷的主要原因。加工过程所造成的缺陷区域主要存在于加工件的表面及亚表面。其中，表面缺陷容易检测，也可通过后续的超精密抛光等工艺过程进行去除；而亚表面缺陷掩盖在表层以下，难以检测和去除，是影响超精密元件性能和可靠性的严重隐患。例如：用于空天观测系统航空望远镜的主镜，即便极其微小的亚表面缺陷也容易在深空大温差的极端环境下进一步扩展并造成机械应力集中，最终导致镜面扭曲，严重影响成像质量和空天系统安全；又如用于国家点火工程的熔石英或光学晶体镜面在强激光照射条件下，其亚表面微小缺陷会造成激光能量的吸收集聚，影响精密器件的激光损伤阈值，进而导致镜面光学行为变异和器件损伤。

超精密加工过程中所产生的亚表面缺陷的形成机理和形态特征都不同于传统的加工技术。例如，在对硅、锗等脆性材料的超精密切削过程中，由于硬度高、韧性低、易脆裂等固有特性、尺度效应和晶体各向异性的因素的综合影响，容易出现材料挤压相变、晶格滑移错位等现象从而导致亚表面损伤。具体表现为微纳米尺度断裂、裂纹、位错、孪晶结构等亚表面缺陷，其尺度可大至数微米、数百纳米，小至数十纳米甚至数纳米。除了超精密切削，超精密抛光过程也极容易造成器件亚表面缺陷的产生。超精密抛光虽然能够一定程度减小超精密切削、磨削过程中残留的表面裂纹，但在力、热、流、化学等多场耦合作用下，抛光液磨粒的纯度和化学状态、磨粒微观动态载荷等也会直接影响抛光件的亚表面质量，造成纳米颗粒残留、抛光雾化、微纳塑性裂痕等新的纳观亚表面缺陷问题。由此可见，随着加工材料的多样化和加工精度的极端化，超精密加工过程所造成的亚表面缺陷呈现出以下两个新特点：1）尺寸纳观化，随着超精密加工过程材料去除的尺度从微观向纳观演变，加工过程所造成的亚表面缺陷尺度也相应变小，出现了许多特征尺寸在10-100nm量级的亚表面缺陷；2）形态复杂化，随着加工过程材料去除尺度的减小，纳米尺寸效应、表面效应和量子效应对加工过程的影响更为显著，造成包括断裂、裂纹、位错、孪晶、异质颗粒等有着纳观复杂三维形态特征的多种亚表面缺陷的产生。

尺寸纳观化、形态复杂化对超精密元件亚表面缺陷的检测和质量控制带来新的难题和挑战，成为制约超精密加工质量进一步提升难以逾越的瓶颈问题。传统的检测技术面临严峻的技术挑战，亟待开发新的测量机理和方法，使其适用于超精密元件亚表面纳米尺度缺陷的高分辨测量和表征，从而能够以此为基础优化超精密加工工艺，进一步保障和提升超精密加工器件的质量和可靠性，满足航空航天、新能源、生物医疗等领域的发展对超精密加工元器件的需求。

发明内容