中科院大连化物所成功研制原子级超光滑石英光学元件

近日，中国科学院大连化学物理研究所化学激光研究室化学激光研究中心（700组群）李刚研究员、金玉奇研究员团队与生物能源研究部生物能源化学品研究组（DNL0603组）王峰研究员团队合作，利用自主合成的新型双尺寸纳米氧化铈（CeO2）抛光浆料，结合化学机械抛光（CMP）技术，制备出表面粗糙度低至50 pm、中频误差极低的原子级超光滑石英元件。该研究深化了对CMP过程中机械与化学协同作用机制的理解，为超精密光学元件的原子级制造提供了新的技术路径。相关研究成果以“Fused silica withatomic-level super-smooth surface manufactured by dual-size synergistic nano CeO2 and its highly efficient polishing mechanism”为题，发表在《材料与设计》（Materials and Design）上。

熔融石英因其优异的物理和化学特性，作为高质量光学元件在高功率激光、极紫外光刻、激光通信等超精密光学系统中发挥着关键作用。随着光学系统功率的提升和波长的缩短，实现石英元件表面的原子级平坦化，以抑制激光调制和光学散射损耗，成为该领域的重要发展方向。然而，如何在保障加工效率的同时，获得极低中频误差和表面粗糙度的石英超光滑表面，仍是当前面临的技术挑战。

研究团队在前期工作中已揭示了影响石英元件表面粗糙度的关键因素，以及CeO2中Ce³⁺对抛光效率的提升机理（J. Am. Ceram. Soc.，2022，）。在此基础上，研究人员制备了具有双尺寸结构的复合CeO2抛光浆料，其中大尺寸CeO2平均一次粒径为162.8 nm，小尺寸CeO2粒径为2.2 nm。通过优化CMP工艺，团队实现了粗糙度（RMS）为50 pm的石英超光滑表面加工。该元件表面中频误差（PSD2频段）的功率谱密度曲线数值仅为国际同类先进装置规范标准的1/26。同时，该双尺寸CeO2抛光浆料实现了元件表面质量与抛光效率的协同提升。

对比研究发现，在CMP过程中实现机械作用与化学作用的相对平衡，是有效降低石英元件表面中频误差的关键。此外，通过对SiO2-CeO2界面处Ce-O-Si键及石英元件表面水解层中Ce原子的分析，研究人员提出了CMP中机械与化学协同作用的原子级去除模型。该工作为发展国产高端CeO₂抛光浆料制备技术提供了科学依据。

相关内容：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2026.115859