【添加时间：2023-05-16 08:48:07】【来源：】【作者：cddaxin】【阅读：】
科幻著作《三体II·黑暗森林》中对三体人一项黑科技“水滴”有过精妙的描写：“探测器呈完美的水滴形状，头部浑圆，尾部很尖，表面是极其光滑的全反射镜面，银河系在它的表面映成一片流畅的光纹……重量并不十分大，材料被放大1000万倍之后依然是光滑的。”
在三体宇宙中，如此完美的探测器令物理学家丁仪叹为观止。“水滴”在设定中是强相互作用的产物，因此它具有极其光滑的表面。那么在现实世界中，人类能够造出这样的表面吗？
近日，来自国防科技大学前沿交叉学科学院激光陀螺研究团队的科研人员运用古典抛光法，实现了对熔融石英表面大区域超光滑抛光，其表面粗糙度创纪录得达到了0.04 nm（接近于熔融石英中Si-O键的长度）。
相关成果以“Ultra-smooth surface with 0.4 Å roughness on fused silica”为题发表发表在Ceramics International上。
超光滑表面的应用价值
在现代光学领域，光学元器件的加工水平直接决定了元器件以及相关系统的性能极限。比如在“卡脖子”的光刻机设备中，光刻物镜的元件表面质量对光刻系统性能的影响十分关键。高频表面粗糙度误差将使光线发生较大的散射，影响光通量并降低光学元件表面的反射率。以目前应用于193 nm、NA0.75的深紫外光刻物镜系统为例，其非球面镜要求面形精度优于1 nm，高频粗糙度优于0.5 nm。可以说，光刻物镜的制造也是我国打破光刻机技术封锁的必经之路。
值得一提的是，在所有围绕光学表面质量的应用中，以激光陀螺对光学反射镜的表面质量要求最高。目前，高性能的激光陀螺所用的高反镜表面粗糙度已经达到埃级、甚至亚埃级，接近原子尺度极限。为进一步提高激光陀螺性能，提升反射镜表面质量是关键一招。
古典抛光经久不衰的奥秘
古典法抛光的历史由来已久，是技术最为成熟、应用最为广泛的一种超光滑表面成形方法。在古典法加工中，一个典型光学表面的成形过程往往是从大块的工件开始，经过数道研磨和抛光的反复加工，经过不断的迭代从而获得目标光学表面。
通常来说，每一道研磨或者抛光的工序都会在工件表面及亚表面留下相应的损伤层，而这些损伤层都将被下一道工序去除，同时留下更浅的损伤层。如此反复加工，可以逐渐将工件的表面粗糙度降低，提高表面质量和面形精度，最终达到目标要求。
相比于人们利用新工具发展出的一些新型抛光手段（图3），如：化学机械抛光（CMP）、磁流变抛光（MRF）、离子束抛光（IBM）等，古典抛光依旧保持有最高的抛光精度纪录。现有研究表明：古典抛光过程会在非晶态熔融石英表面形成一个明显的抛光致密层，且致密化程度与表面抛光的程度表现出一定的相关性。然而，熔融石英古典法抛光的极限在哪里？是否可以通过表面致密化程度来判断？目前并无结论，古典抛光技术经久不衰的奥秘依旧没有被全部揭开。
压力约束是超光滑表面形成的关键
国防科技大学的研究人员发现，随着抛光过程的深入，熔融石英表面粗糙度不断降低，致密化现象也表现得更为明显。超抛后的样品表面致密层硬度和弹性模量分别可以达到10 GPa和78.4 GPa，这远大于熔融石英的理论值（图4）。究其原因，致密化层是由抛光过程中氧化铈抛光粉在抛光压力约束下摩擦熔融石英表面产生的。
光学超精密加工领域的传统观点认为，在形成亚埃级表面的最终阶段需要减小抛光压力来获得超光滑光学表面。与传统观点不同的是，该团队认为在形成亚埃级超光滑表面的过程中减小抛光压力是非必要的，相反，应当维持一定压力以促使均匀的致密化层的生成。
由于熔融石英微观上表现为疏松的随机网格结构，该网格以Si-O-Si的六元环和七元环结构为主（图5）。该结构在抛光粉颗粒的纵向压力以及横向剪切力作用下极易发生弯曲、折叠，向着空间结构更为紧凑的三元环和四元环演变，进而在力学特性上表现为致密化特征——这一过程更有利于超光滑表面的形成。
在抛光过程中，更需要关注并避免的是抛光过程各个因素可能导致的熔融石英表面非均匀的致密化。这与抛光粉粒径分布、抛光盘制备工艺以及操作员的抛光经验等因素密切相关，其中抛光粉粒径分布的均一性是最为关键的。根据这一指导思想，该团队已经可以批量加工出表面粗糙度Rq值达到0.4 Å的超光滑熔融石英表面，这是目前公开报道中的关于熔融石英表面抛光的世界最高水平。
总结与展望
古典法抛光作为发展历史最为悠久的现代光学超精密加工技术，其独特的亚埃级表面成形能力，使之不仅在以熔融石英为代表的传统光学玻璃超光滑表面成形中发挥着不可替代的作用，还可以为其他各类光学材料的超光滑抛光提供思路和指导。通过对古典法抛光机理过程和微观行为的深入研究，可以有效提高现有抛光技术的加工水平，为极紫外光刻镜头加工、新型半导体电子器件制造、大口径天文望远镜制造等领域提供基础支撑。