2025年3月16日，Elsevier旗下表面科学领域顶级期刊《Applied Surface Science》刊发精密仪器研究中心团队在光学晶体亚表面损伤无损检测领域的最新成果，题为“Angle-resolved ellipsometric analysis of polishing-induced subsurface damages in calcium fluoride crystals for ultra-precision manufacturing（超精密制造中氟化钙晶体抛光诱导亚表面损伤的角分辨椭偏光谱分析）”，博士生贾天棋为论文第一作者，王健教授为通讯作者，刘世元教授、彭立华博士后为共同作者，华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室为主要完成单位，比利时鲁汶大学参与合作研究。

氟化钙（CaF₂）凭借高光学各向同性、优异透光性、耐高温和抗腐蚀性等突出性能，成为深紫外光刻、航空航天等领域的关键窗口材料。在超精密制造中，表面粗糙度（SR）和亚表面损伤（SSD）是决定光学晶体功能性能与服役寿命的核心指标，其中SSD（如内部微裂纹、非晶层、晶格位错等）由机械加工过程中的应力与化学反应诱发，其精准表征是实现晶体表面质量控制的关键。

现有亚表面损伤表征方法存在诸多局限：透射电子显微镜等传统技术需破坏样品，光学相干断层扫描难以达到纳米级分辨率等；基于角分辨反射光谱的准布鲁斯特角技术（q-BAT）难以准确区分SR与SSD的耦合影响，且依赖变角扫描导致测量效率低下。针对上述挑战，研究团队提出基于单曝光角分辨椭偏光谱（ARES）快照的无损检测新方法，创新性地解决了SR与SSD的定量区分难题。该方法基于有效介质近似模型（EMA），将SR和SSD层建模为具有等效光学折射率的均匀介质，通过分析Ψ-ARES和Δ-ARES的特征参数，实现两类表面缺陷的独立评估：提出Ψ-ARES衍生指标S_B（布鲁斯特角偏移量），其对SSD厚度具有高灵敏度且不受SR干扰，并利用Δ-ARES的梯度角G_q定量表征SR。

图1 基于等效介质近似模型的SSD和SR评价方法

采用有限差分时域（FDTD）验证这一方法的可行性：通过构建含SR和SSD的几何模型，证实S_B随SSD厚度（0-60nm）显著递增，而对2-15nm范围的SR变化几乎无响应，明确了两类参数的独立表征能力，并建立了建立了S_B与SSD的三次映射关系，G_q与SR均方根粗糙度的二次映射关系。研究团队进一步开发了基于后焦面成像的ARES测量系统，通过单次拍摄即可提取全角度椭偏光谱，单次测量仅需50毫秒，大幅提升了检测效率。

图2 基于FDTD的SSD和SR定量评价曲线

为验证方法的实用性，研究团队对不同抛光阶段（粗抛10-70min，R10-R70，精抛10-30min，F10-F30）的CaF₂样品进行系统测试。结果显示，本方法所测量的SR数据与原子力显微镜、白光干涉仪结果高度吻合，SSD厚度评估值与透射电镜观察到的20nm非晶层及晶格位错特征一致。经70分钟粗抛和30分钟精抛后，S_B趋近理想样品水平，证实SSD被有效消除，为抛光工艺优化提供了精准数据支撑。

图3 CaF₂不同抛光时间对应得偏振参数角分辨光谱

该研究建立了角分辨椭偏光谱与亚表面损伤的定量关联，突破了传统方法的破坏性、低效率瓶颈，实现了SR与SSD的快速无损同步表征。其核心创新在于Ψ-ARES 增强型q-BAT方法，不仅为氟化钙晶体的质量控制提供了可靠工具，还可拓展至其他超精密加工材料的表面缺陷评估，对推动半导体、光学制造等领域的工艺优化与性能提升具有重要意义。

论文信息：

T. Jia, J. Wang, L. Peng, W. Guo, W. Sun, and S. Liu, "Angle-resolved ellipsometric analysis of polishing-induced subsurface damages in calcium fluoride crystals for ultra-precision manufacturing," Appl. Surf. Sci. 696, 162997 (2025).