近期，中國科學院長春光機所在Light： Advanced Manufacturing發表了題為“Investigating a corrective online measurement method for the tool influence function in millimetre spot－sized ion beam figuring”的研究論文。本文第一作者為胡海翔研究員，第二作者為碩士研究生卞萌，通訊作者由胡海翔、唐瓦、季鵬共同擔任。該研究提出了一種基于卷積效應修正的高精度去除函數在線測量方法，用于在線、快速、準確計算離子束加工中的小束徑去除函數。針對半高寬為0.5mm至1mm的去除函數，其計算準確性可控制在3％左右。該技術成功應用于大口徑非球面的精密修形中，空間波長范圍在15mm到3.6mm范圍內的面形誤差RMS從1.7nm降低到0.4nm。
新一代同步輻射光源與X射線自由電子激光裝置產生的超高亮度、高相干性X射線束，為物質納米結構與基本過程的探索提供了革命性工具。X射線反射鏡作為核心光學元件，其面形精度直接決定了光束聚焦性能與成像質量。其中空間波長范圍在1mm至10mm之間的面形誤差修整，對加工工具的特性提出了極高的要求。針對此問題，去除函數具有極強調節靈活性的離子束加工技術展現出極大的優勢。當去除函數的束徑降低至毫米甚至亞毫米量級時，即可有效消除該部分的面形誤差。
在此過程中，小束徑去除函數的精確測量十分關鍵。尤其在針對大口徑鏡面的長時間加工中，不僅需要精確的去除函數，更需對其穩定性進行實時監測、評估與補償，這對保障加工精度至關重要。然而，實驗測量法無法實現這一點：去除函數數據僅能在加工后獲取，導致波動補償必須延遲至下一輪修形周期，此外，抽放真空、檢測等輔助流程進一步增加了時間成本。因此，實現小束徑去除函數的高精度在線測量，是提升離子束加工準確性與效率的核心前提。
小束徑去除函數準確在線測量的挑戰
在離子束加工中，去除函數的在線測量是通過法拉第杯掃描離子束流的能量分布，進而計算獲得。對于大束徑去除函數，其分布與離子束流分布基本一致，法拉第杯掃描結果能準確地反應去除函數的分布狀態。然而，當去除函數束徑減小至毫米量級特別是半寬高小于2 mm時，以往的在線測量方法不再準確，去除函數束徑顯著小于法拉第杯掃描結果。
原有在線測量方法測量小束徑離子束去除函數的誤差示意圖
基于卷積效應修正的高精度去除函數在線測量方法
結合法拉第杯掃描原理，研究團隊詳細分析了離子束流測量的誤差來源，發現其主要是由法拉第杯小孔所產生的卷積效應有關。在卷積效應的影響下，通過小孔測得的離子束流分布會呈現峰值減小與半高寬擴張，產生“退化”現象，且此與離子束流和法拉第杯小孔之間的相對關系密切相關。當兩者之間的比值越小，卷積效應越發明顯。
不同光束孔徑尺寸比的去除函數分布的歸一化比較（a）尺寸比為3（b）尺寸比為0.5（c）尺寸比為0.3
針對此問題，研究團隊提出了一種基于卷積效應修正的去除函數在線測量方法，通過嚴謹的公式推導，準確建立了“退化”前后的離子束流的峰值與半高寬變化關系，將卷積效應問題考慮至去除函數在線測量過程中，最終將半高寬小于2mm的小束徑去除函數測量誤差控制在3％左右，并成功應用于大口徑非球面加工中，將面形誤差RMS值控制在0.4nm。
兩種測量方法測量誤差的對比（a）峰值去除率的誤差百分比（b）半寬高的誤差百分比
實驗結果非球面鏡面形誤差檢測結果（a）加工前面形（b）加工后面形
研究團隊提出的基于卷積效應修正的離子束去除函數在線測量方法，能夠大大提高離子束加工中小束徑去除函數的測量效率和精度，能夠為修正空間波長范圍在1 mm至10 mm之間的面形誤差奠定理論基礎，推動離子束加工技術在先進光學加工領域的極端精度制造的應用。
