多磨头数控抛光对大口径离轴抛物面镜中频误差的抑制

大口径非球面光学元件的面形中频误差对光路中的光斑扩散函数精度以及高能激光的能量散射有着直接的影响,针对该问题,提出一种计算机控制的多磨头组合抛光技术,用于对非球面元件中频误差的有效控制。对半刚性抛光盘抛光过程进行了力学有限元分析,并基于Bridging模型对半刚性抛光盘抛光过程进行了理论模拟,对其贴合特性进行了研究分析。实验结果表明:采用多磨头组合抛光的技术能够有效改善大尺寸非球面元件的面形中频误差,加工的两件?460 mm离轴抛物面元件面形PSD1值相对于之前降低了近70%,达到2.835 nm,并且PV小于0.16λ(632.8 nm),RMS小于0.02λ。     

小工具数控抛光对元件表面中频误差的匀滑研究

数控抛光已被广泛应用于光学元器件的加工制造,而抑制元件表面中频误差是加工过程中一项十分重要的内容。基于Presston方程对数控小工具抛光盘去除函数进行了建模,得到了理论化的去除函数表达式。结合去除函数,在参数化匀滑模型基础上通过建立多参数的时变理论模型,表明元件表面中频误差是随抛光过程呈指数型收敛的,其收敛效率取决于材料参数、体积去除率等抛光工艺参数。对理论模型的匀滑曲线进行了模拟分析,实现了不同工艺条件下的匀滑效率的对比。结果表明:在不同抛光盘材料的匀滑过程中,材料系数越大,其整体匀滑效率越高。同样,抛光盘体积去除率越大,对表面误差的匀滑效率也会越高。进行了一组空间周期分别为3,5,7 mm的波纹误差的匀滑实验,其结果表明,在相同的抛光参数下,具有较大空间频率的波纹匀滑效率会更高,收敛曲线下降得更快。最后对比了不同材料抛光盘匀滑效率,从实验上证实了沥青盘在波纹匀滑效率上远高于聚氨酯材料的抛光盘。     

磁流变加工对中频误差的影响

基于传统抛光的亚表面损伤层厚度,进行磁流变去除亚表面损伤层的实验以便验证在该加工方式下对元件中频误差的影响。计算机模拟结果及实验数据表明:磁流变加工的走刀间距会引起中频误差评价指标PSD曲线出现对应频率的峰值;抛光斑的不稳定性会引起PSD曲线出现不确定的次主峰;去除深度与PSD曲线峰值之间有近似的线性关系。采用磁流变作为亚表面损伤层的去除手段,元件的中频误差质量受加工参数影响很大。如果前级加工不佳导致留下的亚表面损伤层较深,用磁流变加工进行去除时会造成中频误差质量超过限定指标。1     

无损伤超光滑LBO晶体表面抛光方法研究

传统的抛光LBO晶体的方法是选用金刚石抛光粉在沥青抛光盘上抛光。沥青盘易于变形不容易修整,金刚石粉特别硬容易损伤抛光晶体表面。抛光过程中,抛光盘和抛光粉的选择是非常重要的,直接影响到抛光效率和最终的表面质量。新的抛光LBO晶体的方法,其抛光过程是一个化学机械过程,抛光盘、抛光粉和抛光材料相互作用。选用两种抛光盘(培纶和聚氨酯盘),三种较软的抛光磨料(CeO2,Al2O3和SiO2胶体),并在LBO晶体的(001)面进行抛光实验。用原子力显微镜测量和分析了表面粗糙度。结果表明,使用聚氨酯盘和SiO2胶体能够获得无损伤超光滑的LBO晶体表面,其表面粗糙度的RMS为0.3nm。     

抛光工艺参数对熔石英元件低频面形精度的影响

根据工件与抛光盘的相对运动关系及熔石英元件抛光加工材料去除模型,系统分析了转速比和偏心距等参数对材料去除函数的影响。通过理论分析和抛光加工实验,研究了不同工艺参数对低频段面形精度的影响规律。利用高分辨率检测仪器对熔石英元件低频面形误差进行了检测,优选出较佳的抛光工艺参数组合,并进行了相应的实验验证,提出了提高光学元件抛光加工低频面形质量的相应措施。     

400 mm口径平面窗口元件中频误差控制技术

针对高功率激光装置所需的大口径光学元件,进行了小工具数控抛光中频误差控制工艺研究。对数控加工过程中卷积效应对中频误差的影响进行分析,并建立了残余误差分析模型,对卷积效应所引入的残余误差进行定量分析。利用该模型对中频误差修正工艺参数进行了仿真分析,并进行了修正工艺参数实验验证,确定了全面匀滑最优化参数。在最优化工艺参数的基础上,针对大口径光学元件开展了数控抛光中频误差控制工艺实验验证,使400 mm口径平面窗口元件加工精度达到透射波前PV值为0.27,透射波前PSD1 RMS值为1.67 nm。该实验结果表明,通过400 mm口径平面窗口元件的中频PSD1控制技术研究,使窗口元件能够达到高功率激光装置对中频PSD1的指标要求。     

平转动运动方式下环形抛光盘的去除函数研究

为保证加工精度和提高抛光效率,推导了盘式动压抛光所用的环形抛光盘在平转动运动方式下的去除函数。在平转动运动方式下,与应用最为广泛的圆形抛光盘相比较,环形抛光盘的最大趋近因子提高了10.25%,更加趋近脉冲函数的特性,减少光学元件表面的中高频误差。给定初始面形误差,以相同的参数采用脉冲迭代法计算驻留时间和残留误差,经过50次迭代,仿真加工结果表明,环形抛光盘相比于圆形抛光盘的表面残留误差降低了3.65%,提高了抛光去除效率。     

大口径反射元件环形抛光工艺

根据环形抛光的加工特点,研究了大口径反射元件的环形抛光加工工艺。在4 m环抛机上进行了610 mm440 mm85 mm的大口径反射元件加工工艺实验,研究了修正盘及工件盘转速与元件面形的关系、修正盘及工件盘位置与元件面形的关系、沥青盘槽形与元件面形的关系。研究结果表明,通过对修正盘及工件盘转速、修正盘及工件盘位置、沥青盘槽形等工艺参数的优化控制,能够得到大口径反射元件面形的高效收敛,元件最高面形精度优于/6(=632.8 nm),验证了加工工艺的有效性。     

超薄光学元件精密加工关键技术

针对超薄光学元件在加工过程中因重力和磨头产生应力形变的特点,提出了一种高效、先进的超薄光学元件综合加工方法。该方法综合运用了精密铣磨、精密抛光、离子束修形等先进技术进行面形控制。在铣磨阶段采用受力分析和误差补偿的方法降低了元件变形引入的面形误差;在抛光阶段通过气囊抛光和沥青抛光的迭代实现了面形快速收敛;在离子束加工阶段充分利用其非接触、无应力的加工特点实现了高精度面形修正。实验选择径厚比为34(边长152 mm,厚度6.35 mm)的方形融石英材料进行加工实验。结果表明:在铣磨、抛光、修形阶段的各项指标都达到了精密光学元件的加工水平,最终的面形精度为PV=25 nm,RMS=1.5 nm。该加工方法可以广泛应用于超薄光学元件的高精度加工。     

磁流变抛光工艺参数的正交实验分析

对利用自行配制的水基磁流变抛光液和磁流变抛光实验样机进行了以抛光去除效率和表面粗糙度为考核指标的工艺实验。应用正交试验方法分析了磁流变抛光中主要工艺参数(磁场强度、抛光粉浓度、抛光盘的转速、抛光盘与工件间的间隙)对抛光去除效率和表面粗糙度的影响规律,并结合磁流变抛光机理对其进行了分析。根据实验结果对工艺参数进行了优化。     

枕型二维位置敏感探测器的研制

证明了枕型二维位置敏感探测器设计的基本原理———Gear定理,并推导了适用于枕型二维位置敏感探测器的位置计算公式,此外还提出了枕型二维位置敏感探测器的制作工艺和测试结果。采用集成电路工艺所研制的枕型二维位置敏感探测器(光敏面为8 mm×8 mm)表现出良好的光电特性,当反偏为5 V时其暗电流约为15 nA,峰值时的光谱灵敏度超过了0.6 A/W。在所测量的 75%光敏区域内,均方根位置误差约为 0.135 mm,而以均方根位置误差表示的非线性度在1.1%左右,比四边形二维位置敏感探测器的位置线性度提高了近一个数量级。     

带有实时温度补偿功能的微型光谱仪研制

解调飞机上变栅距光栅位移传感器的微型光谱仪在受到严重的高低温冲击后会出现温度漂移。针对航空领域中变栅距光栅位移传感器的解调系统研制了一种具有实时温度补偿功能的微型光纤光谱仪。为了实现实时温度补偿,分析了温度变化对微型光谱仪的影响,并对传统的交叉式Czerny-Turner光路进行了优化,用ZEMAX软件模拟得到：在相同的受热产生的变形条件下,优化的C-T光路光谱漂移量相比优化前的更小且整体漂移线性度更好。在此基础上提出了一种引入参考光来实现实时温度补偿的方法,并最终基于改进的C-T光路制作了一个体积为80 mm×70 mm×70 mm、工作波段在500～1 000 nm、积分时间为8 ms～1 000 ms、光学分辨率约为2 nm的微型光纤光谱仪,用实验验证了优化的C-T光路的光谱温度漂移情况及温度补偿方案的可行性。实验结果表明在近60 ℃范围内的温度冲击下,研制的微型光谱仪能够达到波长标准误差小于0.1 nm,波长最大误差小于传感器系统所要求的0.3 nm,满足初始的设计要求。该微型光谱仪的创新之处在于采用了优化的交叉式C-T光路作为色散系统且基于引入参考光的方法实现了实时温度补偿功能。     

近对称谐振腔的变换圆图解分析

利用传播圆-变换圆图解分析方法，通过对不同结构谐振腔的分析和对比，得出一种宜于推广的自锁模激光谐振腔——近对称谐振腔，其锁模运转易于启动且工作性能比较稳定；通过实验对近对称腔的工作性能进行了验证，并对一种五镜锁模腔进行了分析。五镜腔实质上等价于近对称四镜腔。     

一种Offner型小型短波红外成像光谱仪

通过对Offner分光光学系统分析,给出了快速计算初始结构参数公式,根据算得的初始结构参数优化出一套适用于短波红外(1 000～2 500 nm)的分光光学系统,设计的光学系统相对孔径大(F/#2.2)、光谱分辨率高(优于10 nm)和入射狭缝长(12 mm),在整个波长和视场范围内调制传递函数MTF均大于0.5。完成的成像光谱仪整机体积小,重量轻(小于5 kg),仪器测试结果表明,全光谱范围内光谱线性好,光谱标定后波长精度优于4 nm, 通过对不同波段分辨率测试,全波长范围内光谱分辨率与设计相符,动态成像实验表明, 光谱图像清晰并且光谱数据质量佳。     

KDP光学零件超精密车削加工误差的频谱特性与控制

超精密车削技术适于加工KDP(磷酸二氢钾)等频率转换类型的强光光学零件,但车削表面存在明显的加工纹理,导致抗激光损伤阈值降低。以加工表面误差幅值及其频谱分布为对象,分析了KDP光学零件超精密车削的加工特征和误差形态,采用功率谱密度(PSD)评价方法研究了工艺参数与误差频谱的内在关系,结果表明:不同进给速度及主轴转速将使螺旋形刀痕的间距发生变化,进而影响KDP表面误差的频率成分;切削深度虽然对误差频谱影响很小,但会改变PSD的幅值;当主轴转速高于500 r/min、进给速度小于2 mm/min、切削深度小于2 μm时能够加工出rms值优于20 nm的KDP面形。在此基础上,以典型KDP光学零件加工为例,通过超精密补偿车削方法将低频误差的PSD控制在300 nm2·mm以内,中高频误差的PSD控制到国家点火装置(NIF)标准线以下,满足强光系统的工作要求。     

光学元件抛光的PSD分析及控制策略北大核心CSCD

在光学加工领域,采用功率谱密度(power spectral density,PSD)对误差频谱方面信息进行表征,但是功率谱密度是表面误差统计信息,不如峰谷值(peak-valley,PV)和均方根值(root mean square,RMS)直观。为了分析功率谱密度与工艺参数之间的关系,该文从PSD定义出发,分析了随机面形轮廓不同参数对光学PSD的影响规律,总结了PSD控制的要点,在平面玻璃上对数控抛光典型路径下加工的PSD曲线进行分析。分析结果表明:PSD与随机轮廓幅值、频率分布有关,相位对它几乎无影响;在RMS接近情况下,PSD线性拟合斜率和RMS Slope随随机轮廓的自相关长度增加而下降;短程加工路径相较于长程有序路径能够有效抑制PSD曲线峰值,使得光学元件符合频谱抑制要求。     

一种基于金刚石多层波导结构微环谐振器的仿真分析

提出了一种以金刚石新型材料为芯层的单微环谐振器模型.谐振器的纵切面采用五层脊形波导结构,中间一层设定为金刚石,上下两侧分别是SiO_2和As_2S_3,即As_2S_3-SiO_2-金刚石-SiO_2-As_2S_3.设置操作波长为1550 nm,依据耦合膜理论和微环谐振理论,利用Comsol软件仿真模拟了单直波导纵切面、直波导和环形波导耦合区的纵切面以及微环在谐振波长为1543 nm时的场强分布,及直波导和环形波导耦合区间距改变时微环的场强分布和传输特性.在此基础上,依据传输矩阵法讨论了微环的品质因数、耦合系数变化对输出光谱的影响,并对微环损耗进行了讨论.结果表明:以金刚石为芯层的微环谐振器具有良好的光学特性,本结构在谐振波长为1543 nm时谐振峰值达到了-12 dB以上,品质因数达到了1.54×10~5,在耦合系数为0.01时,自由光谱范围约为40 nm.