依赖于轻型、高精度光学系统的技术，如空间望远镜、X 射线镜和显示面板，在过去几十年中取得了长足的发展，但更先进的进展却被看似简单的挑战所限制。例如，这些光学系统中必需的具有微结构的镜子和板的表面可能会因受应力的表面涂层材料而变形，从而降低光学质量。对于空间光学等超轻型光学系统尤其如此，传统的光学制造方法难以满足严格的形状要求。

现在，麻省理工学院 Kavli 天体物理与空间研究所空间纳米技术实验室 (SNL) 的麻省理工学院研究人员 Youwei Yao、Ralf Heilmann 和 Mark Schattenburg，以及最近毕业的 Brandon Chalifoux 博士，已经设计出新的工作方法。

具有蚀刻到热氧化层中的应力校正图案的硅镜。图片来源：姚有为

在 4 月 20 日的Optica杂志上发表的一篇论文中，研究科学家和该论文的主要作者姚解释了他们重塑薄板材料的新方法，这种方法可以消除变形，并能够更任意地将表面弯曲成需要的精确和复杂的形状。薄板成型通常用于高级复杂系统，例如半导体制造过程中的可变形反射镜或晶圆展平工艺，但这种创新意味着未来的生产将更加精确、可扩展且成本更低。Yao 和团队的其他成员认为，这些更薄、更容易变形的表面可以在更广泛的应用中发挥作用，例如增强现实耳机和可以以较低成本送入太空的更大望远镜。

该团队的工作建立在 Brandon Chalifoux 的研究基础上，他现在是亚利桑那大学的助理教授。作为其机械工程博士学位的一部分，Chalifoux 与该团队在早期的论文中合作开发了一种数学形式，将表面应力状态与薄板的变形联系起来。

在这种新方法中，Yao 开发了一种新的压力模式排列，用于精确控制一般压力。光学表面基板首先在背面涂上一层薄薄的高应力薄膜，由二氧化硅等材料制成。新的应力图案被平版印刷到薄膜中，这样研究人员就可以在特定区域改变材料的特性。选择性地处理不同区域的薄膜涂层可控制在表面施加应力和张力的位置。并且由于光学表面和涂层是粘合在一起的，因此操纵涂层材料也会相应地重塑光学表面。

测量的硅晶片形貌，显示二维应力校正前后的表面变形。晶圆平整度提高了 20 倍以上。晶圆变形可能是先进半导体制造中的问题，导致图案重叠错误并降低产量。图片来源：姚有为

高级研究科学家兼空间纳米技术实验室主任 Schattenburg 说：“你不是为了塑造形状而增加压力，而是通过精心设计的几何结构（如点或线）有选择地消除特定方向的压力。这只是在镜子中的单个位置释放目标应力的某种方式，然后可以弯曲材料。”

修正空间镜

自 2017 年以来，SNL 团队与美国宇航局戈达德太空飞行中心 (GSFC) 合作开发了一种工艺来纠正由涂层应力引起的 X 射线望远镜镜面形状失真。该研究起源于为 NASA 的 Lynx 下一代 X 射线望远镜任务概念建造 X 射线反射镜的项目，该项目需要数万个高精度反射镜。由于聚焦 X 射线的任务，反射镜必须非常薄才能有效地收集 X 射线。然而，镜子在变薄时会迅速失去刚度，很容易因反射涂层的应力而变形——在正面涂有纳米厚的铱层，用于反射 X 射线。

“自 2001 年以来，我在 GSFC 的团队一直在制造和镀膜薄 X 射线镜，”GSFC X 射线光学组组长 William Zhang 说：“随着技术进步，X 射线镜的质量在过去几十年中不断提高，涂层造成的失真已成为一个日益严重的问题。”

姚和他的团队开发了一种光刻应力图案化方法，成功地结合了几种不同的技术，当应用于该小组制造的 X 射线镜时，可以实现出色的失真消除。

在取得初步成功后，该团队决定将该工艺扩展到更一般的应用，例如镜子和薄基板的自由成型，但他们遇到了一个主要障碍。“不幸的是，为 GSFC 开发的工艺只能精确控制单一类型的表面应力，即所谓的‘等双轴’或旋转均匀应力，”Chalifoux 说，“等双轴应力状态只能实现碗状的局部弯曲无法校正薯片或马鞍形变形的表面。要实现对表面弯曲的任意控制，需要控制所谓的“表面应力张量”中的所有三个项。”

各种表面张量介孔结构单元的光学显微照片，每个单元的尺寸为 0.5 x 0.5 mm，产生各种表面应力状态。图片来源：姚有为

为了实现对应力张量的完全控制，姚和他的团队进一步开发了这项技术，最终发明了他们所谓的应力张量介观结构（STM），它是排列在薄基板背面的准周期单元，由叠加在应力涂层。

通过在每个晶胞中旋转光栅的方向并改变选定区域的面积分数，应力张量场的所有三个分量都可以通过简单的图案化过程同时控制。

该团队花了两年多的时间来开发这个概念。

“我们在这个过程中遇到了一系列困难，”Schattenburg 说：“具有纳米精度的硅晶片的自由成型需要计量、力学和制造的协同作用。通过将实验室在表面计量和微制造方面数十年的经验与研究生开发的薄板建模和优化工具相结合，我们能够演示一种通用的基板形状控制方法，不仅限于碗状表面弯曲。”

应用多多

这种方法使团队能够想象除了校正涂层失真 X 射线镜的初始任务之外的新应用。

“使用传统方法形成薄板时，很难精确，因为大多数方法会产生寄生应力或残余应力，从而导致加工后的二次变形和回弹，”西北大学机械工程教授曹健说：“但 STM 应力弯曲方法相当稳定，这对于与光学相关的应用特别有用。”

姚和他的同事们也期望在未来动态地控制应力张量。

“用于自适应光学技术的薄镜压电驱动已经开发多年，但大多数方法只能控制应力的一个分量，”姚解释说：“如果我们可以在薄的压电驱动板上对 STM 进行图案化，我们将能够将这些技术扩展到光学之外的有趣应用，例如微电子和软机器人的驱动。”