控制力精密抛光装置的设计与实验研究

本文设计并研制了一套可控制抛光作用力的精密抛光装置,该装置具有抛光作用力微调功能及显示功能。用该装置对Ｚｅｒｏｄｕｒ陶瓷玻璃进行控制力抛光实验,稳定地获得了具有纳米级及亚纳米级表面粗糙度的超光滑表面,将该装置与机械化学抛光方法结合使用,可高效地加工出表面无损伤的超光滑基片。     

浮法抛光超光滑表面加工技术

浮法抛光技术首先出现于日本，是加工超光滑表面的先进技术之一。本文详细介绍用浮法抛光加工超光滑表面的机械结构和加工过程，与传统的沥青抛光方法进行了比较，并分析了材料去除机理。最后简单介绍我国研究浮法抛光技术的进展。     

化学气相沉积SiC材料超光滑表面纳米加工

 利用传统光学加工方法，采用陶瓷磨盘和金刚石微粉对国产化学气相沉积(CVD) SiC进行了粗磨、细磨加工；然后，利用颗粒直径从4 μm到1 μm的金刚石研磨膏逐级进行抛光，发现SiC表面存在纳米级划痕；最后，改用颗粒直径为20 nm氧化铝纳米颗粒的碱性水溶液进行抛光，表面粗糙度达到0.6 nm(RMS)，表面纳米级划痕得到很好改善，获得了较高表面质量的超光滑表面。     

纳米α-Al2O3磨料抛光单晶硅片光滑表面的形成机理

"将纳米α-Al2O3粉体配制成抛光液并冷冻成冰结抛光垫对单晶硅片进行了抛光,用原子力显微镜观察了抛光表面的微观形貌并测量了其表面粗糙度,采用透射电镜观察了单晶硅片抛光后的断面形貌．为进一步分析抛光过程中的化学作用机理,采用X射线光电子能谱分析了单晶硅片抛光后表面的化学成分．利用纳米压痕仪的划痕附件对单晶硅片进行了划痕测试,研究了抛光过程中的机械作用机理．结果表明纳米α-Al2O3磨料冰冻抛光单晶硅片时,在1 mm￡1 mm的范围内得到了微观表面粗糙度为0.367 nm的超光滑表面,亚表面没有任何损伤,材     

纳米级光学超精密加工技术

纳米级光学超精密加工是软X射线光学和光电子学元件制备的重要基础技术之一。本文概述这一技术研究的主要内容并介绍近10年来特别是80年代后期在这一研究领域的最新进展，例如单点金刚石车削、可延展磨削、浮法抛光以及离子束抛光等。超精密加工的最终目标是直接操纵原则，本文还介绍了用扫描隧道显微镜（STM）实现亚纳米级超精密加工的可能性。亚纳米级超精密加工技术将成为下个世纪重要的高技术。     

电极表面光滑程度对水介质高电压击穿的影响

 采用水介质同轴实验装置，改变电极表面的光滑程度，在μs级充电时进行水介质击穿实验，并对实验结果进行了分析和解释。结果表明：抛光电极表面可有效提高水介质耐高电压击穿能力；表面粗糙度为0.4～0.8 μm的抛光电极表面的击穿场强比表面粗糙度为1.6～3.2 μm的粗糙抛光电极表面，更符合Martin公式。电极表面光滑程度的改善，使阴极场致发射电流减弱进而击穿延迟时间变长，气泡也更难以附着在光滑的电极表面，从而可以提高水介质耐高电压击穿能力。     

光学元件亚表面缺陷的损伤性检测方法

在磨削、研磨和抛光加工过程中产生的微裂纹、划痕、残余应力等亚表面缺陷会导致熔石英元件抗激光损伤能力下降,如何快速、准确地检测亚表面损伤成为光学领域亟待解决的关键问题。采用HF酸蚀刻法、角度抛光法和磁流变斜面抛光法对熔石英元件在研磨加工中产生的亚表面缺陷形貌特征及损伤深度进行了检测和对比分析,结果表明,不同检测方法得到的亚表层损伤深度的检测结果存在一定差异,HF酸蚀刻法检测得到的亚表面损伤深度要比角度抛光法和磁流变斜面抛光法检测结果大一些。且采用的磨粒粒径越大,试件表面及亚表面的脆性断裂现象越严重,亚表面缺陷层深度越大。     

铜基镍纳米锥表面喷雾冷却的实验研究

本文实验研究了镜面抛光铜表面和两组不同高度镍纳米锥表面的喷雾冷却换热特性。接触角的实验与分析发现,纳米锥表面的接触角远小于抛光铜表面,且纳米锥高度越高,接触角越小。三组表面在喷雾冷却单相换热区换热性能相近,抛光铜表面换热性能略优。纳米锥表面在喷雾冷却两相换热区展现出更强的换热性能,且纳米锥高度越高,接触角越小,换热性能越好,CHF越高。     

光学元件亚表面缺陷结构的蚀刻消除

 针对强激光光学元件的应用要求，对光学材料在研磨和抛光过程中形成的亚表面缺陷进行了分析，并借鉴小工具数控抛光和Marangoni界面效应，提出采用数控化学刻蚀技术来实现光学表面面形和微结构形貌的高精度加工，对亚表面缺陷具有很好的克服和消除作用。通过实验对亚表面缺陷的分布位置和特性进行了分析，同时实验验证了在静止和移动条件下Marangoni界面效应的存在，对材料的定量去除进行了实验，提出了亚表面缺陷的去除方法。     

低亚表面损伤石英光学基底的加工和检测技术

制备低亚表面损伤的超光滑光学基底,是获得高损伤阈值薄膜的前提条件。针对石英材料在不同加工工序中引入亚表面损伤层的差异,首先利用共焦显微成像结合光散射的层析扫描技术,对W10和W5牌号SiC磨料研磨后的亚表面缺陷进行了检测,讨论了缺陷尺寸与散射信号强度、磨料粒径与损伤层深度间的对应关系;同时,采用化学腐蚀处理技术对抛光后样品的亚表面形貌进行了刻蚀研究,分析了化学反应生成物和亚表面缺陷对刻蚀速率的影响、不同深度下亚表面缺陷的分布特征,以及均方根粗糙度与刻蚀深度间的联系。根据各道加工工艺的不同采用了相应的亚表面检测技术,由此来确定下一道加工工序,合理的去除深度,最终获得了极低亚表面损伤的超光滑光学基底。     

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。     

超光滑表面的形成与抛光时间之间的关系研究

由于加工超光滑表面的古典法对加工者的经验要求较高,而且不同的加工者对抛光时间长短的控制也有较大的差别,因而下盘时机的准确判断将会对超光滑表面的加工质量产生严重的影响。为此,对所加工的全反射棱镜的超光滑表面抛光不同的时间,并在全反射条件下,根据全反射棱镜背向散射光斑的大小和亮暗的程度来判断所加工超光滑表面加工质量的检测方法,最终给出超光滑表面的抛光质量随抛光时间的变化。在实验结果的基础上得出了抛光质量随抛光时间交替变化的基本规律,并根据加工经验总结出了超光滑表面加工过程中的注意事项和判断下盘时机的基本方法。     

碳化硅表面硅改性层的磁介质辅助抛光

为了实现碳化硅表面硅改性层的精密抛光,获得高质量光学表面,对磁介质辅助抛光技术进行研究。设计了适合碳化硅表面硅改性层抛光的磁介质辅助抛光工具,并对抛光工具的材料去除函数进行研究。针对材料去除函数的特性,对数控磁介质辅助抛光的驻留时间算法进行了研究。采用磁介质辅助抛光技术对碳化硅表面硅改性层平面样片进行了抛光实验。经过一次抛光迭代,碳化硅样片表面硅改性层的面形精度(均方根)由0.049λ收敛到0.015λ（λ=0.6328 μm）,表面粗糙度从2 nm改善至0.64 nm。实验结果表明基于矩阵代数的驻留时间算法有效,磁介质辅助抛光适合碳化硅表面硅改性层加工。     

超光滑加工的后置处理算法研究

为了精确控制超光滑加工过程中磨头的运动轨迹,从而实现光学元件材料去除的均匀稳定,研究了超光滑加工的后置处理算法。分析了超光滑加工工艺的特点和相应的超光滑机床的机械结构,建立了机床的坐标系统,构造了机床的运动学模型。对于光学元件母线为任意平面曲线的情况,研究了磨头运动轨迹的等误差直线逼近算法。在曲率半径为290mm,相对口径为1∶2.9的凹球面上进行了超光滑加工实验。结果表明,利用所述算法可以精确地控制磨头的运动轨迹,从而保证材料去除的稳定性。     

纳米级面形精度光学平面镜加工

为实现纳米级面形精度光学平面镜的高效精密抛光,提出了一种由传统环带抛光技术和先进离子束抛光技术相结合的组合式加工方法。介绍了环带抛光技术和离子束抛光技术的原理,通过实验研究了离子束抛光的材料去除函数,并采用这种组合抛光方法对口径为150 mm的平面镜进行抛光,抛光后平面镜的面形误差和表面粗糙度分别达到1.217 nm RMS和0.506 nm RMS。实验结果表明,这种组合抛光技术适合纳米级面形精度光学平面镜的加工。     

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。     

非球面超光滑加工磨头控制技术研究

为了避免在超光滑加工过程中破坏光学元件的原有面形,同时保证整个表面粗糙度的均匀一致,研究了超光滑加工过程中的磨头控制技术.首先分析了超光滑加工机床的结构形式及超光滑加工工艺特点;然后研究了非球面母线的双圆弧拟合算法以及磨头进给速度的控制方法;最后将所研究的磨头运动控制算法应用于超光滑加工控制软件.以顶点曲率半径为300...     

光学面形的轮带光学抛光方法研究

鉴于光学零件高陡度凹曲面的抛光是光学加工的一个难题,轮带光学确定性抛光方法是解决此类零件抛光的有效方法之一;提出轮带光学抛光技术的原理和方法。研究了轮带光学抛光方法修形的可行性,采用五轴精密数控机床系统对一块直径Ф80 mm的K9玻璃平面样镜进行了修形试验,经过3次迭代修形使其面形精度均方根误差（RMS）由初始的0.109 提高到0.028 ,平均每次收敛率达到1.3。实验结果表明,应用轮带光学抛光技术进行光学镜面修形,面形收敛速度较快,加工精度较高。本实验验证了轮带光学抛光技术的修形能力,为高陡度光学零件的抛光提供了研究基础。     

一种大口径大非球面度天文镜面磨制新技术

主动抛光盘技术是近年来因天文望远镜的口径越来越大,焦比越来越快而发展起来的一种能够根据需要将抛光盘面实时地主动变形成偏轴非球面来磨制大口径非球面度高精度天文镜面的磨制技术。非球面表面的曲率不仅各点不一致,而且同一点的径向与切向曲率也不相同,所以经典的大的抛光盘不可能使其表面形状始终与所接触的非球面表面形状相吻合;常用的小磨盘抛光的致命缺点是解决不了高频切带,抛光效率也低。而主动抛光盘技术正好解决这些难题。与传统方法相比,它具有较高的磨削速率和较大范围内的自然平滑(无切带)。这是一种用计算机控制的磨镜技术,通过它可以像加工球面一样来加工一个深度的非球面。介绍了我国成功研制的主动抛光盘以及它在直径910mm,焦比F／2抛物面镜加工中的成功应用和加工的结果,以及此项技术将在2m以上直径天文镜面,特别是30m巨型天文光学／红外望远镜的分块子镜磨制中的应用前景。     

主动抛光盘磨制非球面的工艺与面形检测

主动抛光盘技术特别适用于磨制焦比大的深度非球面,能够根据需要对抛光盘面实时地主动变形成偏轴非球面来磨制非球面镜面。它具有较高的磨削速率和较大范围内的自然平滑(无切带)。用计算机控制磨制,可以像加工球面一样来加工一个深度的非球面。介绍了用国内首次研制成功的主动抛光盘对加工直径910mm、焦比F/2的抛物面镜的工艺方法的初步探讨,并给出了抛物面镜的检验方案和检测结果。