光学元件精密加工中的磁流变抛光技术工艺参数

为了充分掌握磁流变抛光中磁场强度、浸入深度、抛光轮转速、磁流变液水分含量等工艺参数对抛光结果的影响规律,以期提高元件的面形精度和表面的质量,在研究了磁流变抛光材料的去除数学模型的基础上,结合实验室的PKC100-P1型抛光设备,对上述的关键工艺参数分别进行了研究,设置了一系列的实验参数,进行了详细的实验探索,分析了单因素条件下材料的去除量以及元件表面质量同关键工艺参数的内在联系,得出了相应影响关系曲线。从关系曲线表明:工艺参数对抛光斑的去除效率以及被加工元件表面质量存在着明显的影响规律,掌握这些影响关系就能用于分析和优化磁流变加工的结果,为高精度光学表面的加工提供可靠的保障,同时实验的结果也很好地验证了磁流变抛光材料去除理论的正确性。     

平面摇摆式抛光去除模型研究

为了完善平面摇摆式抛光的理论并指导加工,基于Preston方程建立了平面摇摆式加工的去除模型,并使用该模型在Matlab中仿真计算元件上各点在不同加工参数情况下的去除量,最终得到不同加工参数情况下所产生的不同去除形貌。通过控制不同参数在430mm×430mm平面石英元件上进行抛光实验,验证去除模型的正确性,对比相同参数下仿真得到的去除形貌和加工后检测得到的面形图可知该去除模型能够正确预测不同加工参数时的去除量,从而证实了该模型能够准确、有效地指导摇摆式抛光。     

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。     

射频聚焦离子源熔石英高确定去除特性研究

在离子束抛光工艺过程中，材料确定性去除特性对预测光学元件的各工位材料去除量和驻留时间具有极其重要的作用。采用射频离子源对熔石英光学元件的离子束刻蚀特性进行了研究，利用ZYGO激光干涉仪获得准确的去除函数，系统分析了气体流量、屏栅电压、离子束入射角和工作距离等因素对熔石英去除函数的影响，并分析了各单一工艺因素微小扰动时，材料峰值去除率、半高宽和体积去除率的相对变化率。实验结果表明，相同工作真空条件下，工作气体质量流量的微小变化对去除函数影响极小，在典型的工艺条件下，屏栅电压在±5 V、离子束入射角±1°、工作距离在±0.5 mm范围内变化时，熔石英峰值去除率、体积去除率和峰值半高宽的相对变化均小于5%，去除函数具有较好的确定性和稳定性。     

3mm厚大口径超薄元件双面抛光工艺北大核心CSCD

基于环摆双面抛光技术,研究了3mm厚大口径超薄元件的双面抛光加工工艺。通过对双面抛光原理的分析,对转速比、抛光垫面形、抛光液等工艺参数上作了优化,并通过加工模拟进行验证。通过工件环分离器减薄技术解决了3mm厚超薄元件的装夹问题。在SYP152双面主动抛光机上进行了加工工艺实验,通过调节转速比实现3mm厚大口径超薄元件面形的高效收敛,验证了加工的可行性,并且达到了面形精度优于1.5λ(λ=632.8nm)、表面粗糙度优于1nm的技术水平。     

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。     

先进光学制造技术进展

针对高功率固体激光发展的需求,总结了先进光学制造技术方面的研究进展。采用超精密制造技术提高了非球面等元件的加工精度和制造效率,并为解决低缺陷加工提供了技术途径。围绕面形误差控制,特别是中频波前误差控制,发展了多种确定性抛光技术。针对熔石英元件建立了去除-抑制模型及新的抛光技术,有效抑制了亚表面缺陷的产生。     

冲击角度对射流抛光中材料去除面形的影响分析

冲击角度会影响冲击射流的动力特性,对射流抛光的材料去除面形和去除量大小有重要的影响。利用计算流体动力学理论进行了冲击角度对射流抛光中材料磨蚀的影响的仿真和实验研究,分析了冲击角度对冲击射流特性的影响,结合实验研究,基于射流厚度、壁面速度和压力等几个方面分析了冲击角度对材料去除面形的影响,得到了材料去除分布与冲击角度的去除模型的关系描述公式,其材料去除面形分布与实际抛光面形能很好的符合。     

平面和曲面光学零件气囊抛光材料去除的比较研究

气囊数控抛光是近年来一种新兴的先进光学制造技术,采用柔性的气囊作为抛光工具并以进动的方式进行加工。首先简要阐述了气囊抛光的抛光原理,然后针对平面和曲面光学零件,在自行研制的气囊抛光实验样机上进行了抛光实验。被抛光光学元件的材料去除是在抛光区内实现的。研究了进动角、气囊压缩量、气囊内部压力、气囊转速、抛光时间以及工件的曲率半径几种重要的工艺参数对平面工件和球面工件抛光接触区大小和形状影响情况的异同。在此基础上,总结了气囊抛光材料去除的影响规律。给出了几种重要工艺参数在平面工件和球面工件上取值范围。     

高功率激光晶体加工技术的研究

针对高功率激光器中使用的激光晶体关键元件,开展了晶体的先进加工技术的研究。根据LBO及YCOB晶体材料的加工特性,选取了定向切割、研磨、预抛光、磁流变抛光、合成盘抛光和机械化学抛光的总体技术路线。对不同种类晶体加工设计了不同的工艺路线,开展了相关加工工艺研究。其中LBO晶体的面形收敛工艺主要采用磁流变抛光,YCOB晶体的面形工艺主要采用合成盘抛光。通过组合加工工艺,获得了高质量的晶体加工指标,LBO晶体透射波前0.12λ(λ=632.8nm),粗糙度0.77nm;YCOB晶体面形0.11λ,粗糙度0.68nm。确定了晶体元件的整体加工技术路线,并对整个工艺流程开展了工艺实验研究,取得了较好的实验效果,实现了激光晶体的高质量加工指标。     

熔融石英玻璃无水环境固结磨粒抛光特性

为了克服游离磨粒抛光的随机性、磨料浪费以及产生的水合层等问题,提出了一种无水环境下熔融石英玻璃固结磨粒抛光技术。研究实现了稳定的抛光轮烧结工艺,并应用于熔融石英玻璃抛光加工,通过对加工产物和抛光轮粉末进行EDS能谱分析和XRD衍射分析,从微观上初步阐述了固结磨粒抛光的去除机理;从宏观上探索压力和转速对去除效率和表面粗糙度的影响。实验结果表明:加工过程中,在法向力和剪切力作用下,CeO₂磨粒和熔融石英发生化学反应,CeO₂将SiO₂带出玻璃,实现材料去除;同时,压力和转速对加工效率影响并不遵循Preston公式,温升和排屑成为决定去除效率的关键。     

Subsurface defect characterization and laser-induced damage performance of fused silica optics polished with colloidal silica and ceria

This paper mainly focuses on the influence of colloidal silica polishing on the damage performance of fused silica optics. In this paper, nanometer sized colloidal silica and micron sized ceria are used to polish fused silica optics. The colloidal silica polished samples and ceria polished samples exhibit that the root-mean-squared(RMS) average surface roughness values are 0.7 nm and 1.0 nm, respectively. The subsurface defects and damage performance of the polished optics are analyzed and discussed. It is revealed that colloidal silica polishing will introduce much fewer absorptive contaminant elements and subsurface damages especially no trailing indentation fracture. The 355-nm laser damage test reveals that each of the fused silica samples polished with colloidal silica has a much higher damage threshold and lower damage density than ceria polished samples. Colloidal silica polishing is potential in manufacturing high power laser optics.     

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。     

Ultra-smooth polishing of high-precision optical surface

A new method of ultra-smooth uniform polishing was presented, which can avoid high-precision surface figure getting worse after ultra-smooth polishing. At first, the fundamental and process were introduced. Then the process was simulated with “Gauss” and “V” type removal function. It shows that there will be no significant influence on optical surface figure after ultra-smooth uniform polishing with any type removal function. To demonstrate the process, a high-precision Ø100 mm fused silica flat optical element was polished, which was prior figured by IBF. Its surface figure accuracy root-mean-square (rms) value is improved from initial 3.624 nm to final 3.393 nm, the mid-spatial frequency surface roughness rms value is improved from initial 0.477 nm to final 0.309 nm, and the high-spatial frequency surface roughness rms value is improved from initial 0.167 nm to final 0.0802 nm. At last, the surface quality of the lens was analyzed by power spectral density (PSD). The result indicates that the surface roughness of high-precision optical element could be improved by ultra-smooth uniform polishing method without the surface figure destroyed.     

化学刻蚀过程中熔石英表面沉积物的形成及其对激光损伤的影响

化学刻蚀是提升熔石英光学元件抗激光损伤性能的重要后处理技术之一,但刻蚀后熔石英表面附着的沉积物对其表面质量、透射性能和抗激光损伤性能有很大影响。使用光学显微镜和原子力显微镜表征了化学刻蚀后附着于熔石英表面的沉积物的微观形貌,并分析了其形成机理;X射线能谱分析表明化学刻蚀后熔石英表面沉积物主要由Fe,Ni,Al等元素的金属盐组成。损伤阈值测试结果表明熔石英表面高密度沉积物区域的损伤阈值明显低于非沉积物区域,沉积物对熔石英光学元件的抗激光损伤性能产生严重影响,它们是诱导熔石英激光损伤的前驱体。     

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。     

CO_2激光光栅式扫描修复熔石英表面缺陷的实验研究与数值模拟

基于熔石英材料对波长为10.6μm的CO2激光具有强吸收作用这一特点,提出采用CO2激光光栅式多次扫描修复熔石英光学元件表面密集分布的划痕和抛光点等缺陷的方法.实验结果表明,在合理的扫描参数下,元件表面的划痕和抛光点等缺陷可被充分地消除.损伤阈值测试结果表明,表面划痕和抛光点等缺陷被完全消除的元件的损伤阈值可回复到或超过基底的损伤阈值.同时结合有限元软件Ansys的模拟结果分析了CO2激光扫描修复及消除元件表面划痕和抛光点等缺陷的过程.本文为消除元件表面划痕和抛光点等缺陷提供了非常有意义的参考.     

熔石英再沉积层结构的纳米级表征和杂质分析

利用原子力显微镜观察熔石英不同蚀刻时间的表面形貌,结合二次离子质谱分析,研究了熔石英的再沉积层结构和杂质分布。结果表明,熔石英表面深度10nm的再沉积层内存在大量微裂纹和杂质,经蚀刻展开形成nm级划痕和坑点,其分布随着深度增加呈指数衰减。根据nm级划痕密度、宽深比随蚀刻深度变化的规律,估算出再沉积层厚度,估算结果与二次离子质谱测得的杂质嵌入深度基本一致。杂质元素嵌入深度与抛光微裂纹分布特征的关联性表明,杂质很有可能藏匿在抛光微裂纹中。