近日，精密光学工程技术研究所王占山、黄秋实教授团队提出一种椭圆离子束斑精密修正方法，相关成果以《High-precision two-dimensional figuring of X-ray mirrors using an elliptical ion beam in a single-axis motion system》为题发表于《Advances in Manufacturing》期刊。
离子束修形（Ion Beam Figuring, IBF）是高精度光学制造中最具代表性的确定性精修技术之一，依靠离子束物理溅射实现亚纳米级的材料去除。随着同步辐射和X射线自由电子激光装置的快速发展，长条形X射线反射镜对面形误差与斜率误差提出了越来越严苛的要求。传统IBF通常采用旋转对称的近高斯圆束斑；当反射镜面形进入纳米级高度误差和百纳弧度级斜率误差时，束斑往往要缩小到毫米量级，也显著拉长了大尺寸镜面的加工周期，效率与精度之间的矛盾日益突出。
本工作提出了一种椭圆高斯束斑二维修形方法，椭圆束斑在子午方向保持较小尺寸，因此能够维持更高的空间频率误差修正能力，保障X射线反射镜在最关键方向上的修形精度；而在弧矢方向适当增大束斑尺寸，则可显著提高单次扫描覆盖宽度，放宽扫描线间距要求，减少扫描线数量与总驻留时间。换言之，这种非对称束斑并非简单改变束形，而是将材料去除能力按照镜面两个方向不同的误差敏感性和精度需求进行更合理的物理分配，在尽可能保住子午方向极限精度的同时，大幅提升二维修形效率。
理论与模拟研究表明，在子午束斑尺寸保持不变时，增大椭圆束斑弧矢尺寸对切向斜率误差影响很小，却能明显缩短加工时间并减少扫描线数量。实验中，团队基于单轴离子束系统，利用专门设计的椭圆孔掩模与宽束离子源产生椭圆高斯束斑，并对有效光学口径为380 mm × 40 mm的X射线反射镜开展两步修形：先以σ = 10 mm的大圆束斑实现快速收敛，再以子午σ = 2 mm、弧矢σ = 5 mm的椭圆束斑进行精修。最终，镜面二维高度误差由14.5 nm降至1.2 nm（RMS），子午斜率误差达到384 nrad，通过改变束斑尺寸可进一步提高面形修正精度。该研究表明，椭圆形离子束斑为高精度光学加工提供了一种兼顾“高精度”和“高效率”的去除函数设计思路，尤其为长条形X射线反射镜的超精密制造提供了新方案。该方法也可以推广到高精度反射镜加工的相关领域，提升关键光学元件的精密制造能力。
图1 传统小尺寸圆形高斯束斑方法（a）与椭圆高斯束斑离子束修形方法（b）对比
图2 不同弧矢宽度椭圆高斯束斑下的模拟结果：子午σ = 2 mm，弧矢σ = 2–7 mm；（a）总蚀刻时间、线间距与残余RMS高度误差的变化；（b）不同弧矢宽度下残余子午与弧矢斜率误差
图3 （a）单轴IBF设备示意图（b）用于生成椭圆束斑的掩模孔组照片（c）椭圆束斑扫描线的加工示意图
图4 反射镜面形在加工过程中的演化（a）、（c）、（e）分别为加工前、首轮快速修形后和次轮精细修形后的面形；（b）、（d）、（f）为对应三条截线的横截面高度分布
论文链接https://link.springer.com/article/10.1007/s40436-025-00591-8?sessionid=
