紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工新技术基础研究

Free-form optical components have important application value in many science and technology fields, such as optical transmission and opto-electronics, the manufacture of sub-nanometer ultra-smooth surface is the bottleneck restricting its wide range of applications. Because of the obvious surface effect and chemical adsorption abilities of nanoparticles, the interface reaction between the nanoparticles in the colloid jet and the workpiece surface will be induced by the photocatalysis of applied ultraviolet light field, and the manufacture of sub-nanometer ultra-smooth surface for free-form optical components can be achieved in the process of ultraviolet light induced nanoparticle colloid jet machining. In this project, firstly the law of energy coupling between the ultraviolet light field and the pressure field of colloid jet will be studied, and the microcosmic formation mechanism of sub-nanometer ultra-smooth surface in ultraviolet light induced nanoparticle colloid jet machining will be explored. On this basis, the physical and chemical model of material removal in the ultraviolet light induced nanoparticle colloid jet machining will be established, and the prediction model to describe the relationship between the main process conditions and the machined surface quality will also be set up. Finally, the key technologies of ultra-smooth surface manufacturing in ultraviolet light induced nanoparticle colloid jet machining will be grasped, theoretical and technical supports for achieving sub-nanometer ultra-smooth surface manufacturing will be provided. The successful implementation of the project will provide a new ultra-precision machining technology with high efficiency and high precision characteristics for machining sub-nanometer ultra-smooth surface of free-form optical components.

自由曲面光学元器件在光传输、光电子学等领域具有重要的应用价值，亚纳米级超光滑表面的制造是制约其广泛应用的瓶颈。本项目提出利用纳米颗粒显著的表面效应和化学吸附能力，借助紫外光场的光催化作用，诱导胶体射流中纳米颗粒与工件表面间的界面反应，实现自由曲面光学元器件亚纳米级超光滑表面的加工。本项目将首先研究紫外光场与胶体射流动压场之间的能量耦合规律，探索紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工过程中亚纳米级超光滑表面形成的微观机理；在此基础上，建立紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工中材料去除的物理化学模型和描述主要工艺条件与加工表面质量之间关系的预测模型；最终掌握紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工超光滑表面的关键技术，为实现亚纳米级超光滑表面制造提供理论及技术支持。该项目的成功实施，将为自由曲面光学元器件的亚纳米级超光滑表面制造提供一种高效率、高精度的超精密加工新技术。

本项目利用纳米颗粒显著的表面效应和化学吸附能力，借助紫外光场的光催化作用，诱导胶体射流中纳米颗粒与工件表面间的界面反应，实现了单晶硅材料亚纳米级超光滑表面的加工。本项目首先基于第一性原理的平面波赝势方法，计算了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工中TiO2分子团簇在单晶硅表面化学吸附的表面构型结构及其体系能量，研究了二氧化钛纳米颗粒和单晶硅表面吸附过程中Ti-O-Si键的形成过程，揭示了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工中实现工件表面原子级去除的化学机理，并进行了相关的试验验证；其次，基于紫外-可见光束在二氧化钛纳米颗粒胶体中的传输特性，研究了紫外-可见光束在二氧化钛纳米颗粒胶体中的吸收和散射，通过实验获得了适宜的紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工的工艺参数；再次，研究了在紫外光诱导纳米颗粒胶体射流中用直径为500µm的微孔光-液耦合喷嘴进行抛光加工的冲击动力学，分析了非淹没射流条件下光-液耦合喷嘴内、外的流场分布情况及其对工件表面的喷射冲击特征，对紫外光诱导纳米颗粒胶体射流冲击动力学过程进行了理论描述；然后，运用透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）及X射线衍射仪（XRD）、光电子能谱仪及红外光谱仪等先进检测仪器，对比研究了有无紫外光作用下工件表面的成键及其能量关系，揭示了紫外光光化学作用对纳米颗粒与工件表面间化学作用的激励强化效果；最后，通过紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工获得了表面粗糙度Sq0.7nm（Sa0.5nm）的超光滑表面，运用原子力显微镜等对加工所得的亚纳米级超光滑工件表面进行表征分析，对超光滑表面的微观形貌及其自相关特性进行了研究；此外，本项目还研究了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工中调控紫外-可见光束耦合胶体射流束后出射光束在工件表面的三维光强分布规律。本项目采用单晶硅作为研究对象，其相关研究成果易于扩展到类似脆硬晶体材料的超光滑无损伤表面加工领域，为我国亚纳米级超光滑表面制造提供理论基础和技术参考。