非球面碳化硅反射镜的加工与检测

为了获得高精度非球面碳化硅(SiC)反射镜,对非球面碳化硅反射镜基底以及改性后碳化硅反射镜表面的加工与检测技术进行了研究。介绍了非球面计算机控制光学表面成型（CCOS）技术及FSGJ-2非球面数控加工设备。采用轮廓检测法和零位补偿干涉检测法分别对碳化硅反射镜研磨和抛光阶段的面形精度进行了检测,并采用零位补偿干涉检测法及表面粗糙度测量仪对最终加工完毕的碳化硅反射镜的面形精度和表面粗糙度进行检测。测量结果表明：各项技术指标均满足设计要求,其中非球面碳化硅(SiC)反射镜实际使用口径内的面形精度（RMS值）为0.016λ(λ=0.6328μm）,表面粗糙度（RMS值）为0.85nm。     

有限元在大口径镜面研制中的应用

大口径光学反射镜镜面受自重影响变形较大,研究它在磨制和检测中的支撑结构和形式是非常重要的。采用有限元软件从理论上分析了Φ1330mm平面反射镜和Φ616mm非球面轻量化碳化硅主镜在磨制和检测中的支撑结构和形式,以使反射镜面形变形最小,保证其光学成像质量达到一定的技术要求。通过实际测量Φ616mm非球面碳化硅主镜在不同支撑状态下的面形变化情况,验证了理论分析结果。根据实际效果值用有限元进一步优化组合了最佳的支撑结构和形式,为今后对更大口径反射镜面的磨制和检测提供了指导。     

利用子孔径拼接法测量大口径凸面反射镜

在简要分析各种检测大口径凸球面方法优缺点的基础上,提出了利用子孔径测量凸面反射镜的新方法,利用干涉仪标准球面波前依次干涉测定大口径镜面上各个区域的相位分布,通过子孔径拼接算法即可求解得到镜面全口径面形信息。对该方法的基本原理和实现步骤进行了分析和研究,建立了大口径拼接检测算法数学模型,设计并研制了大口径反射镜拼接检验装置。结合实例对加工过程中的口径为300 mm的碳化硅凸面反射镜进行了9个子孔径的拼接干涉测量,并将检测结果与全口径面形测量结果进行对比,两种方法残差的PV值和RMS值分别为0.102 和0.009 (=632.8 nm)。     

碳化硅基底改性硅表面的磁流变抛光

为克服传统抛光方法在硅改性的碳化硅表面抛光存在的不足,采用磁流变抛光在精抛光阶段实现面形误差高效去除和快速收敛。基于实际应用中的对磁流变抛光液的需求,提出了磁流变液的性能要求,并配制了适合改性硅表面抛光的磁流变抛光液,检测所配制的抛光液体的流变特性和分散稳定性,证明了液体具有良好的性能。对口径为130 mm(有效口径为120 mm)的硅改性的同轴非球面碳化硅工件进行实际抛光。经过两个周期约3 h的抛光,面形误差均方根(RMS)从0.051λ(λ=632.8 nm)快速收敛至0.012λ,粗糙度Ra达0.618 nm。验证了所配制的磁流变抛光液满足碳化硅基底改性硅表面的抛光需求,证明了磁流变抛光技术在镜面硅改性后精抛光阶段具有独特的优势。     

碳化硅基底改性硅表面的磁流变抛光EI北大核心CSCD

为克服传统抛光方法在硅改性的碳化硅表面抛光存在的不足,采用磁流变抛光在精抛光阶段实现面形误差高效去除和快速收敛。基于实际应用中的对磁流变抛光液的需求,提出了磁流变液的性能要求,并配制了适合改性硅表面抛光的磁流变抛光液,检测所配制的抛光液体的流变特性和分散稳定性,证明了液体具有良好的性能。对口径为130 mm(有效口径为120 mm)的硅改性的同轴非球面碳化硅工件进行实际抛光。经过两个周期约3 h的抛光,面形误差均方根(RMS)从0.051λ(λ=632.8 nm)快速收敛至0.012λ,粗糙度Ra达0.618 nm。验证了所配制的磁流变抛光液满足碳化硅基底改性硅表面的抛光需求,证明了磁流变抛光技术在镜面硅改性后精抛光阶段具有独特的优势。     

椭圆形平面镜的高精度面形重构技术

为了实现大口径椭圆形光学平面镜的高精度面形测量,提升大口径望远镜系统的像质,本文对椭圆形平面反射镜面形的绝对检测算法进行了研究。首先,对椭圆形镜面进行了多项式正交化拟合研究。接着,对绝对检测算法进行了理论研究,利用正交化绝对检测算法可以有效分离参考镜与待测镜的面形误差,从而实现待测椭圆形平面镜面的高精度面形重构。为了证明上述方法的实际检测精度,本文对250 mm×300 mm的椭圆形镜面进行了绝对检测模拟与检测实验。对参考镜面形精度不高的情况进行了仿真计算,实验中利用光阑在Zygo300 mm口径标准平面镜头中选取250 mm×300 mm椭圆形检测区域,采用150 mm口径Zygo干涉仪对上述椭圆形区域完成绝对检测,并基于上述正交化绝对检测算法对椭圆形平面镜实现了面形重构。实验结果表明,利用本文所述方法可以实现参考镜与椭圆形待测镜面的面形误差分离,绝对检测结果的残差图RMS(Root-mean square)值为0.29 nm,证明了本文所述方法的可行性。利用上述方法可以实现椭圆形平面反射镜的高精度面形重构。     

轻质碳化硅反射镜抛光过程镜面变形影响的研究

轻量化的碳化硅反射镜有自己独特的结构特点,加工中的变形与传统实体反射镜不同,对加工后的面形结果有独特的影响。对一直径为318mm的轻量化碳化硅反射镜进行了传统的研磨抛光,由于镜面变形对抛光结果带来了很大的影响,其面形误差的RMS值在0.048λ(λ=0.6328μma)左右就不再收敛。对抛光状态的镜体进行了有限元分析,探讨了减轻镜面变形对抛光结果影响的方法。采用计算机控制小磨头对该反射镜进行了确定性抛光,有效地降低了镜面形变的影响,使面形满足了精度的要求。     

能动变形反射镜波面误差特性分析及实验研究

对能动变形反射镜波面误差进行了理论分析和实验研究.在对能动变形反射镜波面误差进行理论分析和实验研究的基础上,利用有限元对37单元能动变形反射镜低频象差补偿能力进行了相关的分析和计算,结合相关实验确定了能动变形反射镜的主要参数,成功研制出了曲率半径1926 mm、口径300 mm的37单元球面能动变形反射镜.经实验测定校正误差前、后镜面面形的PV值(波前峰谷差值)和RMS值分别为:0.545γ、0.08γ及0.239γ、0.031γ,从实测结果口I以看到取得了明显的校正效果.并且在研制过程中对镜面加工、驱动器极头粘接等技术和工艺问题进行了有效地探索和研究,从而为能动变形反射镜进一步的研制工作奠定了良好的基础.     

高功率固体激光器中大口径光学器件波前误差的建模及控制方法

从惯性约束聚变系统高功率固体激光驱动器中具有典型意义的大口径激光传输反射镜的装配结构及其面形精度特点出发,对其波前误差进行了精细化建模分析,分别研究了粗糙度、纹波度和轮廓度的波前误差模型。在此基础上,进一步针对如何在装校过程中将装配应力产生的波前误差控制在合理范围内的问题,提出了方均根梯度与峰谷值相结合的波前误差评价和控制方法,并通过实验验证了其可行性,以期为我国神光-III主机装置大口径反射镜装校过程中波前误差控制提供科学指导方法。     

Ф1300mm非球面反射镜的加工与检测

介绍一块Ф1300mmULE材料非球面反射镜的加工与检测方法。采用非球面超声铣磨、机器人研抛等多个工序组合加工技术完成了非球面反射镜的加工。在非球面检测中,采用大口径三坐标测量的方法进行了研磨阶段的面形检测,通过Z向滤波的方法对面形拟合过程中的噪点误差进行了处理,将研磨阶段的面形精度提高至5μm PV值。在干涉仪测量阶段,采用气囊支撑方法对反射镜的重力误差进行了卸载,通过非线性误差矫正的方法去除了零位补偿检测所带来的非线性误差,反射镜的最终精度达到0.016λRMS。试验结果表明,大口径非球面反射镜各项技术指标均满足设计要求,所用工艺方法适用于加工更大口径的非球面反射镜及其他类型的大口径非球面光学元件。     

两种常用碳化硅反射镜基底表面改性的研究

利用霍尔离子源辅助电子束蒸发方法,分别在反应烧结碳化硅(RB-SiC)和常压烧结碳化硅(Sintered SiC,S-SiC)基底材料上制备了Si改性膜层,并进行了相关性能测试和分析。经过表面改性,两种基底的表面粗糙度(rms)大幅地降低,镀银后的反射率有较大地提高,基底表面光学质量已满足工程应用要求。在相同工艺条件下,S-SiC基底改性后效果好于RB-SiC基底的情况,主要是因为Si膜在两种基底表面生长情况不同所致。     

基于PZT的非球面能动抛光盘设计优化

基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,能够在PZT驱动器的作用下改变面形,用于中小口径非球面镜加工。为优化设计基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,利用有限元分析方法,计算各驱动器的影响函数,计算非球面能动抛光盘的输出面形,与理论面形比较得到剩余残差。以优化设计驱动器排布方式和极头直径为例,当非球面能动抛光盘中心到非球面工件中心的距离L为120mm,分别计算比较,极头直径为Φ10mm时,19单元PZT圆形排布与21单元PZT方形排布的剩余残差;以及19单元PZT圆形排布时,极头直径为Φ10mm与Φ14mm的剩余残差。结果表明,非球面能动抛光盘产生变形后的剩余残差RMS相应分别为0.303μm、0.367μm、0.328μm。因此,基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘确定选用19单元PZT圆形排布且极头直径Φ10mm。     

矩形离轴非球面反射镜双摆法加工与检测

介绍了一种轻质矩形离轴非球面反射镜的加工与检测方法.针对矩形离轴非球面镜这种直角效应的加工难点,提出双摆式加工工艺,并设计改造双摆式加工机床使该方法得以实现.采用该方法加工完成某多光谱仪光学系统中4块矩形离轴非球面反射镜(其中最大尺寸为266 mm×110 mm),最终加工得到的面形精度均优于0.020λ(RMS, @633 mm)的设计指标要求.加工结果表明,用该加工技术既提高了光学加工效率又利于得到较为平滑的面形质量.     

矩形口径离轴非球面在数控加工过程中的检测

介绍了空间相机中的离轴非球面第三反射镜 (矩形口径 )在数控加工过程中在研磨和抛光阶段的检测情况。利用自行研制的非球面测量机对研磨阶段离轴非球面的面形精度进行了测量 ,其最后的研磨精度达到了 1 μm(RMS)。抛光阶段离轴非球面的检测采用的是补偿法 ,其中零位补偿器是补偿检验的关键元件。该离轴非球面的最终面形达到了在 2 0 0mm通光口径内约λ/30的精度 (λ=0 .632 8μm)。     

高精度中小11径非球面修抛技术研究

为实现高精度中小口径非球面的加工，介绍了一种非球面修抛技术。基于Preston假设，将抛光过程描述成一个线性方程，计算得到材料的去除量与抛光时间、抛光压力和零件转速之间的函数关系。设计了整体修抛法和环带修抛法两种方法，在数控抛光的基础上，对口径为Ф117mm的凹抛物面和口径为Ф17mm凸双曲面进行修抛，修抛后非球面的面形精度PV值为0．184μm，RMS均小于0．032μm，达到了工程化应用要求，实现了中小口径非球面的高精度加工。     

使用激光跟踪仪测量研磨阶段离轴非球面面形

为满足离轴非球面镜在光学检验前的面形检测需求,对使用激光跟踪仪测量离轴非球面的方法进行了研究。详细介绍了使用激光跟踪仪测量离轴非球面的检测步骤及数据处理方法。使用激光跟踪仪对一处于研磨阶段的口径为150 mm,顶点曲率半径为1200 mm,离轴量为240 mm的离轴抛物面镜进行了测量,进行了测量不确定度分析并与三坐标测量机的测量结果进行了比对。结果显示激光跟踪仪与三坐标测量机的面形测量峰谷值一致性优于1 μm。分析及实验结果表明此检测方法简单易行,灵活通用,适用于离轴非球面抛光前的面形检测。     

反应烧结碳化硅平面反射镜的光学加工

介绍了100mm口径反应烧结碳化硅平面反射镜的光学加工工艺流程。按照流程依次介绍了在粗磨成形、细磨抛光和精磨抛光过程中使用的机床、磨具和磨料以及采用的工艺参数和检测方法。介绍了在光学加工各个步骤中应注意的问题。展示了加工后反应烧结碳化硅平面反射镜的实物照片。给出了面形精度和表面粗糙度的检测结果:面形精度(95%孔径)均方根值(RMS)为0.030λ(λ=632.8nm),表面粗糙度RMS值达到了1.14nm(测量区域大小为603 6μmⅹ448 4μm)。     

PVD改性RB-SiC表面缺陷研究

为获得高表面质量的PVD改性RB-SiC反射镜,解决实际加工中出现的表面缺陷问题,对缺陷的形成机理及处理方法进行了研究。根据Preston假设设计相关试验,推测表面缺陷是由于PVD改性层中的大颗粒结晶受到较大冲击,从而使大颗粒结晶剥落而非对其产生磨削作用而产生的。试验表明:过高的抛光速度或过高的抛光压力会造成改性层表面缺陷的产生,调整抛光的相对速度及抛光压力等关键工艺参数,可在保持抛光效率的同时有效减少和避免表面缺陷问题的产生。经试验验证,当表面缺陷产生后,通过选择适当的相对速度和抛光压强,改性层去除0.7 m～1 m后,可有效修复缺陷,并且无新的表面缺陷产生。